體外預應力加固錨固塊及轉向塊受力分析

楊建兵 馮守金 楊 黎

（山東省濱州公路工程有限公司，山東 濱州 256600）

0 引言

河南S235 線塢羅大橋位于鞏義市境內西村鎮S235線與塢羅水庫交匯處，跨越塢羅水庫。該橋建于1993年，橋梁起止樁號為K93+815.450～K94+122.530，中心樁號為K93+969.000，跨徑布置為6×50m，橋梁全長307.50m，橋面布置為：0.5m 護欄+14m 行車道+0.5m 護欄=15.0m。上部結構采用50m 預應力混凝土簡支T 梁，橋面連續。翼緣板預制寬度2.47m，梁間距2.506m，翼板干接縫寬度0.036m，下緣馬蹄自跨中漸變至梁端寬度0.50～0.72m，腹板自跨中漸變至梁端寬度0.18～0.40m，梁高度2.60m。橫橋向由6 片T 梁組成，下部結構采用柱式墩臺，鉆孔灌注樁基礎。該橋設計荷載為：汽-超20，掛車-120。2019 年檢測發現，該橋上部結構T 梁腹板跨中位置處存在斜向裂縫，部分裂縫已延伸至馬蹄部位，經分析判段，主要由于該橋T 梁抗彎承載能力不足導致，屬于結構受力裂縫。為保證該橋結構安全，需要對該橋上部結構T 梁采取加固措施。

對病害成因進行分析后，決定采用體外預應力鋼絞線加固措施，而錨固塊及轉向塊是該加固方法的核心構件。在預應力張拉過程中，這兩個構件的受力十分復雜。工程上出于質量和安全考慮，必須對其進行受力分析。

1 病害成因分析

通過對結構進行驗算分析，T 梁跨中腹板出現斜向裂縫且裂縫已延伸至馬蹄部位主要是由于主梁的抗彎承載能力不足導致，另外根據T 梁梁體本身結構的受力特點，截面面積較小，抗扭能力較弱。在超重車輛長期的軸載作用下，彎扭作用共同引起的應力值超過了混凝土的容許值，從而引起了跨中腹板的斜向裂縫，隨著腹板的開裂，應力重新分配，導致已出現的裂縫繼續發展至馬蹄部位。另外，在該橋2013 年加固后，橋面鋪裝層加厚導致橫載加大，橋面由雙向2 車道變為雙向4 車道，邊梁的車輛荷載橫向分布系數由之前的0.599 增大至0.698，中梁的車輛荷載橫向分布系數由之前的0.503 增大為0.510。同時根據計算結果，2013年加固后中梁、邊梁的跨中截面抗力值均小于荷載效應值，不能滿足相關規范的要求。

2 維修加固目標及方法

針對該橋實際狀況，首先保證維修處治機理明確、施工方便、經濟合理；其次提高主要承重構件的承載能力（包括安全儲備），抑制裂縫擴展，適度提高橋梁安全儲備。

通過召開專家評審會，專家建議首先對橋梁原設計狀態和現狀承重能力進行驗算。針對50m 長T 梁因承載能力不足而出現的跨中馬蹄底部受力裂縫病害，采取主動加固措施進行加固，以提高50m 長T 梁的抗彎和抗剪承載能力，改善梁體的應力狀況。根據橋梁現狀、承載能力驗算結果以及病害的嚴重程度，經過方案比選，推薦采用體外預應力鋼絞線對T 梁進行加固。具體方案為腹板兩側各設置1 束體外預應力鋼束，鋼束采用環氧涂覆無粘結鋼絞線成品索，每束為6 根15.2mm 鋼絞線，錨下控制張拉應力=930MPa。體外預應力鋼絞線材料參數見表1。

表1 體外預應力鋼絞線材料參數

3 錨固塊有限元仿真受力分析

3.1 錨固塊應力及變形計算

該橋的錨固塊為鋼錨固塊，錨固塊鋼板和鋼管均采用Q345C 鋼材，采用實體有限元分析軟件MIDAS FEA3.60 對鋼錨固塊的受力進行計算分析。由于錨固塊沿橋梁跨中對稱布置，同時錨固塊內部鋼結構對稱分布，錨固塊主要承受體外預應力鋼絞線的拉力，本次計算采用四面體實體單元建立計算模型，模型及荷載加載方式如圖1、圖2 所示。

圖1 錨固塊計算模型

圖2 錨固塊荷載加載示意

錨固塊均為鋼結構，因此需要利用等效應力屈服準則判定其應力是否滿足要求，在考慮最大張拉控制應力930MPa 下的最大等效應力（Von mises 應力）及最大位移進行計算分析，計算結果如圖3、圖4 所示。

圖3 錨固塊等效應力云圖

圖4 錨固塊變形云圖

計算結果表明，錨固塊的最大應力和最大位移分別為95.1MPa 和0.084mm，最大應力出現在傳力鋼板和錨墊板相接處。該橋錨固塊的最大應力均小于Q345C 鋼材的屈服強度355MPa，錨固塊的強度滿足設計要求，結構均處于彈性狀態。

3.2 錨固區局部應力計算

采用實體有限元分析軟件MIDAS FEA3.60 對T梁錨固區進行計算分析，選取第1 道橫隔板與第3 道橫隔板之間梁體，建立有限元實體模型，在錨固區梁體腹板表面加載體外預應力鋼絞線的剪切應力，邊界條件為梁端固接，模型及荷載的加載方式如圖5 所示。

圖5 T 梁局部錨固區計算模型及荷載加載示意

在考慮最大張拉控制應力930MPa 下，T 梁腹板剪切荷載根據應力面積等效加載值為0.248MPa，加載范圍為加強鋼板N10 表面（2600mm×1200mm），計算局部T梁的主拉應力結果如圖6 所示。

圖6 T 梁局部錨固區 主拉應力云圖

空間計算模型結果表明，T 梁局部錨固區的最大主拉應力為1.84MPa。50m 長T 梁縱向單梁加固后的計算模型中，對應錨固區域最大應力為0.64MPa，如圖7 所示。

圖7 縱向模型T 梁錨固區主拉應力云圖

因此，在考慮體外預應力對T 梁局部腹板錨固區域影響下，可按照應力疊加原理，綜合主拉應力為1.84+0.64=2.48MPa＜2.70MPa，局部應力滿足設計要求，結構處于安全狀態。

3.3 錨固塊抗剪承載力計算

新增錨固塊采用對穿8.8 級普通M20 錨栓，共32 個，錨栓布置如圖8 所示，錨固塊主要承受體外預應力鋼絞線的拉力。本次考慮50%錨栓參與受力，并考慮粘鋼膠共同受力下，對錨固塊進行抗剪承載力計算。

圖8 錨固件基座鋼板錨栓平面布置圖

（1）根據《鋼結構設計規范》（GB 50017-2003）中第7.2.1 條，普通錨栓的抗剪承載力設計值按下式計算：

（2）根據《公路橋梁加固設計規范》（JTG/TJ22-2008）附錄A,錨固用結構膠的抗剪強度設計值為4.25MPa，粘鋼膠的抗剪承載力設計值如下：

錨固件受力小于錨栓及粘鋼膠的抗剪承載力，滿足要求，其中承載力提供情況為：錨栓占比為27%，粘鋼膠占比73%。

4 轉向塊有限元仿真受力分析

該橋轉向塊采用鋼結構，鋼板采用Q345C 鋼材，厚度為8mm，采用實體有限元分析軟件MIDAS FEA3.60對鋼轉向塊進行計算分析。轉向塊沿橋梁跨中對稱布置，同時內部鋼結構對稱，轉向塊主要承受體外預應力鋼絞線的徑向力和水平力，本次計算選取一側鋼結構轉向塊，采用四面體實體單元建立計算模型，模型及荷載加載方式分別如圖9、圖10 所示。

圖9 轉向塊計算模型

圖10 轉向塊荷載加載示意

4.1 轉向塊應力及變形計算

體外預應力在鋼絞線轉向塊彎起角度為5.3°，模型采取簡化計算的思路，忽略內部轉向器及環氧砂漿，荷載施加在N5 鋼板內表面，豎向力、水平分力及摩阻力計算如下：

考慮體外預應力鋼絞線張拉過程中，體外索回縮情況下，轉向塊最大水平向合力為=0.073+0.03=0.13MPa

將轉向塊水平向合力及豎向力施加在N5 鋼板與環氧砂漿的交界面處，并考慮鋼結構的自重，利用等效應力屈服準則，判定其應力是否滿足要求，對考慮最大張拉控制應力930MPa 下的最大等效應力（Xon mises 應力）及最大位移進行計算分析，計算結果如圖11、圖12 所示。

圖11 轉向塊等效應力云圖

圖12 轉向塊變形云圖

計算結果表明，錨固塊的最大應力和最大豎向位移分別為30.4MPa 和0.051mm，最大應力出現在N5鋼板與N1 鋼板相接處。該橋轉向塊最大應力均小于Q345C 鋼材的屈服強度355MPa，轉向塊的強度滿足規范要求，結構均處于彈性狀態。

因轉向塊承受的最大水平向力傳遞到梁體的馬蹄側面應力為：0.1×140×700/700×750=0.01MPa，水平力較小，對梁體影響較小；同時豎向力對于跨中區域受力梁體有利，轉向塊處馬蹄進行了增大截面處理，本次不再驗算轉向塊處梁體的局部應力。

4.2 轉向塊抗剪承載力計算

新增轉向塊采用對穿8.8 級普通M20 錨栓，共4個，錨栓布置較少，本次計算中不考慮錨栓參與受力，僅考慮馬蹄底面及側面粘鋼膠參與受力，豎向計算中，保守考慮不計入兜底鋼板的作用，分別計算在預應力豎向分力及水平分力作用下，轉向塊的抗剪承載力。根據《公路橋梁加固設計規范》（JTG/T J22-2008）附錄A，錨固用結構膠的抗剪強度設計值為4.25MPa，粘鋼膠的抗剪承載力設計值如下：

（1）錨固件水平向受力=0.1×140×700×2/1000=19.6 kN＜（500+250×2）×700×4.25/1000=2975kN。

（2）錨固件豎向受力=0.73×140×700×2/1000=143.1kN＜（250×2）×700×4.25/1000=1487.5kN。錨固件受力小于粘鋼膠的抗剪承載力，滿足要求。

5 鋼結構疲勞驗算

參照《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64-2015）第5.5 節的規定，對錨固塊、轉向塊中主要受力鋼板和焊縫進行疲勞驗算。驗算中，疲勞荷載采用計算模型，并考慮多車道的影響，選取疲勞荷載橫向分布系數最大的邊梁作為梁體對象。錨固塊和轉向塊疲勞驗算的鋼板和焊縫選取及編號見圖13。錨固塊、轉向塊主要受力構件疲勞驗算結果如表1、表2 所示。

圖13 鋼板和焊縫編號

表1 錨固塊及轉向塊主要受力構件正應力幅驗算

表2 錨固塊及轉向塊主要受力構件剪應力幅驗算

從表1、表2 可見，錨固塊和轉向塊的主要受力構件在疲勞荷載作用下，其正應力幅和剪應力幅均小于疲勞強度，故錨固塊和轉向塊的抗疲勞性能滿足規范的要求。

6 結束語

針對預應力混凝土50m 長T 梁橋體外預應力鋼絞線加固錨固塊及轉向塊受力問題，通過采用數值模擬方式，對錨固塊、轉向塊的應力、變形、抗剪承載力及T 梁錨固區局部應力進行了計算，得出以下結論：

（1）錨固塊及轉向塊的最大應力和最大位移，均小于Q345C 鋼材的屈服強度，錨固塊及轉向塊的強度滿足設計要求，結構均處于彈性受力狀態。

（2）在考慮體外預應力鋼絞線對T 梁局部腹板錨固區域影響下，局部應力滿足設計要求，結構處于安全狀態。

（3）在考慮50%錨栓及粘鋼膠共同參與受力情況下，錨固塊的抗剪承載力滿足設計要求。

（4）錨固塊和轉向塊的主要受力構件在疲勞荷載作用下，其正應力幅和剪應力幅均小于疲勞強度，抗疲勞性能滿足規范的要求。