胡邦瑜，孫林，吳文杰

（重慶市市政設(shè)計研究院，重慶 400020）

0 引言

轉(zhuǎn)向塊是體外預應力橋梁中的一種特殊構(gòu)造，承擔著預應力索轉(zhuǎn)向的重要任務，能夠傳遞體外束的水平荷載和豎向荷載。隨著節(jié)段預制拼裝橋梁的應用愈來愈普遍，全體外預應力發(fā)展逐漸完善，結(jié)構(gòu)體系愈加多樣與復雜，現(xiàn)有相關(guān)設(shè)計規(guī)范有一定限制[1]。因此，全體外束節(jié)段預制結(jié)構(gòu)的受力性能以及轉(zhuǎn)向塊的局部受力特點值得繼續(xù)研究。王廷臣、閆新勇等[2]進行了體外預應力橋梁轉(zhuǎn)向塊力學性能試驗，得出適量配筋的轉(zhuǎn)向塊在使用時能夠充分發(fā)揮機能、在極限狀態(tài)下也有足夠的安全度等結(jié)論。殷新鋒、王成煜等[3]對一橫隔板式轉(zhuǎn)向塊進行仿真分析，揭示了轉(zhuǎn)向塊的應力傳遞路線和受力特性。黃民元等[4]研究了轉(zhuǎn)向塊對體外預應力筋偏心距二次效應的作用及轉(zhuǎn)向塊對體外預應力結(jié)構(gòu)承載能力的影響。林峰、吳文清[5]等通過空間有限元仿真模擬，得到了箱梁底板厚度與轉(zhuǎn)向肋的厚度是影響其應力狀態(tài)的主要因素的結(jié)論。盧春玲、李傳習等[6]對重慶某體外預應力箱梁橋轉(zhuǎn)向塊利用拉壓桿模型法進行配筋設(shè)計，給出了體外預應力箱梁橋轉(zhuǎn)向塊相應的配筋設(shè)計建議。閆云友，李華萍等[7]以巴拿馬大西洋橋西側(cè)箱梁內(nèi)轉(zhuǎn)向塊底部位置的混凝土出現(xiàn)嚴重開裂為案例，分析了轉(zhuǎn)向塊結(jié)構(gòu)開裂所產(chǎn)生的原因并介紹施工現(xiàn)場采取的解決措施。而對于組合式的轉(zhuǎn)向塊，幾何不規(guī)則，底塊和肋板尺寸、孔道轉(zhuǎn)角和半徑等因素都會對轉(zhuǎn)向塊的性能有所影響，為探究復雜異形結(jié)構(gòu)的受力情況和局部尺寸的影響，本文進行有限元模擬分析，揭示該類型轉(zhuǎn)向塊在節(jié)段預制結(jié)構(gòu)中的受力特性。

1 模型簡介

重慶華巖隧道西延伸段項目橋梁節(jié)段預制箱梁典型跨徑為30m，體外預應力體系中采用底部加強的肋式轉(zhuǎn)向塊，該型轉(zhuǎn)向塊能夠承受較大的預應力索分力，具有較好的受力保障，不足之處是增加了恒載重量。本文使用通用有限元軟件ANSYS對包含轉(zhuǎn)向塊及肋板的箱梁段結(jié)構(gòu)進行實體建模，結(jié)構(gòu)尺寸規(guī)格如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)向塊處梁段基本尺寸

箱梁轉(zhuǎn)向塊節(jié)段長為2.5m，其中對轉(zhuǎn)向塊底塊和預應力鋼套筒進行精細建模。肋板厚0.35m，下部底塊高0.4m，縱向長1m，孔道半徑101.5mm，鋼套筒孔道壁厚5mm，取箱梁的一半為建模對象。為貼近真實受力情況，在箱梁兩端施加固定約束，截面中軸邊界條件采用對稱約束。在ANSYS建模過程中采用solid45單元模擬梁段混凝土，彈性模量E=36GPa，泊松比u=0.2，鋼套筒彈性模量E=210GPa，泊松比取為u=0.28，不考慮結(jié)構(gòu)的重力，有限元模型如圖2所示。

圖2 梁段有限元模型

采用等效荷載的方法模擬體外預應力筋對轉(zhuǎn)向塊的受力作用，將此豎向力用均布面荷載等效替代，作用在體外預應力管道的上管道壁。由于預應力筋與管道的摩擦會造成一定程度的預應力損失，計算時考慮有效預應力折減系數(shù)取0.6，計算簡化為轉(zhuǎn)向塊兩側(cè)預應力和張拉力相同，由于 ANSYS面荷載功能只能施加垂直于孔道表面的壓力荷載，若加載面取孔道上半圓，簡單計算可得所需施加的豎向荷載為

式中：σp為鋼束張拉荷載1302MPa；θ為孔道轉(zhuǎn)角度數(shù)；u為有效預應力折減系數(shù)；n為鋼束根數(shù)，A為單筋面積140mm2，根據(jù)公式1計算出N1—N4孔道面上的豎向荷載如表1所示。

表1 孔道豎向荷載表

2 有限元計算分析

體外預應力鋼束穿過轉(zhuǎn)向塊孔道，使得上部肋板結(jié)構(gòu)形成一個豎向受壓結(jié)構(gòu)，而孔道下部則是受拉的，導致底塊區(qū)域內(nèi)受力集中，應力分布情況復雜[8]。根據(jù)計算結(jié)果，也可得出轉(zhuǎn)向塊的受力特點。本文提取兩橫向截面做分析與對比，距轉(zhuǎn)向塊中心0.46m處橫向截面和0.135m處橫向截面應力如圖3和圖4所示，從圖3中可以看出孔道口處拉應力最大為4.82MPa，該截面內(nèi)沒有肋板承擔豎向荷載，孔道口處出現(xiàn)明顯的應力集中；而在0.135m處截面內(nèi)，肋板的存在可以提高整體剛度，降低孔道周圍的應力峰值，使該截面的最大拉應力降至1.47MPa，同時在該截面右側(cè)兩拐角處出現(xiàn)應力較大情況，可設(shè)置倒角減少應力集中，在設(shè)計施工過程中需要注意。

圖3 距中心0.46m截面應力分布圖

圖4 距中心0.135m截面應力分布圖

為了能清楚地分析和觀察轉(zhuǎn)向塊細部情況，將鋼套筒和轉(zhuǎn)向塊兩者分離出來觀察，鋼筒應力云圖如圖5所示，在鋼筒最上方位置出現(xiàn)最大壓應力，鋼管套筒端部下方兩側(cè)出現(xiàn)最大拉應力6.708MPa，數(shù)值遠小于鋼材的屈服強度，表明結(jié)構(gòu)具有足夠的安全性。

圖5 鋼套筒第一主應力圖

轉(zhuǎn)向塊孔道周圍的主應力圖如圖6所示。轉(zhuǎn)向塊預留孔道上部混凝土以受壓為主，最大拉應力則出現(xiàn)在轉(zhuǎn)向塊外側(cè)預應力孔道壁側(cè)下方，孔道口局部出現(xiàn)應力集中，孔道中部的拉應力為0.925MPa，孔道口附近的拉應力為4.79MPa，因此孔道口是防止混凝土開裂的重要部位。由于豎向分力的作用，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了向上的彎曲變形，轉(zhuǎn)向塊有從被梁體底板拉脫的趨勢，在轉(zhuǎn)向塊底部也存在3.25MPa的拉應力。在轉(zhuǎn)向孔道周圍設(shè)置環(huán)向鋼筋，能夠控制混凝土裂縫寬度。

圖6 轉(zhuǎn)向塊第一主應力圖

3 下部轉(zhuǎn)向塊尺寸影響

本文通過改變轉(zhuǎn)向塊高度和縱向長度、肋板厚度和橫向尺寸、孔道半徑和轉(zhuǎn)角度數(shù)，建立不同的有限元模型，研究結(jié)構(gòu)尺寸對局部受力情況的影響，提取孔道口周圍縱向各位置點截面上的最大主應力值，為該截面的最不利分析情況，得到了各對比情況下的通道孔區(qū)域豎向正應力的變化趨勢。

圖7 底塊厚度變化下應力趨勢圖

研究轉(zhuǎn)向塊高度和縱向長度的影響，將轉(zhuǎn)向塊的高度分別增加10cm、20cm，得到主拉應力在轉(zhuǎn)向塊的高度變化情況下的變化趨勢，如圖7；同時，將轉(zhuǎn)向塊的縱向長度分別增加20cm、40cm，進行應力分析，得到主拉應力在轉(zhuǎn)向塊的縱向長度變化情況下的變化趨勢，如圖8。從圖7可以看出：隨著轉(zhuǎn)向塊的高度增加，孔道口的應力集中情況有下降趨勢，但對于孔道中部的受力情況影響不大；從圖8可以看出：隨著轉(zhuǎn)向塊的縱向長度增加，孔道下側(cè)的拉應力呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，這也與孔道受力面積增大而孔道壁應力減小有一定聯(lián)系。

圖8 底塊長度變化下應力趨勢圖

研究肋板的尺寸對轉(zhuǎn)向塊受力的影響，本文將肋板的厚度分別增加10cm、20cm，通過應力分析，得到主拉應力在肋板厚度變化情況下的變化趨勢，如圖9；同時，將肋板的橫向?qū)挾确謩e減少20cm、40cm，得到主拉應力在肋板橫向?qū)挾茸兓闆r下的變化趨勢，如圖10。從圖9可以看出：隨著肋板厚度的增加，預應力孔道下側(cè)的拉應力呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，但趨勢較不明顯。從圖10可以看出：肋板寬度的變化，對轉(zhuǎn)向塊的受力情況無明顯影響。

圖9 肋板厚度變化下應力趨勢圖

圖10 肋板橫向?qū)挾茸兓聭厔輬D

研究轉(zhuǎn)向孔道對轉(zhuǎn)向塊受力的影響，由于N4對轉(zhuǎn)向塊的作用應力影響相對較小，本文修改N1—N3孔道半徑和孔道轉(zhuǎn)角度數(shù)建立對比模型，孔道半徑分別增加10mm、減少10mm，得到主拉應力在孔道半徑變化情況下的變化趨勢，如圖11；同時，鋼束孔道轉(zhuǎn)角分別增加1°、減少1°，得到主拉應力在孔道轉(zhuǎn)角變化情況下的變化趨勢，如圖12。從圖11可以看出：孔道半徑值的增加，可以明顯減少孔道口的應力峰值，但對孔道中部位置的應力未出現(xiàn)減小效果，而半徑的減小卻增大了應力集中情況，因此根據(jù)體系所需的鋼束數(shù)量，選用合適的孔道半徑對控制孔道周圍拉應力有積極影響。從圖12可以看出：孔道口應力受孔道轉(zhuǎn)角的影響較為敏感，孔道轉(zhuǎn)角增大1°，孔道口拉應力增大0.8MPa，這是由于轉(zhuǎn)角增大使得預應力束的豎向分力增大，且應力變化明顯，因此在滿足體外預應轉(zhuǎn)向功能的同時，設(shè)置合理的孔道轉(zhuǎn)角度數(shù)，可以減小孔道口的應力峰值。

圖11 孔道半徑變化下應力趨勢圖

圖12 孔道轉(zhuǎn)角變化下應力趨勢圖

4 結(jié)語

本文通過對預制箱梁節(jié)段轉(zhuǎn)向塊的多參數(shù)應力分析和對比，得出如下結(jié)論：

1）肋式轉(zhuǎn)向塊增大底塊截面，可以有效地減少底部拉應力集中，增大結(jié)構(gòu)的承載能力，該型轉(zhuǎn)向塊縱向上中間應力較兩側(cè)小，受力危險區(qū)域在孔道口兩側(cè)下方位置，局部容易出現(xiàn)應力集中；

2）鋼套筒的最大拉應力為6.708MPa，遠未達到鋼材屈服強度，具有足夠的安全儲備；

3）文章研究轉(zhuǎn)向塊底塊和肋板尺寸、預應力孔道情況對局部的受力影響，得出肋板厚度和底塊縱向長度對孔道周圍受力影響較大，肋板寬度和轉(zhuǎn)向塊高度對提高轉(zhuǎn)向塊受力性能無明顯影響，選用合適的孔道半徑對控制孔道周圍應力有積極作用，同時在滿足轉(zhuǎn)向性能的要求下，設(shè)置合理的孔道轉(zhuǎn)角度數(shù)，可以減小孔道口的應力峰值。

責任編輯：劉艷萍

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重慶市住房城鄉(xiāng)建委舉辦綠色建筑與節(jié)能專項培訓

為加快推進城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域生態(tài)文明建設(shè)，著力實施生態(tài)優(yōu)先綠色發(fā)展行動計劃，提升區(qū)縣城鄉(xiāng)建設(shè)主管部門綠色建筑與節(jié)能管理水平和實施能力，宣貫適應工程建設(shè)項目審批制度改革要求的綠色建筑與節(jié)能管理措施，2018年11月15日，市住房城鄉(xiāng)建委組織舉辦了區(qū)縣城鄉(xiāng)建設(shè)主管部門管理人員綠色建筑與節(jié)能專項培訓，各區(qū)縣（自治縣）城鄉(xiāng)建委（建設(shè)局）綠色建筑與節(jié)能工作分管負責人及具體承辦部門負責人和工作人員近200人參加了培訓。

下一步，將督促指導各區(qū)縣城鄉(xiāng)建設(shè)主管部門抓好綠色建筑與節(jié)能專項培訓，認真組織宣貫適應工程建設(shè)項目審批制度改革的綠色建筑與節(jié)能管理措施，推動綠色建筑高質(zhì)量高水平發(fā)展。（選自：重慶市住房和城鄉(xiāng)建委官網(wǎng)）