连续箱梁桥体外预应力转向块力学性能仿真分析

罗桂军 唐寄强 罗曜波 何威特 李满意 姜天华 黄亚北

(1.中建五局土木工程有限公司 长沙 410004； 2.武汉科技大学城市建设学院 武汉 430065)

当前使用的大跨度预应力混凝土连续梁桥绝大多数属于体内预应力体系，在实际运营过程中由于预应力筋压力损失过大，常出现跨中裂缝、挠度随时间加大等病害，且难以维护加固[1]。相比而言，体外预应力结构具有能够有效降低截面尺寸、便于维护和更换预应力索、减轻自重、二次张拉体外束主动控制跨中挠度等优点，故在桥梁维修加固中应用较多。

但体外预应力钢束与混凝土连接部分较少，体外预应力钢束的使用效率低，限制了其应用范围。在混合配束的预应力梁中,当体内有黏结力筋的配筋率适当时,极限荷载下可以显著地改善梁裂缝的分布,使裂缝的分布分散、均匀,从而使受弯区域裂缝的总宽度增加,相应的体外束的应变增加,使体外束可以达到更高的极限应力,体外预应力梁的延性及极限强度也有所提高。在跨度较大时，所需体内预应力筋较多，势必会导致箱梁截面过大，此时可适当选用体外预应力进行补强[2]。将体内、体外预应力结构形式结合起来形成体内、体外混合配束的结构形式能发挥二者优势，既能有效地降低预应力束的增多给截面带来的不利影响，又能克服单纯体外预应力束在极限状态下存在延性较低而导致的潜在风险。

转向块是调节体外预应力桥梁中预应力筋转向的一种关键构造，由于此构造与预应力筋连接部位较少，故应力集中，受力十分复杂，直接影响到桥梁的安全和稳定。因此，对体外预应力作用下转向块的力学特性进行分析研究，揭示其受力特点、应力分布规律并采取相应构造措施是十分必要的[3]。本文拟以科特迪瓦阿比让Banco湾主桥为工程背景,通过建立转向块节段实体有限元模型，仿真分析其力学性能，研究横隔板式转向块设计方案。

1 工程概况

Banco湾主桥是科特迪瓦阿比让跨越Banco瀉湖的一座高架桥，全长80 207.5 m，跨径布置为54 m+7×90 m+68 m+40.5 m，其桥型布置见图1。

图1 Banco湾高架桥桥型布置图(单位：cm)

桥梁上部为预应力混凝土变截面连续箱梁，箱梁桥面总宽1 665 cm，箱梁整体旋转使桥面形成2.5%的横坡。箱梁中支点处梁高570 cm，跨中及边支点处梁高280 cm。箱梁悬臂折线变厚过程为28-28-70 cm，悬臂长352 cm。梁高为2.80～5.70 m，主梁采用单箱单室结构，主梁的预应力体系为体内、体外混合配束。桥墩为花瓶式空心薄壁墩,壁厚取值范围为65～80 cm,桥墩基础为套管式钻孔灌注桩。预应力混凝土箱梁为B40 混凝土。

2 体外预应力转向块的构造形式

转向块一般可依据材料和构造形式来进行分类。根据材料可分为钢筋混凝土结构和钢结构2种形式，其中钢筋混凝土结构形式在实际工程中最为常见。根据构造形式，转向块可大致分为3类：①横隔板式；②肋式；③块式，转向块构造形式见图2。

图2 转向块构造形式

横隔板式和肋式转向块均属承压型，其强度较高，且由于其结构与顶、底板连接，可以充分利用共同连接强度，并且能够共同抵抗预应力筋的反作用力，因此具有较大的承载能力。缺点在于其空间体积较大，模板构造较为复杂且增加了自重。

块式转向块属于受拉型，具有构造简单、自重轻的优点。缺点是未与顶、底板充分连接，连接强度不够，且在发生开裂后无约束作用，不能像横隔板式和肋式转向块一样形成受压支柱共同抵抗破坏，因而其承载能力较小[4]。

当体外索较多，产生的转向力较大时，还需要进一步完善转向块的构造形式，优化转向块受力状态。Banco湾主桥采用结构下部局部加厚的横隔板式转向块。该转向块高257.2 cm, 上部高度为76.3 cm的部分厚50 cm，下部高度为178.9 cm部分加厚至100 cm，加厚的高度覆盖最下层转向孔道，其构造示意见图3。

图3 横隔板式转向块(单位：cm)

3 体外预应力转向块仿真分析

3.1 有限元模型建立

根据圣维南原理，取3.5 m×3长的连续梁段为研究对象，布置图3所示转向块于中间梁段内，利用通用有限元程序ANSYS建立数值模型，见图4。

图4 有限元实体模型

转向块节段混泥土采用8节点六面体单元Solid45单元模拟，共建立86 772个单元，130 253个节点；预应力筋选用8节点六面体单元Solid185 单元模拟，共有节点4 693个，单元3 960个，每个节点具有3个自由度，单元具有超弹性、应力刚化、蠕变大变形、大应变能力的优点，能够准确地模拟预应力筋与孔道的接触处问题[5]。

在转向块结构中，由于预应力孔道区域受力复杂，为保证计算精度，在网格划分时对此区域的单元划分得更精密[6]实体模型。为便于计算，模拟将梁段两端视为固结状态。网格划分模型见图5。

图5 网格划分模型

转向块孔道中预应力筋和孔道接触区域采用空间弧形的形式，此种接触形式的特点在于没有固定的切平面来处理，且预应力钢束属于高弹模柔性材料，因此难以直接用几何方法进行描述求解。为计算方便，本文简化为二维接触问题进行分析[7]。

预应力钢材采用抗拉强度标准值为1 860 MPa 的M15A高强低松弛钢绞线。倒角半径8 m，孔道半径147 mm，根据应力分解计算竖向分力荷载得孔道半壁面荷载为17.7 MPa。具体加载方式见图6。

图6 预应力筋孔道加载方式

3.2 有限元模型分析

转向块在工作过程中主要承受体外预应力筋的竖向分力作用，并在竖向应力作用下产生变形。有限元软件计算的变形结果见图7。

图7 竖向分力作用下变形图(单位：m)

由图7可见，在预应力作用下，整个梁段均发生了向上的变形，其中最大变形值为3.7 mm，产生在转向块处，最小值处于梁段为0，且整个变形趋势为从转向块处向梁端处渐渐减小。

转向块在工作过程中主要承受体外预应力筋的竖向分力作用，该竖向荷载作用下的应力云图见图8。

图8 竖向分力作用下应力云图(单位：Pa)

由图8可见，在竖向分力作用下，转向块截面上缘压应力最大为1.82 MPa，下缘拉应力最大为2.15 MPa，整个梁段主要承受压应力，压应力值均不高于1.9 MPa。

在预应力筋的竖向分力作用下，转向块预留孔附近产生复杂的应力，其竖向应力和第一主应力云图见图9、图10。

图9 预应力筋孔道竖向应力云图(单位：Pa)

图10 预应力筋孔道第一主应力云图(单位：Pa)

由图9、图10可见，在预应力筋的竖向分力作用下，转向块预留孔下部主要受拉，最大拉应力出现在孔道下部，整个梁段的竖向拉应力为0.25～1.51 MPa。在预应力筋的竖向分力作用下，孔道上部主要受压，最大压应力大小为1.37 MPa，刚好产生在孔道正上缘。

根据以上分析可知，转向块与底板相交的地方应力分布最为集中。在预应力筋的竖向分力作用下，孔道上部受压，且最大值出现在孔道正上缘；孔道下部受拉，但拉应力较小；该横隔板式转向块的受力和变形均能够满足要求，转向块设计合理，安全稳定。

4 结论

1) 在纵向上，转向块主要承受预应力筋的竖向分力作用，作用后整个结构均发生了向上的变形，其中转向块处的变形值最大，且从转向块处向梁端变形值呈逐渐减小的趋势。整个梁段主要承受压应力，压应力较小且分布较为均匀。

2) 在预应力筋的竖向分力作用下，孔道的应力分布呈现为上部受压、下部受拉，其中孔道上缘处的压应力值最大，最大拉应力产生在孔道下缘。

3) 局部加厚转向块能在减少材料消耗的情况下，满足大桥可靠、安全和稳定的设计需求。上部50 cm、下部100 cm厚的转向块横隔板受力性能优异，推荐在该桥中使用。