连续刚构桥体外预应力体系研究及应用

谢茂宇

摘 要：近些年来，体外预应力体系在现代桥梁建设中取得快速发展。本文详细介绍了体外预应力体系各个部分的基本组成及主要特性，其次详细介绍了某多跨连续刚构桥体外预应力体系的钢制转向装置，并对其进行优化设计，为类似工程提供参考。

关键词：体外预应力体系；连续刚构桥；转向装置

中图分类号：U445 文献标识码：A

随着高强材料的迅速发展，体外预应力体系将是现代桥梁预应力施工中的主要趋势之一。体外预应力结构应用非常广泛，既可用于新建预应力混凝土梁桥，又可用于既有桥梁的维修加固施工。本文首先详细阐述了体外预应力体系及其组成部分的特性，其次详细介绍了某多跨连续刚构桥体外预应力体系的钢制转向装置，并对其进行优化设计。

1.体外预应力体系的基本组成

①索体。

②锚固系统。

③转向装置。

④防腐系统。

⑤减震装置。

1.1 索体

①钢绞线。

②管道。

③灌浆材料。

1.1.1 钢绞线

现阶段，体外预应力索体中常用环氧喷涂钢绞线。

1.1.2 管道

体外预应力索体的管道常用HDPE套管、哈弗管、热挤HDPE三种。管道通常用于体外预应力索体的整体防护以及防腐作用。

1.1.3 灌浆材料

体外预应力索体根据索体自由段是否灌浆，可分为灌浆型和无灌浆型两种。灌浆型体外预应力索体常用灌浆材料为水泥浆、油脂及石蜡等。无灌浆型索体自由段内均不需灌注填充料，其防腐主要靠钢绞线自身的防腐性能保证，在桥梁运营过程中，可以随时检验索体的使用情况。

1.2 锚固系统

①保护罩。

②工作夹片。

③工作锚板。

④锚垫板。

⑤螺旋筋。

⑥预埋管。

⑦密封装置。

1.3 体外预应力索的转向装置

根据索体穿过的方式，主要分为散束式转向器和集束式转向器两种。

1.3.1 散束式转向器

散束式转向器主要由导管、挡板、隔板、砂浆4部分组成。

1.3.2 集束式转向器

集束式转向器主要由无缝钢管弯制而成。

1.3.3 弯曲应力计算

被弯曲的体外预应力索体因索体内部有附加弯曲应力，其疲劳强度有所下降，因此在设计过程中，要对加上弯曲应力值的体外预应力钢绞线进行应力校核，通常计算受拉钢绞线的弯曲应力值较为困难，但假定钢丝之间无摩擦力作用时，可按照下式求出弯曲应力值：

其中，Vm表示弯曲应力，d表示钢丝直径，E表示钢绞线的弹性模量，R表示弯曲半径。

2.体外预应力索的钢质转向装置

2.1 工程概况

某四跨连续刚构桥跨径组合为（60+2×100+60）m。上部结构箱梁采用单箱单室截面，设纵向预应力和竖向预应力，顶板宽11m，底板宽6m，翼缘板悬臂长2.5m，支点截面梁高5m，跨中截面梁高2.2m，梁高及底板厚度按两次抛物线变化；顶板厚20cm，底板厚由跨中22cm增至根部50cm，腹板厚30cm，在根部梁段由30cm增至50cm。下部结构为双薄壁空心墩，中墩为明挖扩大基础，两边墩为嵌岩桩基础。设计荷载：汽车-20级，挂车-100，人群3.5kN/m2。

上部结构为（60+2×100+60）m四跨预应力混凝土变截面连续刚构，设纵向预应力和竖向预应力。主桥箱梁采用单箱单室截面，40号混凝土，箱梁顶板宽11m，底板宽6m，翼缘板悬臂长2.5m，支点截面梁高5m，跨中截面梁高2.2m，梁高及底板厚度按2次抛物线变化；顶板厚20cm，底板厚由跨中22cm增至根部50cm，腹板厚30cm，在根部梁段由30cm增至50cm。仅在支点设横隔板。箱梁底板横向保持水平，采用挂篮悬臂施工。

2.2 体外预应力体系应用

本桥共4跨，分两个边跨及两个中跨。因主桥中跨出现较大程度的下挠，且箱梁腹板出现大量斜向裂缝，裂缝宽度较宽，一定程度上削弱了主梁刚度。故针对主桥新增12束15Φs15.2mm的纵向体外预应力钢束，预留6束15-15的预应力孔道，视后期运营过程中桥梁结构状况可再行增补纵向预应力体外钢束。

主桥3、4跨布置的钢束一端锚固在第3跨边跨现浇段新增混凝土齿板处，另一端锚固于4号墩零号块大桩号侧新增齿板处，新增钢束在第3跨由底板通过新增转向块上弯至3号墩墩顶上缘，新增钢束在第4跨由顶板通过新增转向块下弯至跨中底板；主桥4、5跨布置的钢束一端在3号墩0号块边跨侧横隔板处设置混凝土齿板，另一端锚固于5号墩零号块大桩号侧横隔板处，新增钢束在4、5跨由顶板通过新增转向块下弯至跨中底板；主桥5、6跨布置的钢束一端锚固在第6跨边跨现浇段新增混凝土齿板处，另一端锚固于4号墩零号块小桩号侧新增齿板处，新增钢束在第6跨由底板通过新增转向块上弯至5号墩墩顶上缘，新增钢束在第5跨由顶板通过新增转向块下弯至跨中底板。在3～5号墩横隔板间左右边腹板处增设钢筋混凝土加劲肋板。预应力锚下张拉控制应力为0.55fpk=1023MPa，采用张拉力与引申量双控，以引申量校核。

本桥在跨中附近采用轻型钢制转向块，以减小其自重带来的不利影响。其他位置转向块及齿板采用C50自流平混凝土浇筑。体外预应力钢束采用环氧喷涂钢绞线体外束，锚具、锚垫板、锚下螺旋箍筋均采用其配套产品，锚下张拉控制应力为1023MPa。同时在自由段设置减振装置，避免索体产生较大的振动。在体外束中跨合拢段位置布置磁通量传感器，以便施工过程和后期运营过程中对钢束应力进行监控和测量。

2.3 体外预应力索转向装置优化设计

本桥的跨中位置处转向块为钢制转向块，对其进行有限元分析，转向块划分为7180个节点，20716个单元。转向块钢板采用Q415NHC高强度钢材，建立空间实体有限元模型如下：

转向块为钢结构，因此需利用等效应力屈服准则判定其应力是否满足要求。分别对转向块F在最不利荷载下的最大等效应力（von-mises应力），最大位移进行计算分析，施加作用力包括钢转向块自重，体外束径向力分力和钢转向块区段钢束自重，计算结果如图2和图3所示。

计算结果表明，钢制转向块在体外预应力钢束径向力作用下，钢转向块的最大等效应力34.0MPa，位于肋板预应力孔道周围。最大变形0.097mm，位于肋板顶缘。本桥各转向块钢材等效应力水平较低，均远小于Q415NHC的设计强度380MPa，且转向块结构变形很小，说明转向块强度和刚度均满足设计要求，结构处于弹性变形阶段。

结语

目前体外预应力体系加固已广泛应用于连续刚构桥梁维修加固施工，采用此加固方式能够有效抑制跨中长期下挠和梁体开裂现象。本文结合某四跨连续刚构桥的体外预应力加固体系维修加固方案，详细介绍了体外预应力体系的组成部分及其特性，并对跨中位置钢制转向装置进行优化设计，为类似工程提供参考。

参考文献

[1]伍波，杨家玉，石永燕，等.大跨徑连续刚构桥的常见病害与设计对策[J].公路交通技术，2005（S1）：109-111.