胡峰強，馮傳騰，陳凰琴

(1.南昌大學工程建設學院，江西 南昌 330031；2.南昌鐵路勘測設計院有限責任公司，江西 南昌 330026)

預應力技術按照澆筑混凝土構(gòu)件和張拉預應力鋼筋的先后順序不同，可分為先張法[1-2]和后張法[3-4]。與后張法相比，先張法雖然需要配備大型張拉臺座，但卻省去了預留管道、穿束、灌漿、封錨等工序，克服了后張法預應力混凝土梁孔道壓漿不實的缺點，使預應力筋與混凝土能更好、更有效黏結(jié)，從而避免了灌漿不密實而導致的鋼絞線銹蝕的質(zhì)量通病，提高了橋梁的抗裂性和耐久性[5]。為了充分發(fā)揮兩種張拉工藝的優(yōu)點，揚長避短，工程師們研發(fā)出一種新的預應力筋張拉技術——折線先張法[6-10]。折線先張法的特點是預先在張拉臺座上安置彎起器[11-12]，通過彎起器將梁底的部分鋼絞線向上彎折改變方向形成折線形，預應力筋張拉后在臺座端部錨固，之后澆筑混凝土，待其達到規(guī)定強度后釋放鋼絞線，松開彎起器下部與臺座的連接(彎起器上部需留在混凝土梁內(nèi)，但下部可重復使用)，即形成折線先張法預應力混凝土構(gòu)件[13]。在折線配筋先張法預應力混凝土梁中，彎起器是折線配筋先張法預應力筋張拉和放張施工以及有效預應力得以實現(xiàn)的一個關鍵構(gòu)件，對曲線預應力筋有起彎、導向、定位、成形等作用[11]。黃文雄等[11]應用有限元分析軟件建立了考慮彎起器作用的折線配筋先張梁非線性有限元分析模型，分析了考慮彎起器作用時先張梁折點部位局部應力分布狀態(tài)，與不考慮彎起器影響的應力分布狀態(tài)進行對比后認為：彎起器在一定程度上對先張梁預應力筋折點部位局部應力分布狀態(tài)和局部最大應力都有改善作用。王新宇[14]結(jié)合淮河橋工程采用的拉板式彎起器，對鋼絞線彎折抗拉強度及摩擦損失進行了試驗研究，結(jié)果表明：彎折受拉鋼絞線的斷裂點幾乎都在彎折點附近，較之于直線形受拉鋼絞線，有彎折角度鋼絞線的極限抗拉強度全部有所降低，且極限抗拉強度降低程度與彎折角度成正比；鋼絞線穿過彎起器所產(chǎn)生的摩擦損失與鋼絞線的彎起角度和其張拉控制應力的大小有關。封博文[15]進行了BULB-T梁預制過程中的預應力摩擦損失試驗，并實測了放張后BULB-T梁反拱及端部主應力，對適用于拉板式彎起器彎折鋼束時預應力摩擦損失的計算方法進行了驗證，提出了合理的預應力放張順序。以上這些研究主要集中在拉板式彎起器作用、摩擦損失等方面，對于鋼絞線與彎起器導向板導向孔擠壓接觸面積卻無相關研究或參考數(shù)據(jù)，針對這個問題，為了研究折線先張法施工中拉板式彎起器的受力特點以及彎起器導向孔與鋼絞線接觸范圍變化對彎起器的受力影響。筆者通過分析折線張拉時鋼絞線在彎起器處的受力狀況，根據(jù)合力等效原則推導了彎起器導向孔受不同接觸范圍外荷載時外荷載與均布荷載換算公式，從而對彎起器導向孔施加不同情況的荷載，并采用大型通用有限元軟件對接觸范圍進行參數(shù)化分析與研究。

1 工程背景

某橋上部結(jié)構(gòu)采用35 m跨先張法先簡支后連續(xù)的折線配筋預應力混凝土連續(xù)T梁，其中采用了拉板式彎起器，如圖1所示，它由焊接于拉板的導向板、下端帶銷孔的鋼制拉板以及其兩側(cè)的加強板組成。彎起器導向板長×寬×厚為330 mm×90 mm×20 mm，導向板上設有12個Φ25 mm分絲導向孔；豎向分為6排，每排間距50 mm；水平向分為2列，每列兩孔中心間距50 mm；導向板四角皆設有15 mm×15 mm的倒角。彎起器拉板長×寬×厚為510 mm×180 mm×16 mm，板正中間沿豎向開一個長×寬×厚為310 mm×20 mm×16 mm的槽口，槽邊雙面開5×45°坡口。為了讓導向板可以縱向轉(zhuǎn)動，在拉板下部設有Φ50 mm的銷孔，加強板厚8 mm。張拉預應力時，鋼絞線穿過導向板上的圓孔并進行張拉，用鋼銷插入拉板銷孔將彎起器錨固在張拉臺座上，張拉結(jié)束后通過固定孔將彎起器固定。

(a) 拉板式彎起器安裝位置示意圖

2 鋼絞線在彎起器處的受力分析

2.1 預應力荷載計算

為了研究鋼絞線與彎起器導向板圓孔的接觸面積對彎起器受力特點的影響，根據(jù)合力等效原則對彎起器導向板施加不同情況下的荷載。折線張拉時鋼絞線在彎起器處的受力狀況如圖2所示，圖中：σ1為張拉端有效預應力，其值為1 395 MPa；σ2為錨固端有效預應力。

圖2 彎起處鋼絞線受力狀態(tài)圖

根據(jù)王新宇[14]的彎起器鋼絞線摩擦損失的試驗研究結(jié)論可知，折線先張預應力梁預應力損失的主要組成部分是彎起器處鋼絞線的彎折摩擦損失σl2,而引起彎折摩擦損失的原因是鋼絞線在彎起器處向上彎折張拉時將受到彎起器孔壁向下的擠壓力F=σ1sinα×πd2/4，其中，α的取值由工程圖紙計算可得。代入數(shù)據(jù)，F(xiàn)=32.07 kN(↓)。根據(jù)牛頓第三定律，則彎起器每個導向孔受到的力為F=32.07 kN(↑)。

2.2 接觸范圍及等效受力分析

由折線先張T梁彎起器設計圖紙可知，鋼絞線公稱直徑Φ為 15.2 mm，則其接觸情況如圖3所示。

圖3 折線先張法T梁彎起器導向孔與鋼絞線的接觸示意圖

為了研究預應力鋼絞線與彎起器各個導向孔不同接觸范圍對彎起器受力的影響，創(chuàng)建接觸范圍α=0°，30°，60°，90°，120°(如圖4所示)分別進行分析計算。

θ1,θ2分別為圓孔水平直徑平面與徑向截面始終點的夾角。當θ1≠θ2時，將張拉時鋼絞線產(chǎn)生的作用力以面荷載的形式作用于彎起器導向板的圓孔上。假設可以取一段單位長度的圓孔并對其進行分析(如圖5所示)，設彎起器導向板的厚度為圓孔的深度l=20 mm，圓孔直徑D=25 mm，根據(jù)合力等效原則，可得：

圖5 彎起器導向板圓孔受力分析圖

(1)

式中：p為導向板圓孔所受均布力；σθ為圓孔θ角處徑向截面上正應力。

當θ1=θ2，即α=0°時，將鋼絞線等效為集中荷載形式作用于彎起器導向板的孔壁上。則施加在每個作用點上的力p=F/n,其中：F為鋼絞線在彎起器處張拉時受到的擠壓力，n為作用點的個數(shù)。

將不同接觸范圍的角度代入式(1)，經(jīng)計算所得結(jié)果整理如表1所示內(nèi)容。表1中未說明的α=0°(工況1)時，施加在每個作用點上的力為6.41 kN。

表1 等效荷載計算結(jié)果

3 拉板式彎起器的有限元模擬及結(jié)果分析

3.1 有限元模型建立

為分析彎起器導向板局部應力分布與鋼絞線和導向板圓孔接觸范圍之間的聯(lián)系及變化規(guī)律，選取α=30°(工況2)、α=60°(工況3)、α=90°(工況4)、α=120°(工況5)為面荷載施加范圍，以及α=0°(工況1)對彎起器導向板圓孔施加線集中荷載情況，分別建立所述各個荷載工況的有限元模型，且由于彎起器在預應力張拉階段受力最大，故針對彎起器在該階段受力情況進行有限元分析。彎起器材料為Q345鋼材，模型選用solid45單元模擬鋼材，賦予其彈性模量E=2.06×105MPa、泊松比μ=0.3、質(zhì)量密度ρ=7.85×103kg·m-3等材料屬性?？傮w坐標系以彎起器的導向板底邊一角點為坐標原點，導向板厚、長、寬方向為X，Y，Z軸，創(chuàng)建彎起器導向板、拉板和兩塊加強板模型。鋼絞線所施加的荷載以外荷載的形式作用于彎起器上,并在拉板下部的圓銷孔上施加自由度約束。創(chuàng)建的拉板式彎起器有限元模型如圖6所示。

圖6 拉板式彎起器有限元模型

3.2 有限元結(jié)果分析

3.2.1 接觸范圍為30°有限元結(jié)果分析

當θ1≠θ2時，接觸范圍為30°(工況2)的p=247.84 N·mm-2為面荷載最大的情況，對該情況進行分析。圖7給出了該情況下彎起器Mises等效應力圖?？芍?/p>

圖7 Mises等效應力圖

(1)彎起器拉板與導向板主要受到拉應力作用，在彎起器導向板底部與拉板槽口的交接處出現(xiàn)最大拉應力(290 MPa)，小于20 mm厚Q345鋼板的極限抗拉強度(295 MPa)，且影響區(qū)域較小。

(2)拉板上應力較大區(qū)域主要集中在拉板槽口底部與兩個固定孔之間的三角形范圍，應力分布以導向板底部與拉板槽口的交接處為中心向四周擴散，呈遞減趨勢，逐步擴散至拉板四端角。

(3)導向板上最大拉應力(288 MPa)出現(xiàn)在其底部與拉板槽口的交接焊縫處,以此處為中心向四周呈減小趨勢擴散；導向板上較大拉應力還分布在最底部導向孔荷載施加區(qū)域內(nèi)側(cè)，且6排導向孔所受應力較大的區(qū)域均出現(xiàn)在荷載施加區(qū)域內(nèi)側(cè)及圓孔內(nèi)該區(qū)域的對側(cè)，同時從底層至頂層呈遞減趨勢。這是因為導向板所受合力從頂部至底部逐漸增大，故而最大拉應力出現(xiàn)在導向板底部與拉板槽口的交接焊縫處，且導向孔所受應力從底層至頂層呈遞減趨勢。

3.2.2 不同接觸范圍計算結(jié)果分析與比較

由不同α對應的Mises應力圖可得，當在彎起器導向板上施加不同范圍面荷載時其應力分布同α=30°基本一致。為了得到彎起器導向板豎向應力數(shù)值變化情況，取一條導向板與拉板交接處(導向板豎向?qū)ΨQ中心)自底部(Y=0)至頂部(Y=0.33 m)豎向路徑線。為直觀表達變化趨勢，將彎起器導向板上特征點應力σ及其分布隨所施加的不同范圍荷載變化趨勢繪成應力沿Y坐標變化圖，如圖8所示。

Y/mm

可知：受一確切接觸范圍荷載時，導向板與拉板交接處自底部至頂部，應力變化雖有波動但整體呈逐漸減小趨勢，由于在拉板頂端與導向板交接處截面發(fā)生突變故而有較明顯折點；當α=0°，即對導向板圓孔節(jié)點施加集中荷載時，有較為明顯的折點；隨著α(接觸范圍)的不斷變化，彎起器導向板豎向?qū)ΨQ中心上特征點應力大小及其分布規(guī)律大致相同，無明顯變化，這是因為導向孔開孔尺寸相對于整個導向板而言較小且合理，其分布位置均勻且合理，沒有出現(xiàn)由于圓孔間距過小而導致的擠壓或沖壓破壞。

4 結(jié)論

本文研究了折線先張法施工中拉板式彎起器的受力特點以及彎起器導向孔與鋼絞線接觸范圍變化對彎起器的受力影響，得出：

(1)根據(jù)合力等效原則，推導了彎起器導向孔受不同接觸范圍的外荷載時外荷載與均布荷載換算公式，揭示了彎起器導向孔所受外力與均布力之間的換算關系。

(2)拉板式彎起器工作時的最大拉應力出現(xiàn)在導向板底部與拉板槽口的交接處，當鋼絞線與導向孔接觸范圍為30°時，該最大拉應力為290 MPa，且導向孔內(nèi)壁附近局部出現(xiàn)較大拉應力，此兩處易出現(xiàn)應力集中的現(xiàn)象，應注意交接處焊縫質(zhì)量以及導向板圓孔加工精度。

(3)隨著鋼絞線與彎起器導向孔接觸范圍的不斷變化，彎起器導向板上應力分布規(guī)律大致相同，僅在導向孔內(nèi)壁局部區(qū)域會有較明顯差異。