劉 龑， 高 莉， 李 波， 王文劍

(1.中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司， 南京 210014； 2.江蘇省交通運(yùn)輸廳公路事業(yè)發(fā)展中心， 南京 210014； 3.江蘇省道橋管養(yǎng)技術(shù)與應(yīng)用工程研究中心， 南京 210014)

近年來(lái)，體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)被廣泛用于既有橋梁上部結(jié)構(gòu)的加固[1-3]。體外預(yù)應(yīng)力束的錨固結(jié)構(gòu)大多設(shè)置于中墩橫梁上，該處因橫梁的存在，錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，受力基本都能夠滿足結(jié)構(gòu)要求。除錨固系統(tǒng)外，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是主梁與預(yù)應(yīng)力受力結(jié)構(gòu)唯一有聯(lián)系的構(gòu)件，它不僅承擔(dān)著體外索的轉(zhuǎn)向功能，同時(shí)也是預(yù)應(yīng)力束效應(yīng)作用在主梁上最重要的傳導(dǎo)體[4-7]。由于常用的混凝土轉(zhuǎn)向器存在自重過(guò)大、連接方式不可靠等問(wèn)題，在工程中，設(shè)計(jì)人員往往選用自重小的鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向體系，如圖1所示。這種轉(zhuǎn)向體系通過(guò)錨栓與混凝土結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)可靠連接，傳力路徑清晰，由轉(zhuǎn)向器傳給承力板，再傳給錨板，最后由錨栓傳遞至混凝土箱梁結(jié)構(gòu)。因此，錨栓的受力特性對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)向體系有至關(guān)重要的作用。

(a) 塊式轉(zhuǎn)向體系

(b) 橫隔板式轉(zhuǎn)向體系

目前關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向體系的研究較少，本文結(jié)合實(shí)體工程建立了基于粘結(jié)-滑移理論的鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向體系有限元模型，對(duì)其受力及變形特性進(jìn)行分析，供在實(shí)際工程中的應(yīng)用參考。

1 模型建立

以蘇州某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁體外預(yù)應(yīng)力加固工程為依托，將提出的塊式、橫隔板式2種鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向體系應(yīng)用于該工程，現(xiàn)場(chǎng)施工照片如圖2所示。為充分了解2種鋼構(gòu)專項(xiàng)體系的受力特性，采用Abaqus/CAE有限元分析軟件分別建立了塊式和橫隔板式鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向體系的三維有限元模型，如圖3所示。模型的具體參數(shù)如下：

1) 轉(zhuǎn)向器為厚10 mm、直徑150 mm的鋼管，選用Q420鋼材。

2) 其余鋼構(gòu)件(N1～N5鋼板)均采用厚16 mm鋼板，選用Q420鋼材。

3) 模型中所有鋼材選用理想彈塑性本構(gòu)模型。

4) 所有結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元。

5) 為偏安全考慮，忽略結(jié)構(gòu)膠的粘結(jié)作用，僅考慮后錨固錨栓的作用，并通過(guò)在每個(gè)錨栓位置設(shè)置邊界條件來(lái)仿真。為了模擬錨栓的非線性特征[8-10]，該邊界條件處采用非線性彈簧spring[11-12]進(jìn)行模擬，P-Δ曲線采用張弦[13]的實(shí)測(cè)結(jié)果，如圖4所示。

6) 其他邊界條件：混凝土節(jié)段處設(shè)置固結(jié)；為保證計(jì)算收斂性，設(shè)置一個(gè)參考點(diǎn)與轉(zhuǎn)向鋼管內(nèi)側(cè)進(jìn)行剛接，在此參考點(diǎn)設(shè)置強(qiáng)迫位移模擬鋼束轉(zhuǎn)向作用，對(duì)于塊式體系，施加30 mm強(qiáng)迫位移，對(duì)于橫隔板式轉(zhuǎn)向施加1 mm強(qiáng)迫位移。

圖2 鋼轉(zhuǎn)向體系在實(shí)橋中的應(yīng)用

(a) 塊式轉(zhuǎn)向體系

(b) 橫隔板式轉(zhuǎn)向體系

(a) 拉拔

(b) 剪切

模型中，2種轉(zhuǎn)向體系錨栓布置與依托工程中的實(shí)際布置一致，分別如圖5、圖6所示。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 變形分析

在向轉(zhuǎn)向體系施加轉(zhuǎn)向位移過(guò)程中，加載點(diǎn)的P-Δ曲線計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

(a) 腹板鋼板

(b) 頂板鋼板

(a) 腹板鋼板

(b) 頂板鋼板

(c) 腹板與底板過(guò)渡段鋼板

(d) 底板鋼板

由圖7可知：

作為一家以質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)為主要業(yè)務(wù)的企業(yè)，凌云真正視質(zhì)量為企業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的基石。正如姚毅所言，只有把品質(zhì)、質(zhì)量看作生命的企業(yè)，才能更好地服務(wù)于質(zhì)量檢測(cè)市場(chǎng)。對(duì)于這一點(diǎn)，凌云不僅做到了，而且還將做得更好。

1) 塊式轉(zhuǎn)向體系整個(gè)結(jié)構(gòu)在受到1 134 kN轉(zhuǎn)向力時(shí)，相對(duì)位移進(jìn)入拐點(diǎn)，在轉(zhuǎn)向力達(dá)到3 561 kN時(shí)，整個(gè)轉(zhuǎn)向體系達(dá)到最大承載能力，進(jìn)入下降的破壞階段。由于塊式轉(zhuǎn)向體系在承受轉(zhuǎn)向力荷載時(shí)完全依靠錨栓的拉拔力及抗剪性能將荷載傳遞至箱梁結(jié)構(gòu)，其P-Δ曲線呈顯著先升后降特點(diǎn)，說(shuō)明整個(gè)受力體系有著較好的塑形變形能力，但位移量較大，結(jié)構(gòu)剛度一般。

(a) 塊式轉(zhuǎn)向體系

(b) 橫隔板式轉(zhuǎn)向體系

2) 橫隔板式轉(zhuǎn)向體系在承受轉(zhuǎn)向力時(shí)，在鋼板進(jìn)入屈服前，P-Δ曲線顯示出完全的線性特性，最終破壞形態(tài)為鋼板屈曲，結(jié)果表明橫隔板式轉(zhuǎn)向體系結(jié)構(gòu)剛度較大。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向體系應(yīng)力響應(yīng)分析

由于錨栓與混凝土的連接需要更為細(xì)觀的模擬，在此不作討論，本節(jié)主要分析鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。

以每個(gè)轉(zhuǎn)向器含19束7Φ15.2高強(qiáng)度低松弛鋼絞線這一典型設(shè)計(jì)情況進(jìn)行分析，其張拉應(yīng)力σcon=0.6fptk=0.6×1 860=1 116 MPa。轉(zhuǎn)向角度設(shè)定為20°，單根鋼束的轉(zhuǎn)向力為1 015.3 kN。鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向體系在量值轉(zhuǎn)向力工況下的應(yīng)力云圖如圖8所示。

由圖8可知：

1) 在典型轉(zhuǎn)向力作用工況下，塊式轉(zhuǎn)向體系中錨板、轉(zhuǎn)向管、肋板Mises應(yīng)力最大值分別為140.2 MPa、98.6 MPa、84.8 MPa，說(shuō)明錨板在塊式轉(zhuǎn)向體系中受力最大，是該體系的薄弱環(huán)節(jié)。錨板應(yīng)力沿縱向應(yīng)力峰值位置是隔板與錨板的焊接處，應(yīng)加強(qiáng)此處局部構(gòu)造。

2) 在典型轉(zhuǎn)向力作用工況下，橫隔板式轉(zhuǎn)向體系中錨板、轉(zhuǎn)向管、肋板Mises應(yīng)力最大值分別為108.8 MPa、147 MPa、209.5 MPa，說(shuō)明肋板是橫隔板式轉(zhuǎn)向體系的首要受力構(gòu)造，是該體系的薄弱環(huán)節(jié)， 肋板應(yīng)局部加厚。

(a) 塊式體系錨板Mises應(yīng)力云圖

(b) 橫隔板式體系錨板應(yīng)力云圖

2.3 錨栓內(nèi)力分析

錨栓通過(guò)彈簧模擬，由彈簧單元計(jì)算內(nèi)力結(jié)果可知：

1) 塊式體系在典型轉(zhuǎn)向力作用下，頂面錨栓受拉最大內(nèi)力為25.3 kN，腹板錨栓受剪最大內(nèi)力為7.9 kN，抗拉錨栓由于其在P-Δ彈性變形階段剛度較大，因此受力顯著大于受剪錨栓。若在彈簧模型中不考慮非線性特征，頂面受拉錨栓最大內(nèi)力為17.5 kN，腹板受剪錨栓最大內(nèi)力為13.6 kN，基于簡(jiǎn)單模型的計(jì)算，采用M12錨栓即能滿足受力要求，而根據(jù)粘結(jié)-滑移彈塑性理論的計(jì)算結(jié)果，應(yīng)采用M16錨栓進(jìn)行連接。

常規(guī)M16自切底錨栓抗拉和抗剪承載能力推薦設(shè)計(jì)值分別為50.0 kN和49.6 kN，抗拉錨栓安全系數(shù)為1.98，抗剪錨栓安全系數(shù)為6.27。

2) 橫隔板式體系在典型轉(zhuǎn)向力作用下，所有錨栓最大內(nèi)力均小于10 kN、位移均小于0.5 mm，因此其處于彈性工作狀態(tài)，安全系數(shù)高。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向體系進(jìn)行了有限元分析，主要認(rèn)識(shí)如下：

1) 塊式轉(zhuǎn)向體系在承受轉(zhuǎn)向力荷載時(shí)，P-Δ曲線呈顯著先升后降特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)存在明顯的屈服階段，剛度一般；而橫隔板式轉(zhuǎn)向體系P-Δ曲線顯示出完全的線性特性，結(jié)構(gòu)剛度較大。

2) 在典型轉(zhuǎn)向力作用下，塊式體系錨板應(yīng)力最大且錨板應(yīng)力峰值位于隔板與錨板的焊接處，應(yīng)加強(qiáng)局部構(gòu)造；橫隔板式轉(zhuǎn)向體系肋板應(yīng)力最大，鋼板厚度應(yīng)局部加強(qiáng)。

3) 在典型轉(zhuǎn)向力作用下，塊式轉(zhuǎn)向體系錨栓受力較大，最大可達(dá)25 kN，安全系數(shù)較低，建議采用高強(qiáng)度錨栓進(jìn)行連接；橫隔板式轉(zhuǎn)向體系所有錨栓最大內(nèi)力均小于10 kN，安全系數(shù)高。