橋梁預制拼裝體外預應力損耗及轉向塊功效探討

王會文

（三亞市道路運輸管理處，海南 三亞572000）

0 引 言

隨著橋梁施工標準化和預制拼裝化趨勢地不斷發展，一個時期以來，節段箱梁預制拼裝技術在橋梁設計和建設中應用越來越多。但節段箱梁預制拼裝實施中一直存在著體外預應力損耗和轉向塊結構型式選擇欠缺問題。基于體外預應力和轉向塊工程建設技術特點和基本技術需要，該研究計算了對接縫壓實耗損、摩阻耗損和收縮徐變耗損，對塊式、肋式轉向塊的功效適用性也進行了有限元模擬分析，揭示預應力耗損和兩種轉向塊結構型式對工程技術實現以及施工中的結構安全性影響規律，以為同類工程制定相對更高效安全的施工方案提供研究和技術依據，并助力實現高效安全的預應力橋梁建設施工[1-5]。

1 案例體外預應力和轉向塊概述

案例橋梁是5×55 m 連續梁橋，該橋節段箱梁選用C55 混凝土，每束選用22φ15.2 型鋼絞線作為體外預應力束，鋼絞線強度標準值是fpk=1 860 MPa，張拉控制力取0.65fpk=1 209 MPa，預應力鋼束轉向半徑r=4 m。

1.1 體外預應力設計

體外預應力體系通常包括：拉索防護系統、錨固系統、減震裝置、體外預應力轉向塊、體外預應力筋等。體外預應力筋由管路及鋼絞線組成，鋼絞線可選用鍍鋅鋼絞線、環氧涂層鋼絞線、外包PE 管無黏結鋼絞線和普通鋼絞線等。

體外預應力減震裝置能夠避免共振現象的產生。體外預應力錨固塊能夠使預應力通過錨固力開展傳導并擴散到橋梁主體。體外預應力轉向塊，能夠固定體外束線形，并承受集中力。案例橋梁節段預制裝配箱梁體外預應力縱向總計8 根預應力鋼束，單跨內體外預應力鋼束立面配置如圖1 所示。

圖1 單跨體外預應力配置立面圖

1.2 轉向塊概述

轉向塊是節段預制裝配橋梁中除體外預應力錨固裝置之外唯一聯系混凝土橋梁的部位。在節段預制裝配時，通過轉向塊改變體外預應力鋼束的方向。而且，轉向塊能夠固定體外束線形，并且承受復雜的局部應力，配置適當轉向塊，能夠減小甚至徹底消除二次效應。

節段預制裝配橋梁的轉向塊通常分為三種，即肋式、橫隔板式和塊式。其中案例轉向塊樣式是肋式轉向塊，構造圖通常如圖2 所示。

圖2 肋式轉向塊橫截面圖（單位：mm）

肋式轉向塊系為承壓型轉向塊，主要特點是可以承受較大的預應力鋼束分力，而且可以較好地使預應力鋼束轉向力高效地傳向箱梁，受力好，具有抵抗較大水平分力的作用。

2 計算分析體外預應力損耗

2.1 體外預應力接縫壓實損耗計算

節段預制裝配橋梁經過各個節段裝配組合構成整體，所以在預制梁每個節段間有對接縫。進行體外預應力加施時，對接縫會被壓實，使橋梁梁體整體縮短，導致預應力損耗；具體損耗原因是先拉張鋼束受到后期張拉鋼束影響，致使接縫被壓實而引發預應力損耗。膠接面被壓實引發應力耗損計算公式如下：

式中：ΣΔL為每個對接縫面壓縮值之和，mm；L為拉張端至錨固端間距離，mm；Ep為預應力筋彈塑性模量，MPa。接縫分為濕接縫、膠接縫及干接縫三種。通常狀態下，濕對接縫通過精心護養后，大致與整體現澆結構體性能相近；節段箱梁裝配時，壓實情況僅需考慮膠接縫及干接縫兩種情況。因為接縫面匹配預制時的結構誤差，使得干接合面裝配存在一定間隙；而使用了環氧樹脂膠的膠接縫則不會產生間隙，所以實際施工時多選用膠對縫，性價比較高，案例橋梁采用的即是該施工方法。進行接縫面壓縮時，干對接縫壓縮量ΔL高出膠接縫，見表1。

表1 對接縫面壓縮量

以案例路橋5×55 m 為例，單跨內有18 個膠接面，一聯內總計94 個膠接面。鋼絞線Ep=1.95×105MPa，ΔL=1.00 mm，根據公式（1）能夠發現：σl1=66.655 MPa，由于是張拉控制力，所以預應力耗損值占張拉控制力的5.513%，因其占比相對比較大，設計施工過程中應該引發重視。

2.2 計算體外預應力摩阻耗損

通常狀態下，預應力筋產生的摩擦耗損主要包括：（1）在曲線段因為曲線管路及鋼束間產生摩擦所導致的摩擦耗損；（2）進行施工時管路面不平整和管路部位的偏差而導致的摩擦耗損。針對體外預應力來說，計算中能夠將鋼束因為通道偏差而引發的摩擦耗損視作零，美國AASHTO 規范中不考慮鋼束因孔道偏差所引發的摩擦損耗。所以，體外預應力摩擦損耗的重點是預應力筋在轉向塊部位所受摩擦力之和，如圖3 所示。鋼束摩擦耗損表示式見公式（2）。

圖3 轉向塊部位摩擦損耗示意圖

式中：θ 為預應力筋與橋梁軸線之間夾角，rad，能夠通過近似將預應力筋投影在各坐標面上所成角度θx和θz進行疊加計算獲得；μ 為摩擦常數。

θx和θz示意如圖4 所示。

圖4 預應力筋被投影在坐標平面上所成夾角

其中μ 是摩擦常數，取值見表2。

表2 摩擦常數μ 取值

鋼絞線施工時因為管路部位擺放精確度不足和轉向塊定位存在偏差等要素影響，轉向塊部位處無法避免體外預應力偏轉角度的施工誤差，如圖5 所示。

圖5 轉向塊處體外預應力偏轉角偏差

如圖5 所示，偏轉角誤差會使式（2）的值發生變化，引入此部分誤差后，式（2）可更正為：

式中：ξ 為轉向塊部位處偏轉角誤差，rad，依據美國裝配路橋規范，ξ 值可取0.04 rad。

以5×55 m 連續梁橋為研究對象，單跨轉向裝置4 個，全橋總計20 個。并且各個轉向裝置穿插4根體外預應力鋼束。鋼管穿插無黏結鋼絞線，所以摩阻常數μ 取0.09，經計算得一聯摩擦損耗約為1401.6 MPa，該數值相對比較大，所以設計施工時一定要考慮。

因為摩擦損耗相對不穩定，所以無法給出具體計算出方式，國內外標準規范中僅有相應摩擦損耗常數取值區間，摩擦損耗在不同情況下取值可能不同，所以實際施工時推薦采用實測值，若沒有現場數據時，可以依照本文方法進行計算。

2.3 體外預應力收縮徐變耗損計算

混凝土收縮徐變的定義是受持續應力影響的混凝土產生同時間具有相關性的形變。收縮徐變致使預應力鋼束縮短，同時結構長度也會縮短，進而導致預應力損耗。一般來說預應力混凝土梁中，由于混凝土收縮徐變所產生的預應力損耗在總損耗中所占比例相對比較大。有相關統計數據表明，該損耗占據曲線配筋結構構件應力損耗的30%，在直線配筋結構構件中該損耗的占比甚至可達60%。所以結構設計時，要重視收縮徐變帶來的影響。

針對體內預應力鋼筋，因為混凝土和鋼筋互相黏結，所以預應力損耗能夠通過預應力鋼束及混凝土間的形變協調關系獲得；但是體外預應力自成體系，由于不同混凝土互相黏結，所以不存在形變協調關系，亦無法選用斷面的形變協調關系求解。由于混凝土徐變及收縮引發預應力損耗決定于兩錨固點間的總形變，可根據如下表達式進行計算：

式中：ΔL3為是混凝土徐變及收縮引發兩錨固點間梁總形變，m；Lp為體外預應力筋錨固點間的長度或者黏結長度，m；Ep為體外預應力筋彈塑性模量，N/mm2。如圖6 所示，由于收縮徐變的影響，早期預應力損耗相對較大，伴隨時間推移，預應力耗損量逐步降低；并且各單跨內體外預應力鋼束耗損趨勢相對接近，但因為其產生耗損值相對較大，所以設計過程中不可忽視其帶來的影響。

圖6 不同階段對應體外預應力筋耗損對照示意圖

3 轉向塊有限元分析

3.1 有限元模型的建立

通過ANSYS 有限元軟件的APDL 語言建立實體模型，探究對象是三個節段箱梁的轉向塊斷面，長度均為3 m，結構總長度是9 m。定義模型Y 方向是垂向，X 方向是橫向，Z 方向是縱向，建立有限元模型時選用SOLID95 作為單元。邊界條件選用一邊固結的方式，另一邊加施10 MPa 壓應力并對箱梁底面Y方向自由度進行約束。有限元模型如圖7 所示。

圖7 邊界條件圖和有限元模型

彈塑性模量EX取44 GPa，泊松比NUXY取0.167，密度DENS取2.6 t/m。轉向塊重點承受體外預應力垂向分力。由于無法避免預應力損耗，鋼束應力取0.6fpk較佳。三根鋼束彎起角度為8°，備用鋼束彎起角度為5°。

根據計算得出3 根鋼束體外垂向分力是3 437.28×sin8°=478.4 kN，備用鋼束體外垂向分力為299.6 kN。采用預應力通道頂面作為加荷面，根據計算可以得出兩類管路均布壓應力依次是6.2 MPa 及3.87 MPa。進行模型計算時，拉應力為正值，壓應力為負值，如圖8所示。

圖8 轉向塊管路單元加荷和模擬

3.2 應力分析結果

該部分對塊式、肋式轉向塊開展有限元分析，對比分析案例路橋選用轉向塊樣式是否切實可行。重點分析等同受力情況下塊式、肋式轉向塊對應應力分布，重點對底板與轉向塊聯結區域應力集中范圍應力分布進行分析。有限元模型中，切取箱體梁斷面底板與轉向塊聯結區域實體單元進行觀察，如圖9所示。

圖9 兩種轉向塊對應應力分布圖

如圖9 所示，肋式轉向塊應力分布相對均勻，箱體梁底板與轉向塊聯結區域應力值波動范圍是8.5～11.3 MPa；塊式轉向塊應力分布在箱體梁底板與轉向塊聯結區域產生應力集中，應力值波動范圍是15.9～20.2 MPa，相對較大，易致使轉向塊拉脫出梁體。據此能夠分析出肋式轉向塊受力優于塊式轉向塊。

進一步分析肋式轉向塊，分析重點是轉向塊范圍內的第一主應力和垂向正應力，具體如圖10 和圖11 所示。根據圖10 能夠發現，轉向塊跟底板聯結區域產生局部應力集中，集中力極值是1.99 MPa；在體外預應力通道內壁上側局部范圍出現轉向塊主拉應力極值，極值是5.32 MPa。并且通道下部主要存在拉應力，拉應力取值區域是0.34～1.99 MPa。如圖11 所示，轉向通道上部和下部都有應力集中現象發生，垂向拉應力極值發生在通道內壁上部局部范圍，極值是6.58 MPa，通道下部主要受拉應力。

圖10 肋式轉向塊局部第一主應力

圖11 肋式轉向塊局部垂向正應力

如圖10 和圖11 所示，通道周圍應力分布狀況相對復雜，且在一定區域內有應力集中現象。結合上述情況可以得出，轉向通道周圍分布狀況相對復雜，且在一定區域內有應力集中的現象，轉向通道下部受拉，轉向通道上部相對不適合受力。為避免通道周圍混凝土發生局部開裂并避免轉向塊拉脫出梁體，可以在轉向孔周圍加設環向鋼筋，將其伸入箱梁內部，并通過箍筋連接箱梁腹板及轉向塊。

4 結 語

該研究從節段箱梁體外預應力方面開展了分析研究，重點內容包括：

（1）簡述了體外預應力體系的主要構造，并結合案例橋梁對體外預應力設計和施工加以說明。

（2）以案例橋梁為研究對象，計算并分析了體外預應力耗損情況。對比體內預應力體系損耗情況，主要對體外預應力引起的摩阻損耗、體外預應力收縮徐變損耗和接縫壓實耗損進行了分析，得出預應力損耗對施工產生的影響。

（3）通過ANSYS 有限元軟件，針對三個節段箱梁部位橋梁轉向塊建立有限元模型，并對轉向塊開展應力分析，得出結論：肋式轉向塊受力穩定性的優于中塊式轉向塊受力；進一步分析肋式轉向塊，針對轉向塊預應力通道部位配筋方案提出了設想和建議。