大型桥梁体外预应力受力机理研究

王聚厚 吕秀娟 姬同庚 许红

(1.河南东方建筑设计有限公司;2. 河南建筑职业技术学院;3.河南省桃花峪黄河大桥投资有限公司)

大型桥梁体外预应力受力机理研究

王聚厚1吕秀娟2姬同庚3许红2

(1.河南东方建筑设计有限公司;2. 河南建筑职业技术学院;3.河南省桃花峪黄河大桥投资有限公司)

本文用有限元方法分析了某大型桥梁体外预应力的受力机理，从而掌握了体外预应力夹片、钢绞线、螺旋筋、锚垫板和转向装置的受力状况，对今后类似工程的设计、施工有一定的指导意义。

桥梁;体外预应力;受力机理

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0 引言

近些年来，体外预应力施工技术在现代桥梁建设中得到了较为广泛的使用。体外预应力钢绞线束(亦称体外索)位于结构主体截面之外，主要由与主截面相连的锚固区与转换区来传递预应力。发展可调整、可检测、可更换的体外预应力体系，是体外预应力桥梁应用和发展的关键和基础[1]。作为预应力体系后张法施工中的的一个重要分支，体外预应力桥梁的设计理论和方法、关键部位构造及设计、施工技术等方面迄待更深入的研究[2][3]。

下面以某大型桥梁为例，分析桥梁的预应力损失、锚固单元的受力分析及荷载传递试验。

1 预应力钢绞线与孔道壁之间摩擦引起的应力损失σs1

应力损失σs1由两部分组成：一是由于弯曲垂重挤压造成的摩擦应力损失；二是管道制作和安装偏差造成的摩擦损失。如式(1)所示：

σs1=σk[1-e-(μθ+kx)][1,4]

(1)

其中：μ——预应力钢绞线与管道壁间的摩擦系数；K——每米管道制作和安装偏差的摩擦影响系数。

预应力钢绞线若是直线段，可忽略不计第一部分应力损失。即μ=0，式(1)成为:

σs1=σk(1-e-kx)[1]

(2)

钢绞线若是曲线形状，可忽略不计第二部分预应力损失。即k=0，式(1)成为：

σs1=σk(1-e-μθ)

(3)

从公式(1)(2)(3)可知，体外预应力钢绞线由于孔道间摩擦引起的应力损失σs1与σk是非线性关系。钢绞线和管道表面越光滑、摩擦损失越小。钢绞线制作安装的误差越小，摩擦损失越小。

表1 μ值的取值

由表1可知：单根无粘结钢绞线与管壁摩擦最小(第一部分预应力损失最小)，HDPE管道引起的摩擦损失介于光面钢绞线，钢管道和单根无粘结钢绞线之间。因此，在措施得当的前提下，可优先选用无粘结钢绞线。

图1 锚板和钢绞线

图2 锚固单元模型分析计算

图3 锚垫板及螺旋筋受力分析

2 锚固单元模型的有限元分析

用有限元理论，通过锚固单元模型分析计算夹片、锚板和钢绞线的受力状况和配合情况如图1所示。由分析结果可以看到：夹片与锚板交接处受力较大，个别区域出现较大拉应力。钢绞线与锚板交接四周受力相对均匀，从外到内拉应力逐步减弱，如图2所示。

3 锚垫板及螺旋筋的有限元分析

通过锚垫板及螺旋筋受力分析结果(图3)可以看到：

螺旋筋与锚垫板交接处受力较大，个别区域出现较大拉应力。螺旋筋受力上部较小，中间两根受力最大，下部两根受力逐渐变小。与之相对应的锚垫板在第二根、第三根、第四根螺旋筋处出现较大拉应力。

图4 转向装置计算结果

图5 转向装置试验

4 转向装置的有限元分析与试验

体外索(钢绞线束)转向装置是体外预应力结构体系中最重要且最关键的构造。因为它是除锚固结构外，在连续梁内唯一与砼有联系的构件，并能将索体转换方向。故有必要对转向装置进行有限元分析(图4)与试验验证(图5)。

转向装置根据索体穿过的方式主要分为散束式和集束式转向器两种。

该工程所采用的转向器，如图5所示，此转向器应能确保钢绞线互相平行、保证钢绞线受力均匀，减少和钢绞线间的摩擦，并能单根换索；并且可通过连接板将各导向管连成一体，同时做好防腐。可利用水泥灌浆的方法来分离单根体外索(钢绞线束)，水泥灌浆凝结后，即可以固定导向管，又可以承受张拉造成的钢绞线相互挤压。在水平和垂直方向，可任意改变导向管的外形来满足不同的转向需要。为减小施工造成的角度偏差，在每根导向管两端应设置一个内孔为喇叭形的误差补偿器。

计算表明：与转向器位置平行的每根钢绞线受力相对均匀，转向器接近中间部分受较大的压力，然后，逐渐分层递减变成拉力(图6)。转向装置试验和计算的结果基本一致。

5 小结

本文分析了某大型桥梁体外预应力受力机理，得出如下结论：

(1)体外预应力钢绞线由于孔道间摩擦引起的应力损失σs1与σk是非线性关系。钢绞线和管道表面越光滑、摩擦损失越小。钢绞线制作安装的误差越小，摩擦损失越小。单根无粘结钢绞线与管壁摩擦最小(第一部分预应力损失最小)，HDPE管道引起的摩擦损失介于光面钢绞线，钢管道和单根无粘结钢绞线之间。因此，在措施得当的前提下，可优先选用无粘结钢绞线。

(2)夹片、锚板和钢绞线的受力状况：夹片与锚板交接处受力较大，个别区域出现较大拉应力。钢绞线与锚板交接四周受力相对均匀，从外到内拉应力逐步减弱。

(3)螺旋筋与锚垫板受力状况：其交接处受力较大，个别区域出现较大拉应力。螺旋筋受力上部较小，中间两根受力最大，下部两根受力逐渐变小。与之相对应的锚垫板在第二根、第三根、第四根螺旋筋处出现较大拉应力。

(4)转向装置试验和计算的结果基本一致。与转向器位置平行的每根钢绞线受力相对均匀，转向器接近中间部分受较大的压力，然后，逐渐分层递减变成拉力。

[1]徐栋.桥梁体外预应力设计技术[M].人民交通出版社，2008,(10 ).

[2]孙宝俊，周国华.体外预应力结构技术及应用综述[J].东南大学学报2001.(1).

[3]张耀庭,邱继生,黄恒卫.体外预应力混凝土梁的研究现状综述[J].华中科技大学学报2002,(4 ).

[4]李国平.体外预应力混凝土桥梁设计计算方法[D].同济大学博士论文.2006.

王聚厚(1964.4- )，男，高级工程师，硕士研究生，一级注册结构工程师，现从事土木工程结构设计。

吕秀娟(1973.11- )，女，高级讲师，硕士研究生，现从事土木建筑工程施工教学。

姬同庚(1966.3- )，男，教授级高工，博士研究生，现从事交通运输工程道路工程施工管理。

许 红(1968.3- ),女，高级讲师，硕士研究生，现从事土木建筑工程施工教学。

Study on force mechanism of a large bridge in external prestressing stage

WANGJuhou1LVXiujuan2JITonggeng3XUHong2

(1.Henan Oriental Architectural Design Co., Ltd.;2.Henan Oriental Architectural Design Co., Ltd.;3.Henan's taohuayu Yellow River Bridge Investment Co. Ltd.)

This paper analyzes force mechanism of a large bridge during external prestressing stage in the finite element method，capture the force status of clips, strand, spiral ribs, the anchor plate and steering test.It would have good reference for similar projects in the stage of design and construction.

Bridge;External prestress;Force mechanism

2013年度河南省教育厅科学技术研究重点项目(项目编号：13B560969)

王聚厚(1964- )，男，高级工程师，一级注册结构工程师。

2015-10-16

U445

B

1004-6135(2015)12-0094-03