体外预应力加固中转向块计算方法的探究

体外预应力加固中转向块计算方法的探究体外预应力加固中转向块计算方法的探究 近年来我国的桥梁建设取得了举世瞩目的伟大成就 修建了诸如上海卢浦 大桥 苏通长江公路大桥 杭州湾跨海大桥 金塘大桥等一批著名的桥梁 得 到了国际社会的一致认可 梁式桥 拱桥 斜拉桥 悬索桥的跨径在不断的增 加 造型也越来越优美 但是 在桥梁建成以后很多问题也接踵而来 桥梁事 故也是屡见不鲜 因此 桥梁检测与养护显得越来越重要 对于新桥要进行检 测 对于旧桥老桥或是不满足规范要求的桥梁要进行加固 加固理论在一定程 度上得到了快速的发展 其中应用最为广泛的就是体外预应力加固技术 所以 对体外预应力加固技术有一个深刻的理解就显得十分必要 一 一 问题的提出问题的提出 1 1 体外预应力加固技术体外预应力加固技术 随着桥梁加固技术的完善 体外预应力加固技术得到了重新的发展 体外 预应力就是把预应力索放在梁的主体结构之外 只通过两端的锚固以及梁中的 转向装置与梁体相连 是一种主动的加固方法 体外预应力加固技术作为结构 加固最有效的手段之一 目前正广泛地应用于旧桥加固方面 体外预应力体系是后张预应力体系的重要的分支之一 是一种使用完全位于 构件主体截面以外的预应力束来对构件施加预应力的结构体系 体外预应力具 有以下优点 1 简化预应力筋曲线 预应力筋仅在锚固处和转向处与结构相连 减小摩 阻损失 提高预应力使用效率 2 预应力布置灵活 根据桥梁病害可以全桥加固也可以进行局部加固 3 锚固构件尺寸小 自重增加少 可有效的大幅提高结构承载能力 4 与原结构无粘结 应力变化值小 对结构受力有利 5 体外索可调可换 便于使用期间进行维护 正是具有了以上优点 这项技术被广泛的运用在桥梁加固中 因此 针对 体外预应力加固技术中的关键问题 转向块的承载能力进行分析就显得十分 必要 2 2 转向装置转向装置 转向装置是体外预应力混凝土结构中的关键构造之一 箱内的体外索转向 装置简称转向块或转向肋 参见图 1 根据其受力要求选择如下 1 块式转向构造 图 1 a 简称转向块 用于转向钢束较少的情况 或用于两个转向构造之间的钢束定位 以减小钢束的振动及其引起的二次效应 转向块通常用混凝土或钢板制作 2 底横肋式转向构造 图 1 b 简称横向转向肋 用于横桥向转向较 大的情况 或用于两个转向构造之间的钢束定位 3 带竖肋块式转向构造 图 1 c 简称为竖向转向肋 用于体外索竖 向转向力较大的情况 4 竖横肋式转向构造 图 1 d 简称转向横隔板 用于体外索竖 横 向力均比较大的情况 图 1 1 转向构造示意图 转向块的功能是传递体外束产生的水平和垂直横向力 体外束通过折角点 产生集中荷载 这个荷载应能通过转向块安全地传递至混凝土结构 为此 对 于转向块的受力情况和构造细节必须给予足够的注意 根据 公路桥梁加固设 计规范 JTG T J22 2008 中可知 转向块的承载力是根据哈尔滨工业大学的最 新实验研究得出的偏心拉压计算理论来计算的 这与早先的拉压杆模型计算方 法有了一定程度的提高 究竟这两种方法有什么不同 偏心拉压计算理论为什 么是偏于安全的 为此 通过查询资料 将它们进行对比研究 以期获得新的 收获 二 二 问题的分析问题的分析 针对转向块承载能力的计算方法 目前桥梁界比较流行的有拉压杆模型计 算方法和偏心拉压计算方法 以下将就这两种方法进行分析和比较 找出更适 合桥梁设计要求 保证安全的一种方法 1 1 拉压杆模型计算方法拉压杆模型计算方法 1 1 拉压杆模型法的设计原理和思路拉压杆模型法的设计原理和思路 拉压杆模型被认为是混凝土构件受扰区域 应变分布复杂的那部分区域 设 计的一种基本方法 钢筋混凝上结构在出现大量裂缝后 作用在结构上的荷载 将主要由混凝土条带和钢筋来承受 这就形成了荷载在结构内部传递机理 钢 筋混凝土构件被理想化为一种由混凝土压杆和钢筋拉杆组成的类似析架的结构 这些拉杆和压杆象征混凝土构件中实际荷载的传力机制和支撑情况 拉压杆模 型方法的设计思想是直接依据有限元程序分析得到的结构内部应力分布图及应 力曲线图 或荷载传力路径 分析出整个结构内部的 力流 将同一方向上主 要承受压应力的混凝土区域用压杆模拟 同一力一向匕主要承受拉应力的区域 用拉杆模拟 拉压杆交汇区以节点模拟 从而建立一个替代原结构的拉压杆模 型 然后根据作用在模型上的内外力平衡条件求出模型内杆件的内力 再依据 拉压杆模型法的具体设计准则进行压杆与节点区的混凝土应力安全验算 并对 拉杆进行配筋设计 最后 按一定要求进行结构整体配筋 这利 方法可以适 用于混凝土结构的任何部分 包括集中力作用的部分 弯折部分 牛腿 开口 等不连续的部分以及其它复杂区域 1 2 拉压杆模型计算方法拉压杆模型计算方法 体外预应力钢筋 束 的转向块可采用拉杆 压杆模型计算参见图 1 2 钢筋的抗拉承载力计算应满足下列要求 0dsds Nf A 式中 结构重要性系数 取为 1 1 0 体外索在转向块上的竖向分力 即斜筋 束 的张拉控制力的竖向 d N 分力 其荷载分项安全系数不应小于 1 8 内环筋或锚固钢筋的抗拉强度设计值 取 公路钢预桥规 3 2 3 sd f 条规定的 0 8 倍 内环筋 锚固钢筋或植入钢筋的截面面积 s A 图 1 2 转向块的拉杆 压杆或锚固钢筋的计算模型 转向块开裂面抗剪承载力应符合下列规定 0d sdsvd Vf AN 式中 横向剪切力的组合设计值 d V 摩阻系数 整体浇筑混凝土剪切面取 1 4 新 旧混凝土剪切面取 1 2 穿过剪切面或锚固钢筋的抗拉强度设计值 取 公路钢预桥规 sd f 3 2 3 条规定的 0 8 倍 穿过剪切面的钢筋截面面积 sv A 2 2 偏心拉压计算方法偏心拉压计算方法 体外预应力钢筋转向装置和锚固体系设计研究 根据有限元分析及实验 结果 认为达到极限荷载时混凝土块式转向装置受到的拔出力 体外预应力束 对转向装置合力的竖向分力 由环向钢筋承担 水平剪力 体外预应力束对转 向装置合力的水平分力 由混凝土和环向钢筋共同承担 并给出基于偏心拉压 杆模型的转向装置承载力计算方法 2 1 转向装置的荷载效应设计值转向装置的荷载效应设计值 已有研究结果认为体外预应力束在可变荷载作用下的应力增量通常不超过 有效预应力的 10 为简化计算 确定转向装置的荷载效应设计值时 可不考 虑可变荷载应力增量的影响 只计入有效预拉力 Np 的作用 但将荷载分项系数 由 1 2 调整为 1 3 作用于转向装置的水平力和竖向力设计值由此确定为 2 d 1 31 2coscoscos Hp NN d 1 3sin Vp NN 式中 转向装置的水平荷载设计值 既体外预应力束张拉时对转向装置 dH N 的合力在水平方向的分力设计值 转向装置的轴向荷载设计值 既体外预应力束张拉时对转向装置 dV N 的合力在竖直方向的分力设计值 体外预应力束的有效预加力 p N 体外预应力束的竖向转角 体外预应力束的水平转角 图 1 3 混凝土块式转向装置抗剪极限承载力验算截面 2 2 混凝土块式转向装置的承载力计算混凝土块式转向装置的承载力计算 混凝土块式转向装置应计算转向装置与混凝土板连接截面 图 3 截面 的 抗剪承载力和抗拉承载力 1 抗剪承载力计算 混凝土块式转向装置处于剪拉复合受力状态 考虑混凝土的开裂影响 在 计算时可不考虑混凝土抗剪作用 全部剪力由钢筋承担 转向装置的剪切承载 力可按下式计算 0dHs NV 式中 重要性系数 由于转向装置在体外预应力结构中起着至关重要的作 0 用 建议转向装置计算时一律取 1 1 0 环向钢筋的抗剪承载力 s V 由于混凝土块式转向装置内环向钢筋处于剪拉组合作用下 其承载能力有 所降低 可近似按照下列公式计算 s V sVsdS VfA 式中 由剪拉组合作用引起的钢筋抗剪承载力降低系数 根据第四强度理 V 论有 2 dd 1 3 VVH NN 环向钢筋的抗拉强度设计值 sd f A A 截面上环向钢筋截面面积之和 S A 2 抗拉承载力计算 计算抗拉承载力时 可忽略预应力钢束平弯的影响 参照 公路钢筋混凝 土及预应力混凝土桥涵设计规范 JTG D62 2004 第 5 4 2 条 给出的偏心受 拉构件抗拉承载力计算方法进行计算 0Vd0 spsdss Nef A ba 0Vd0 spsdSs Nef A ba 其中 01s bba 01s bba 10 2 ss ebea 0 2 ss eeha 0 dVd eMN d1d2dHV MNdN d 式中 剪拉组合作用引起的钢筋抗拉承载力降低系数 根据第四强度理论 p 2 dd 1 3 pHV NN 受拉较大侧环向钢筋合力作用点到该侧混凝土边缘距离 s a 受拉较小侧环向钢筋合力作用点到该侧混凝土边缘距离 s a 受拉较小侧环向钢筋的截面面积之和 s A 受拉较大侧环向钢筋的截面面积之和 S A 转向器中心距混凝土板的竖直距离 1 d 转向器中心距环向钢筋截面重心的水平距离 2 d 图 1 4 混凝土块式转向装置抗拉极限承载力验算截面 3 3 对比计算分析对比计算分析 图 1 5 转向块钢筋构造图 选取如图 1 5 所示转向块分别用拉压杆模型和偏心拉压计算方法进行转向 块承载能力的验算 转向块中受拉钢筋采用直径 16mm 的 HRB400 内环筋一共 24 根 其抗拉设计强度 fsd 330 MPa As 48 26cm2 体外预应力筋采用 6 根 j15 24 钢绞线 体外预应力筋在转向块处转向角度为 9 1 度 预应力钢筋的 永存预拉应力为 1100 MPa 转向块沿预应力筋纵向长 150cm 横向宽 170cm 1 转向块抗拉承载能力验算 采用拉压杆模型计算所得的转向块抗拉承载力为 1158 3 kN 而采用偏心 拉压计算方法计算所得的转向块抗拉承载力为 1065 4 kN 由此可见采用偏心 拉压计算方法计算所得的转向块抗拉承载力大约为采用拉压杆模型计算所得的 转向块抗拉承载力的 0 9 倍 因此采用偏心拉压计算方法计算转向块抗拉承载 力偏于安全 2 转向块抗剪承载能力验算 采用拉压杆模型计算所得的转向块抗剪承载力为 139 1 kN 而采用偏心拉 压计算方法计算的转向块抗拉承载力为 100 4 kN 采用偏心拉压计算方法计算 转向块抗拉承载力偏于安全 三 问题的解决三 问题的解决 锚固装置 转向装置是体外预应力加固体系的关键部位