節(jié)段預(yù)制箱梁體外預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向塊受力性能分析

胡邦瑜，孫林，吳文杰

（重慶市市政設(shè)計(jì)研究院，重慶 400020）

0 引言

轉(zhuǎn)向塊是體外預(yù)應(yīng)力橋梁中的一種特殊構(gòu)造，承擔(dān)著預(yù)應(yīng)力索轉(zhuǎn)向的重要任務(wù)，能夠傳遞體外束的水平荷載和豎向荷載。隨著節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁的應(yīng)用愈來(lái)愈普遍，全體外預(yù)應(yīng)力發(fā)展逐漸完善，結(jié)構(gòu)體系愈加多樣與復(fù)雜，現(xiàn)有相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范有一定限制[1]。因此，全體外束節(jié)段預(yù)制結(jié)構(gòu)的受力性能以及轉(zhuǎn)向塊的局部受力特點(diǎn)值得繼續(xù)研究。王廷臣、閆新勇等[2]進(jìn)行了體外預(yù)應(yīng)力橋梁轉(zhuǎn)向塊力學(xué)性能試驗(yàn)，得出適量配筋的轉(zhuǎn)向塊在使用時(shí)能夠充分發(fā)揮機(jī)能、在極限狀態(tài)下也有足夠的安全度等結(jié)論。殷新鋒、王成煜等[3]對(duì)一橫隔板式轉(zhuǎn)向塊進(jìn)行仿真分析，揭示了轉(zhuǎn)向塊的應(yīng)力傳遞路線和受力特性。黃民元等[4]研究了轉(zhuǎn)向塊對(duì)體外預(yù)應(yīng)力筋偏心距二次效應(yīng)的作用及轉(zhuǎn)向塊對(duì)體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)承載能力的影響。林峰、吳文清[5]等通過(guò)空間有限元仿真模擬，得到了箱梁底板厚度與轉(zhuǎn)向肋的厚度是影響其應(yīng)力狀態(tài)的主要因素的結(jié)論。盧春玲、李傳習(xí)等[6]對(duì)重慶某體外預(yù)應(yīng)力箱梁橋轉(zhuǎn)向塊利用拉壓桿模型法進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，給出了體外預(yù)應(yīng)力箱梁橋轉(zhuǎn)向塊相應(yīng)的配筋設(shè)計(jì)建議。閆云友，李華萍等[7]以巴拿馬大西洋橋西側(cè)箱梁內(nèi)轉(zhuǎn)向塊底部位置的混凝土出現(xiàn)嚴(yán)重開(kāi)裂為案例，分析了轉(zhuǎn)向塊結(jié)構(gòu)開(kāi)裂所產(chǎn)生的原因并介紹施工現(xiàn)場(chǎng)采取的解決措施。而對(duì)于組合式的轉(zhuǎn)向塊，幾何不規(guī)則，底塊和肋板尺寸、孔道轉(zhuǎn)角和半徑等因素都會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)向塊的性能有所影響，為探究復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)的受力情況和局部尺寸的影響，本文進(jìn)行有限元模擬分析，揭示該類型轉(zhuǎn)向塊在節(jié)段預(yù)制結(jié)構(gòu)中的受力特性。

1 模型簡(jiǎn)介

重慶華巖隧道西延伸段項(xiàng)目橋梁節(jié)段預(yù)制箱梁典型跨徑為30m，體外預(yù)應(yīng)力體系中采用底部加強(qiáng)的肋式轉(zhuǎn)向塊，該型轉(zhuǎn)向塊能夠承受較大的預(yù)應(yīng)力索分力，具有較好的受力保障，不足之處是增加了恒載重量。本文使用通用有限元軟件ANSYS對(duì)包含轉(zhuǎn)向塊及肋板的箱梁段結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體建模，結(jié)構(gòu)尺寸規(guī)格如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)向塊處梁段基本尺寸

箱梁轉(zhuǎn)向塊節(jié)段長(zhǎng)為2.5m，其中對(duì)轉(zhuǎn)向塊底塊和預(yù)應(yīng)力鋼套筒進(jìn)行精細(xì)建模。肋板厚0.35m，下部底塊高0.4m，縱向長(zhǎng)1m，孔道半徑101.5mm，鋼套筒孔道壁厚5mm，取箱梁的一半為建模對(duì)象。為貼近真實(shí)受力情況，在箱梁兩端施加固定約束，截面中軸邊界條件采用對(duì)稱約束。在ANSYS建模過(guò)程中采用solid45單元模擬梁段混凝土，彈性模量E=36GPa，泊松比u=0.2，鋼套筒彈性模量E=210GPa，泊松比取為u=0.28，不考慮結(jié)構(gòu)的重力，有限元模型如圖2所示。

圖2 梁段有限元模型

采用等效荷載的方法模擬體外預(yù)應(yīng)力筋對(duì)轉(zhuǎn)向塊的受力作用，將此豎向力用均布面荷載等效替代，作用在體外預(yù)應(yīng)力管道的上管道壁。由于預(yù)應(yīng)力筋與管道的摩擦?xí)斐梢欢ǔ潭鹊念A(yù)應(yīng)力損失，計(jì)算時(shí)考慮有效預(yù)應(yīng)力折減系數(shù)取0.6，計(jì)算簡(jiǎn)化為轉(zhuǎn)向塊兩側(cè)預(yù)應(yīng)力和張拉力相同，由于 ANSYS面荷載功能只能施加垂直于孔道表面的壓力荷載，若加載面取孔道上半圓，簡(jiǎn)單計(jì)算可得所需施加的豎向荷載為

式中：σp為鋼束張拉荷載1302MPa；θ為孔道轉(zhuǎn)角度數(shù)；u為有效預(yù)應(yīng)力折減系數(shù)；n為鋼束根數(shù)，A為單筋面積140mm2，根據(jù)公式1計(jì)算出N1—N4孔道面上的豎向荷載如表1所示。

表1 孔道豎向荷載表

2 有限元計(jì)算分析

體外預(yù)應(yīng)力鋼束穿過(guò)轉(zhuǎn)向塊孔道，使得上部肋板結(jié)構(gòu)形成一個(gè)豎向受壓結(jié)構(gòu)，而孔道下部則是受拉的，導(dǎo)致底塊區(qū)域內(nèi)受力集中，應(yīng)力分布情況復(fù)雜[8]。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，也可得出轉(zhuǎn)向塊的受力特點(diǎn)。本文提取兩橫向截面做分析與對(duì)比，距轉(zhuǎn)向塊中心0.46m處橫向截面和0.135m處橫向截面應(yīng)力如圖3和圖4所示，從圖3中可以看出孔道口處拉應(yīng)力最大為4.82MPa，該截面內(nèi)沒(méi)有肋板承擔(dān)豎向荷載，孔道口處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中；而在0.135m處截面內(nèi)，肋板的存在可以提高整體剛度，降低孔道周圍的應(yīng)力峰值，使該截面的最大拉應(yīng)力降至1.47MPa，同時(shí)在該截面右側(cè)兩拐角處出現(xiàn)應(yīng)力較大情況，可設(shè)置倒角減少應(yīng)力集中，在設(shè)計(jì)施工過(guò)程中需要注意。

圖3 距中心0.46m截面應(yīng)力分布圖

圖4 距中心0.135m截面應(yīng)力分布圖

為了能清楚地分析和觀察轉(zhuǎn)向塊細(xì)部情況，將鋼套筒和轉(zhuǎn)向塊兩者分離出來(lái)觀察，鋼筒應(yīng)力云圖如圖5所示，在鋼筒最上方位置出現(xiàn)最大壓應(yīng)力，鋼管套筒端部下方兩側(cè)出現(xiàn)最大拉應(yīng)力6.708MPa，數(shù)值遠(yuǎn)小于鋼材的屈服強(qiáng)度，表明結(jié)構(gòu)具有足夠的安全性。

圖5 鋼套筒第一主應(yīng)力圖

轉(zhuǎn)向塊孔道周圍的主應(yīng)力圖如圖6所示。轉(zhuǎn)向塊預(yù)留孔道上部混凝土以受壓為主，最大拉應(yīng)力則出現(xiàn)在轉(zhuǎn)向塊外側(cè)預(yù)應(yīng)力孔道壁側(cè)下方，孔道口局部出現(xiàn)應(yīng)力集中，孔道中部的拉應(yīng)力為0.925MPa，孔道口附近的拉應(yīng)力為4.79MPa，因此孔道口是防止混凝土開(kāi)裂的重要部位。由于豎向分力的作用，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了向上的彎曲變形，轉(zhuǎn)向塊有從被梁體底板拉脫的趨勢(shì)，在轉(zhuǎn)向塊底部也存在3.25MPa的拉應(yīng)力。在轉(zhuǎn)向孔道周圍設(shè)置環(huán)向鋼筋，能夠控制混凝土裂縫寬度。

圖6 轉(zhuǎn)向塊第一主應(yīng)力圖

3 下部轉(zhuǎn)向塊尺寸影響

本文通過(guò)改變轉(zhuǎn)向塊高度和縱向長(zhǎng)度、肋板厚度和橫向尺寸、孔道半徑和轉(zhuǎn)角度數(shù)，建立不同的有限元模型，研究結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)局部受力情況的影響，提取孔道口周圍縱向各位置點(diǎn)截面上的最大主應(yīng)力值，為該截面的最不利分析情況，得到了各對(duì)比情況下的通道孔區(qū)域豎向正應(yīng)力的變化趨勢(shì)。

圖7 底塊厚度變化下應(yīng)力趨勢(shì)圖

研究轉(zhuǎn)向塊高度和縱向長(zhǎng)度的影響，將轉(zhuǎn)向塊的高度分別增加10cm、20cm，得到主拉應(yīng)力在轉(zhuǎn)向塊的高度變化情況下的變化趨勢(shì)，如圖7；同時(shí)，將轉(zhuǎn)向塊的縱向長(zhǎng)度分別增加20cm、40cm，進(jìn)行應(yīng)力分析，得到主拉應(yīng)力在轉(zhuǎn)向塊的縱向長(zhǎng)度變化情況下的變化趨勢(shì)，如圖8。從圖7可以看出：隨著轉(zhuǎn)向塊的高度增加，孔道口的應(yīng)力集中情況有下降趨勢(shì)，但對(duì)于孔道中部的受力情況影響不大；從圖8可以看出：隨著轉(zhuǎn)向塊的縱向長(zhǎng)度增加，孔道下側(cè)的拉應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，這也與孔道受力面積增大而孔道壁應(yīng)力減小有一定聯(lián)系。

圖8 底塊長(zhǎng)度變化下應(yīng)力趨勢(shì)圖

研究肋板的尺寸對(duì)轉(zhuǎn)向塊受力的影響，本文將肋板的厚度分別增加10cm、20cm，通過(guò)應(yīng)力分析，得到主拉應(yīng)力在肋板厚度變化情況下的變化趨勢(shì)，如圖9；同時(shí)，將肋板的橫向?qū)挾确謩e減少20cm、40cm，得到主拉應(yīng)力在肋板橫向?qū)挾茸兓闆r下的變化趨勢(shì)，如圖10。從圖9可以看出：隨著肋板厚度的增加，預(yù)應(yīng)力孔道下側(cè)的拉應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，但趨勢(shì)較不明顯。從圖10可以看出：肋板寬度的變化，對(duì)轉(zhuǎn)向塊的受力情況無(wú)明顯影響。

圖9 肋板厚度變化下應(yīng)力趨勢(shì)圖

圖10 肋板橫向?qū)挾茸兓聭?yīng)力趨勢(shì)圖

研究轉(zhuǎn)向孔道對(duì)轉(zhuǎn)向塊受力的影響，由于N4對(duì)轉(zhuǎn)向塊的作用應(yīng)力影響相對(duì)較小，本文修改N1—N3孔道半徑和孔道轉(zhuǎn)角度數(shù)建立對(duì)比模型，孔道半徑分別增加10mm、減少10mm，得到主拉應(yīng)力在孔道半徑變化情況下的變化趨勢(shì)，如圖11；同時(shí)，鋼束孔道轉(zhuǎn)角分別增加1°、減少1°，得到主拉應(yīng)力在孔道轉(zhuǎn)角變化情況下的變化趨勢(shì)，如圖12。從圖11可以看出：孔道半徑值的增加，可以明顯減少孔道口的應(yīng)力峰值，但對(duì)孔道中部位置的應(yīng)力未出現(xiàn)減小效果，而半徑的減小卻增大了應(yīng)力集中情況，因此根據(jù)體系所需的鋼束數(shù)量，選用合適的孔道半徑對(duì)控制孔道周圍拉應(yīng)力有積極影響。從圖12可以看出：孔道口應(yīng)力受孔道轉(zhuǎn)角的影響較為敏感，孔道轉(zhuǎn)角增大1°，孔道口拉應(yīng)力增大0.8MPa，這是由于轉(zhuǎn)角增大使得預(yù)應(yīng)力束的豎向分力增大，且應(yīng)力變化明顯，因此在滿足體外預(yù)應(yīng)轉(zhuǎn)向功能的同時(shí)，設(shè)置合理的孔道轉(zhuǎn)角度數(shù)，可以減小孔道口的應(yīng)力峰值。

圖11 孔道半徑變化下應(yīng)力趨勢(shì)圖

圖12 孔道轉(zhuǎn)角變化下應(yīng)力趨勢(shì)圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)預(yù)制箱梁節(jié)段轉(zhuǎn)向塊的多參數(shù)應(yīng)力分析和對(duì)比，得出如下結(jié)論：

1）肋式轉(zhuǎn)向塊增大底塊截面，可以有效地減少底部拉應(yīng)力集中，增大結(jié)構(gòu)的承載能力，該型轉(zhuǎn)向塊縱向上中間應(yīng)力較兩側(cè)小，受力危險(xiǎn)區(qū)域在孔道口兩側(cè)下方位置，局部容易出現(xiàn)應(yīng)力集中；

2）鋼套筒的最大拉應(yīng)力為6.708MPa，遠(yuǎn)未達(dá)到鋼材屈服強(qiáng)度，具有足夠的安全儲(chǔ)備；

3）文章研究轉(zhuǎn)向塊底塊和肋板尺寸、預(yù)應(yīng)力孔道情況對(duì)局部的受力影響，得出肋板厚度和底塊縱向長(zhǎng)度對(duì)孔道周圍受力影響較大，肋板寬度和轉(zhuǎn)向塊高度對(duì)提高轉(zhuǎn)向塊受力性能無(wú)明顯影響，選用合適的孔道半徑對(duì)控制孔道周圍應(yīng)力有積極作用，同時(shí)在滿足轉(zhuǎn)向性能的要求下，設(shè)置合理的孔道轉(zhuǎn)角度數(shù)，可以減小孔道口的應(yīng)力峰值。

責(zé)任編輯：劉艷萍

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重慶市住房城鄉(xiāng)建委舉辦綠色建筑與節(jié)能專項(xiàng)培訓(xùn)

為加快推進(jìn)城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域生態(tài)文明建設(shè)，著力實(shí)施生態(tài)優(yōu)先綠色發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃，提升區(qū)縣城鄉(xiāng)建設(shè)主管部門綠色建筑與節(jié)能管理水平和實(shí)施能力，宣貫適應(yīng)工程建設(shè)項(xiàng)目審批制度改革要求的綠色建筑與節(jié)能管理措施，2018年11月15日，市住房城鄉(xiāng)建委組織舉辦了區(qū)縣城鄉(xiāng)建設(shè)主管部門管理人員綠色建筑與節(jié)能專項(xiàng)培訓(xùn)，各區(qū)縣（自治縣）城鄉(xiāng)建委（建設(shè)局）綠色建筑與節(jié)能工作分管負(fù)責(zé)人及具體承辦部門負(fù)責(zé)人和工作人員近200人參加了培訓(xùn)。

下一步，將督促指導(dǎo)各區(qū)縣城鄉(xiāng)建設(shè)主管部門抓好綠色建筑與節(jié)能專項(xiàng)培訓(xùn)，認(rèn)真組織宣貫適應(yīng)工程建設(shè)項(xiàng)目審批制度改革的綠色建筑與節(jié)能管理措施，推動(dòng)綠色建筑高質(zhì)量高水平發(fā)展。（選自：重慶市住房和城鄉(xiāng)建委官網(wǎng)）