基于粘結-滑移理論的鋼結構轉向體系受力特性研究

劉 龑， 高 莉， 李 波， 王文劍

(1.中設設計集團股份有限公司， 南京 210014； 2.江蘇省交通運輸廳公路事業(yè)發(fā)展中心， 南京 210014； 3.江蘇省道橋管養(yǎng)技術與應用工程研究中心， 南京 210014)

近年來，體外預應力技術被廣泛用于既有橋梁上部結構的加固[1-3]。體外預應力束的錨固結構大多設置于中墩橫梁上，該處因橫梁的存在，錨固結構設計較為簡單，受力基本都能夠滿足結構要求。除錨固系統(tǒng)外，轉向系統(tǒng)是主梁與預應力受力結構唯一有聯(lián)系的構件，它不僅承擔著體外索的轉向功能，同時也是預應力束效應作用在主梁上最重要的傳導體[4-7]。由于常用的混凝土轉向器存在自重過大、連接方式不可靠等問題，在工程中，設計人員往往選用自重小的鋼結構轉向體系，如圖1所示。這種轉向體系通過錨栓與混凝土結構能實現(xiàn)可靠連接，傳力路徑清晰，由轉向器傳給承力板，再傳給錨板，最后由錨栓傳遞至混凝土箱梁結構。因此，錨栓的受力特性對整個轉向體系有至關重要的作用。

(a) 塊式轉向體系

(b) 橫隔板式轉向體系

目前關于鋼結構轉向體系的研究較少，本文結合實體工程建立了基于粘結-滑移理論的鋼結構轉向體系有限元模型，對其受力及變形特性進行分析，供在實際工程中的應用參考。

1 模型建立

以蘇州某預應力混凝土連續(xù)箱梁體外預應力加固工程為依托，將提出的塊式、橫隔板式2種鋼結構轉向體系應用于該工程，現(xiàn)場施工照片如圖2所示。為充分了解2種鋼構專項體系的受力特性，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構轉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) 轉向器為厚10 mm、直徑150 mm的鋼管，選用Q420鋼材。

2) 其余鋼構件(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模型。

4) 所有結構均采用實體單元。

5) 為偏安全考慮，忽略結構膠的粘結作用，僅考慮后錨固錨栓的作用，并通過在每個錨栓位置設置邊界條件來仿真。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]進行模擬，P-Δ曲線采用張弦[13]的實測結果，如圖4所示。

6) 其他邊界條件：混凝土節(jié)段處設置固結；為保證計算收斂性，設置一個參考點與轉向鋼管內側進行剛接，在此參考點設置強迫位移模擬鋼束轉向作用，對于塊式體系，施加30 mm強迫位移，對于橫隔板式轉向施加1 mm強迫位移。

圖2 鋼轉向體系在實橋中的應用

(a) 塊式轉向體系

(b) 橫隔板式轉向體系

(a) 拉拔

(b) 剪切

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

2 計算結果分析

2.1 變形分析

在向轉向體系施加轉向位移過程中，加載點的P-Δ曲線計算結果如圖7所示。

(a) 腹板鋼板

(b) 頂板鋼板

(a) 腹板鋼板

(b) 頂板鋼板

(c) 腹板與底板過渡段鋼板

(d) 底板鋼板

由圖7可知：

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1) 塊式轉向體系整個結構在受到1 134 kN轉向力時，相對位移進入拐點，在轉向力達到3 561 kN時，整個轉向體系達到最大承載能力，進入下降的破壞階段。由于塊式轉向體系在承受轉向力荷載時完全依靠錨栓的拉拔力及抗剪性能將荷載傳遞至箱梁結構，其P-Δ曲線呈顯著先升后降特點，說明整個受力體系有著較好的塑形變形能力，但位移量較大，結構剛度一般。

(a) 塊式轉向體系

(b) 橫隔板式轉向體系

2) 橫隔板式轉向體系在承受轉向力時，在鋼板進入屈服前，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，結果表明橫隔板式轉向體系結構剛度較大。

2.2 鋼結構轉向體系應力響應分析

由于錨栓與混凝土的連接需要更為細觀的模擬，在此不作討論，本節(jié)主要分析鋼結構的應力計算結果。

以每個轉向器含19束7Φ15.2高強度低松弛鋼絞線這一典型設計情況進行分析，其張拉應力σcon=0.6fptk=0.6×1 860=1 116 MPa。轉向角度設定為20°，單根鋼束的轉向力為1 015.3 kN。鋼結構轉向體系在量值轉向力工況下的應力云圖如圖8所示。

由圖8可知：

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

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

(a) 塊式體系錨板Mises應力云圖

(b) 橫隔板式體系錨板應力云圖

2.3 錨栓內力分析

錨栓通過彈簧模擬，由彈簧單元計算內力結果可知：

1) 塊式體系在典型轉向力作用下，頂面錨栓受拉最大內力為25.3 kN，腹板錨栓受剪最大內力為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力為17.5 kN，腹板受剪錨栓最大內力為13.6 kN，基于簡單模型的計算，采用M12錨栓即能滿足受力要求，而根據(jù)粘結-滑移彈塑性理論的計算結果，應采用M16錨栓進行連接。

常規(guī)M16自切底錨栓抗拉和抗剪承載能力推薦設計值分別為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向力作用下，所有錨栓最大內力均小于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 結束語

本文對鋼結構轉向體系進行了有限元分析，主要認識如下：

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

2) 在典型轉向力作用下，塊式體系錨板應力最大且錨板應力峰值位于隔板與錨板的焊接處，應加強局部構造；橫隔板式轉向體系肋板應力最大，鋼板厚度應局部加強。

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