連續(xù)剛構(gòu)橋體外預應力體系研究及應用

謝茂宇

摘 要：近些年來，體外預應力體系在現(xiàn)代橋梁建設(shè)中取得快速發(fā)展。本文詳細介紹了體外預應力體系各個部分的基本組成及主要特性，其次詳細介紹了某多跨連續(xù)剛構(gòu)橋體外預應力體系的鋼制轉(zhuǎn)向裝置，并對其進行優(yōu)化設(shè)計，為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：體外預應力體系；連續(xù)剛構(gòu)橋；轉(zhuǎn)向裝置

中圖分類號：U445 文獻標識碼：A

隨著高強材料的迅速發(fā)展，體外預應力體系將是現(xiàn)代橋梁預應力施工中的主要趨勢之一。體外預應力結(jié)構(gòu)應用非常廣泛，既可用于新建預應力混凝土梁橋，又可用于既有橋梁的維修加固施工。本文首先詳細闡述了體外預應力體系及其組成部分的特性，其次詳細介紹了某多跨連續(xù)剛構(gòu)橋體外預應力體系的鋼制轉(zhuǎn)向裝置，并對其進行優(yōu)化設(shè)計。

1.體外預應力體系的基本組成

①索體。

②錨固系統(tǒng)。

③轉(zhuǎn)向裝置。

④防腐系統(tǒng)。

⑤減震裝置。

1.1 索體

①鋼絞線。

②管道。

③灌漿材料。

1.1.1 鋼絞線

現(xiàn)階段，體外預應力索體中常用環(huán)氧噴涂鋼絞線。

1.1.2 管道

體外預應力索體的管道常用HDPE套管、哈弗管、熱擠HDPE三種。管道通常用于體外預應力索體的整體防護以及防腐作用。

1.1.3 灌漿材料

體外預應力索體根據(jù)索體自由段是否灌漿，可分為灌漿型和無灌漿型兩種。灌漿型體外預應力索體常用灌漿材料為水泥漿、油脂及石蠟等。無灌漿型索體自由段內(nèi)均不需灌注填充料，其防腐主要靠鋼絞線自身的防腐性能保證，在橋梁運營過程中，可以隨時檢驗索體的使用情況。

1.2 錨固系統(tǒng)

①保護罩。

②工作夾片。

③工作錨板。

④錨墊板。

⑤螺旋筋。

⑥預埋管。

⑦密封裝置。

1.3 體外預應力索的轉(zhuǎn)向裝置

根據(jù)索體穿過的方式，主要分為散束式轉(zhuǎn)向器和集束式轉(zhuǎn)向器兩種。

1.3.1 散束式轉(zhuǎn)向器

散束式轉(zhuǎn)向器主要由導管、擋板、隔板、砂漿4部分組成。

1.3.2 集束式轉(zhuǎn)向器

集束式轉(zhuǎn)向器主要由無縫鋼管彎制而成。

1.3.3 彎曲應力計算

被彎曲的體外預應力索體因索體內(nèi)部有附加彎曲應力，其疲勞強度有所下降，因此在設(shè)計過程中，要對加上彎曲應力值的體外預應力鋼絞線進行應力校核，通常計算受拉鋼絞線的彎曲應力值較為困難，但假定鋼絲之間無摩擦力作用時，可按照下式求出彎曲應力值：

其中，Vm表示彎曲應力，d表示鋼絲直徑，E表示鋼絞線的彈性模量，R表示彎曲半徑。

2.體外預應力索的鋼質(zhì)轉(zhuǎn)向裝置

2.1 工程概況

某四跨連續(xù)剛構(gòu)橋跨徑組合為（60+2×100+60）m。上部結(jié)構(gòu)箱梁采用單箱單室截面，設(shè)縱向預應力和豎向預應力，頂板寬11m，底板寬6m，翼緣板懸臂長2.5m，支點截面梁高5m，跨中截面梁高2.2m，梁高及底板厚度按兩次拋物線變化；頂板厚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。下部結(jié)構(gòu)為雙薄壁空心墩，中墩為明挖擴大基礎(chǔ)，兩邊墩為嵌巖樁基礎(chǔ)。設(shè)計荷載：汽車-20級，掛車-100，人群3.5kN/m2。

上部結(jié)構(gòu)為（60+2×100+60）m四跨預應力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)，設(shè)縱向預應力和豎向預應力。主橋箱梁采用單箱單室截面，40號混凝土，箱梁頂板寬11m，底板寬6m，翼緣板懸臂長2.5m，支點截面梁高5m，跨中截面梁高2.2m，梁高及底板厚度按2次拋物線變化；頂板厚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。僅在支點設(shè)橫隔板。箱梁底板橫向保持水平，采用掛籃懸臂施工。

2.2 體外預應力體系應用

本橋共4跨，分兩個邊跨及兩個中跨。因主橋中跨出現(xiàn)較大程度的下?lián)?，且箱梁腹板出現(xiàn)大量斜向裂縫，裂縫寬度較寬，一定程度上削弱了主梁剛度。故針對主橋新增12束15Φs15.2mm的縱向體外預應力鋼束，預留6束15-15的預應力孔道，視后期運營過程中橋梁結(jié)構(gòu)狀況可再行增補縱向預應力體外鋼束。

主橋3、4跨布置的鋼束一端錨固在第3跨邊跨現(xiàn)澆段新增混凝土齒板處，另一端錨固于4號墩零號塊大樁號側(cè)新增齒板處，新增鋼束在第3跨由底板通過新增轉(zhuǎn)向塊上彎至3號墩墩頂上緣，新增鋼束在第4跨由頂板通過新增轉(zhuǎn)向塊下彎至跨中底板；主橋4、5跨布置的鋼束一端在3號墩0號塊邊跨側(cè)橫隔板處設(shè)置混凝土齒板，另一端錨固于5號墩零號塊大樁號側(cè)橫隔板處，新增鋼束在4、5跨由頂板通過新增轉(zhuǎn)向塊下彎至跨中底板；主橋5、6跨布置的鋼束一端錨固在第6跨邊跨現(xiàn)澆段新增混凝土齒板處，另一端錨固于4號墩零號塊小樁號側(cè)新增齒板處，新增鋼束在第6跨由底板通過新增轉(zhuǎn)向塊上彎至5號墩墩頂上緣，新增鋼束在第5跨由頂板通過新增轉(zhuǎn)向塊下彎至跨中底板。在3～5號墩橫隔板間左右邊腹板處增設(shè)鋼筋混凝土加勁肋板。預應力錨下張拉控制應力為0.55fpk=1023MPa，采用張拉力與引申量雙控，以引申量校核。

本橋在跨中附近采用輕型鋼制轉(zhuǎn)向塊，以減小其自重帶來的不利影響。其他位置轉(zhuǎn)向塊及齒板采用C50自流平混凝土澆筑。體外預應力鋼束采用環(huán)氧噴涂鋼絞線體外束，錨具、錨墊板、錨下螺旋箍筋均采用其配套產(chǎn)品，錨下張拉控制應力為1023MPa。同時在自由段設(shè)置減振裝置，避免索體產(chǎn)生較大的振動。在體外束中跨合攏段位置布置磁通量傳感器，以便施工過程和后期運營過程中對鋼束應力進行監(jiān)控和測量。

2.3 體外預應力索轉(zhuǎn)向裝置優(yōu)化設(shè)計

本橋的跨中位置處轉(zhuǎn)向塊為鋼制轉(zhuǎn)向塊，對其進行有限元分析，轉(zhuǎn)向塊劃分為7180個節(jié)點，20716個單元。轉(zhuǎn)向塊鋼板采用Q415NHC高強度鋼材，建立空間實體有限元模型如下：

轉(zhuǎn)向塊為鋼結(jié)構(gòu)，因此需利用等效應力屈服準則判定其應力是否滿足要求。分別對轉(zhuǎn)向塊F在最不利荷載下的最大等效應力（von-mises應力），最大位移進行計算分析，施加作用力包括鋼轉(zhuǎn)向塊自重，體外束徑向力分力和鋼轉(zhuǎn)向塊區(qū)段鋼束自重，計算結(jié)果如圖2和圖3所示。

計算結(jié)果表明，鋼制轉(zhuǎn)向塊在體外預應力鋼束徑向力作用下，鋼轉(zhuǎn)向塊的最大等效應力34.0MPa，位于肋板預應力孔道周圍。最大變形0.097mm，位于肋板頂緣。本橋各轉(zhuǎn)向塊鋼材等效應力水平較低，均遠小于Q415NHC的設(shè)計強度380MPa，且轉(zhuǎn)向塊結(jié)構(gòu)變形很小，說明轉(zhuǎn)向塊強度和剛度均滿足設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)處于彈性變形階段。

結(jié)語

目前體外預應力體系加固已廣泛應用于連續(xù)剛構(gòu)橋梁維修加固施工，采用此加固方式能夠有效抑制跨中長期下?lián)虾土后w開裂現(xiàn)象。本文結(jié)合某四跨連續(xù)剛構(gòu)橋的體外預應力加固體系維修加固方案，詳細介紹了體外預應力體系的組成部分及其特性，并對跨中位置鋼制轉(zhuǎn)向裝置進行優(yōu)化設(shè)計，為類似工程提供參考。

參考文獻

[1]伍波，楊家玉，石永燕，等.大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋的常見病害與設(shè)計對策[J].公路交通技術(shù)，2005（S1）：109-111.