連續箱梁橋體外預應力轉向塊力學性能仿真分析

羅桂軍 唐寄強 羅曜波 何威特 李滿意 姜天華 黃亞北

(1.中建五局土木工程有限公司 長沙 410004； 2.武漢科技大學城市建設學院 武漢 430065)

當前使用的大跨度預應力混凝土連續梁橋絕大多數屬于體內預應力體系，在實際運營過程中由于預應力筋壓力損失過大，常出現跨中裂縫、撓度隨時間加大等病害，且難以維護加固[1]。相比而言，體外預應力結構具有能夠有效降低截面尺寸、便于維護和更換預應力索、減輕自重、二次張拉體外束主動控制跨中撓度等優點，故在橋梁維修加固中應用較多。

但體外預應力鋼束與混凝土連接部分較少，體外預應力鋼束的使用效率低，限制了其應用范圍。在混合配束的預應力梁中,當體內有黏結力筋的配筋率適當時,極限荷載下可以顯著地改善梁裂縫的分布,使裂縫的分布分散、均勻,從而使受彎區域裂縫的總寬度增加,相應的體外束的應變增加,使體外束可以達到更高的極限應力,體外預應力梁的延性及極限強度也有所提高。在跨度較大時，所需體內預應力筋較多，勢必會導致箱梁截面過大，此時可適當選用體外預應力進行補強[2]。將體內、體外預應力結構形式結合起來形成體內、體外混合配束的結構形式能發揮二者優勢，既能有效地降低預應力束的增多給截面帶來的不利影響，又能克服單純體外預應力束在極限狀態下存在延性較低而導致的潛在風險。

轉向塊是調節體外預應力橋梁中預應力筋轉向的一種關鍵構造，由于此構造與預應力筋連接部位較少，故應力集中，受力十分復雜，直接影響到橋梁的安全和穩定。因此，對體外預應力作用下轉向塊的力學特性進行分析研究，揭示其受力特點、應力分布規律并采取相應構造措施是十分必要的[3]。本文擬以科特迪瓦阿比讓Banco灣主橋為工程背景,通過建立轉向塊節段實體有限元模型，仿真分析其力學性能，研究橫隔板式轉向塊設計方案。

1 工程概況

Banco灣主橋是科特迪瓦阿比讓跨越Banco瀉湖的一座高架橋，全長80 207.5 m，跨徑布置為54 m+7×90 m+68 m+40.5 m，其橋型布置見圖1。

圖1 Banco灣高架橋橋型布置圖(單位：cm)

橋梁上部為預應力混凝土變截面連續箱梁，箱梁橋面總寬1 665 cm，箱梁整體旋轉使橋面形成2.5%的橫坡。箱梁中支點處梁高570 cm，跨中及邊支點處梁高280 cm。箱梁懸臂折線變厚過程為28-28-70 cm，懸臂長352 cm。梁高為2.80～5.70 m，主梁采用單箱單室結構，主梁的預應力體系為體內、體外混合配束。橋墩為花瓶式空心薄壁墩,壁厚取值范圍為65～80 cm,橋墩基礎為套管式鉆孔灌注樁。預應力混凝土箱梁為B40 混凝土。

2 體外預應力轉向塊的構造形式

轉向塊一般可依據材料和構造形式來進行分類。根據材料可分為鋼筋混凝土結構和鋼結構2種形式，其中鋼筋混凝土結構形式在實際工程中最為常見。根據構造形式，轉向塊可大致分為3類：①橫隔板式；②肋式；③塊式，轉向塊構造形式見圖2。

圖2 轉向塊構造形式

橫隔板式和肋式轉向塊均屬承壓型，其強度較高，且由于其結構與頂、底板連接，可以充分利用共同連接強度，并且能夠共同抵抗預應力筋的反作用力，因此具有較大的承載能力。缺點在于其空間體積較大，模板構造較為復雜且增加了自重。

塊式轉向塊屬于受拉型，具有構造簡單、自重輕的優點。缺點是未與頂、底板充分連接，連接強度不夠，且在發生開裂后無約束作用，不能像橫隔板式和肋式轉向塊一樣形成受壓支柱共同抵抗破壞，因而其承載能力較小[4]。

當體外索較多，產生的轉向力較大時，還需要進一步完善轉向塊的構造形式，優化轉向塊受力狀態。Banco灣主橋采用結構下部局部加厚的橫隔板式轉向塊。該轉向塊高257.2 cm, 上部高度為76.3 cm的部分厚50 cm，下部高度為178.9 cm部分加厚至100 cm，加厚的高度覆蓋最下層轉向孔道，其構造示意見圖3。

圖3 橫隔板式轉向塊(單位：cm)

3 體外預應力轉向塊仿真分析

3.1 有限元模型建立

根據圣維南原理，取3.5 m×3長的連續梁段為研究對象，布置圖3所示轉向塊于中間梁段內，利用通用有限元程序ANSYS建立數值模型，見圖4。

圖4 有限元實體模型

轉向塊節段混泥土采用8節點六面體單元Solid45單元模擬，共建立86 772個單元，130 253個節點；預應力筋選用8節點六面體單元Solid185 單元模擬，共有節點4 693個，單元3 960個，每個節點具有3個自由度，單元具有超彈性、應力剛化、蠕變大變形、大應變能力的優點，能夠準確地模擬預應力筋與孔道的接觸處問題[5]。

在轉向塊結構中，由于預應力孔道區域受力復雜，為保證計算精度，在網格劃分時對此區域的單元劃分得更精密[6]實體模型。為便于計算，模擬將梁段兩端視為固結狀態。網格劃分模型見圖5。

圖5 網格劃分模型

轉向塊孔道中預應力筋和孔道接觸區域采用空間弧形的形式，此種接觸形式的特點在于沒有固定的切平面來處理，且預應力鋼束屬于高彈模柔性材料，因此難以直接用幾何方法進行描述求解。為計算方便，本文簡化為二維接觸問題進行分析[7]。

預應力鋼材采用抗拉強度標準值為1 860 MPa 的M15A高強低松弛鋼絞線。倒角半徑8 m，孔道半徑147 mm，根據應力分解計算豎向分力荷載得孔道半壁面荷載為17.7 MPa。具體加載方式見圖6。

圖6 預應力筋孔道加載方式

3.2 有限元模型分析

轉向塊在工作過程中主要承受體外預應力筋的豎向分力作用，并在豎向應力作用下產生變形。有限元軟件計算的變形結果見圖7。

圖7 豎向分力作用下變形圖(單位：m)

由圖7可見，在預應力作用下，整個梁段均發生了向上的變形，其中最大變形值為3.7 mm，產生在轉向塊處，最小值處于梁段為0，且整個變形趨勢為從轉向塊處向梁端處漸漸減小。

轉向塊在工作過程中主要承受體外預應力筋的豎向分力作用，該豎向荷載作用下的應力云圖見圖8。

圖8 豎向分力作用下應力云圖(單位：Pa)

由圖8可見，在豎向分力作用下，轉向塊截面上緣壓應力最大為1.82 MPa，下緣拉應力最大為2.15 MPa，整個梁段主要承受壓應力，壓應力值均不高于1.9 MPa。

在預應力筋的豎向分力作用下，轉向塊預留孔附近產生復雜的應力，其豎向應力和第一主應力云圖見圖9、圖10。

圖9 預應力筋孔道豎向應力云圖(單位：Pa)

圖10 預應力筋孔道第一主應力云圖(單位：Pa)

由圖9、圖10可見，在預應力筋的豎向分力作用下，轉向塊預留孔下部主要受拉，最大拉應力出現在孔道下部，整個梁段的豎向拉應力為0.25～1.51 MPa。在預應力筋的豎向分力作用下，孔道上部主要受壓，最大壓應力大小為1.37 MPa，剛好產生在孔道正上緣。

根據以上分析可知，轉向塊與底板相交的地方應力分布最為集中。在預應力筋的豎向分力作用下，孔道上部受壓，且最大值出現在孔道正上緣；孔道下部受拉，但拉應力較小；該橫隔板式轉向塊的受力和變形均能夠滿足要求，轉向塊設計合理，安全穩定。

4 結論

1) 在縱向上，轉向塊主要承受預應力筋的豎向分力作用，作用后整個結構均發生了向上的變形，其中轉向塊處的變形值最大，且從轉向塊處向梁端變形值呈逐漸減小的趨勢。整個梁段主要承受壓應力，壓應力較小且分布較為均勻。

2) 在預應力筋的豎向分力作用下，孔道的應力分布呈現為上部受壓、下部受拉，其中孔道上緣處的壓應力值最大，最大拉應力產生在孔道下緣。

3) 局部加厚轉向塊能在減少材料消耗的情況下，滿足大橋可靠、安全和穩定的設計需求。上部50 cm、下部100 cm厚的轉向塊橫隔板受力性能優異，推薦在該橋中使用。