周晓夫

(四川省交通勘察设计研究院有限公司，成都 610000)

波形钢腹板组合梁桥没有腹板束的布置空间，需采用体外预应力束来承受二期恒载和活载，而转向块是体外预应力束的关键传力构件之一，由于其结构异形、受力复杂，很容易成为设计的薄弱点，甚至成为安全隐患。目前，基于转向块的研究还不是很充分，有必要进行深入探讨。

本文以西北某大桥为工程背景，大桥采用(57+100+100+57)m波形钢腹板连续刚构桥型，分别在边跨和中块各设置了2组和4组转向块来实现体外预应力束的转向，转向块采用横隔构造形式，具体构造如图1所示。

(a)转向块立面

1 转向块实体仿真建模

主要采用以下思路对转向块实体进行仿真分析：

1)采用Midas有限元程序建立整体模型，提取目标单元的内力作为局部实体计算的内力边界条件。

2)采用Ansys有限元程序，依据圣维南原理建立转向块两侧单元的局部实体模型。

3)采用等效荷载的方式模拟预应力体外束对转向块的作用力，并进行受力分析。

1.1 材料参数取值

箱梁及转向块混凝土强度均为C55，体外预应力束采用19孔钢绞线，波形钢腹板采用Q345C钢材，主要材料取值如表1、表2所示。

表1 材料特性值

表2 材料弹模与强度

1.2 有限元模型建立

采用Ansys有限元程序建立转向块及附近梁段的局部实体模型，转向块厚度为50 cm，选取转向块向两端各延伸一个波段作为研究范围，模型结构总长14.4 m。其中，采用Solid45单元模拟混凝土结构、Link8单元模拟预应力钢束、Shell65单元模拟波形钢腹板，有限元模型如图2所示。

图2 转向块局部计算有限元模型

1.3 管道压力大小的确定

采用等效荷载的方式来模拟体外预应力束对转向块产生的作用力，等效荷载采用“脱离体法”来计算。即首先将钢束从预应力结构中剥离出来，根据静力平衡的原理对预应力束进行受力分析，然后将预应力束所承受的作用力作为等效荷载反作用于转向块上。

实际结构中预应力等效荷载以面荷载的形式进行加载，由于荷载作用面积较小，可认为面荷载分布均匀，预应力孔道半圆所需施加的面荷载集度为：

式中：P为垂直于加载面施加的面荷载集度(力/面积)；R为孔道曲线半径；r为孔口截面半径；Npe为有效预应力。

按照上述公式，大桥采用19孔钢绞线，张拉控制应力为1 116 MPa，计算可得加载面力为5.01 MPa。将转向块孔道的上表面作为受力面，把体外束张拉力转化成均布节点力垂直加载到该面，体外预应力等效荷载加载如图3所示。

图3 体外预应力等效面荷载加载

1.4 边界条件设置

将模型左侧截面固定，建立以截面质心为主节点的刚域，然后再约束主节点的6个自由度。对模型右侧截面进行外力加载，同时假定钢束与转向块接触面光滑，仅考虑体外束对转向块的竖向分力，不考虑纵向摩阻力。

模型右侧选取3种最不利控制工况进行加载，分别为FY最大、MX最大及FZ最大工况(X为横桥向，Y为竖直方向，Z为顺桥方向)，同时还单独提取恒载工况进行计算对比。各工况下的内力来自Midas程序整体计算的结果，局部计算的截面内力边界条件如表3所示。

表3 截面内力边界条件

2 应力计算及结果分析

由于转向块构件主要承受体外预应力的竖向分力，本文主要以FY最大工况下的应力分布云图进行详细分析。云图中应力结果均采用国际制单位Pa，正值为拉应力，负值为压应力。

2.1 横向应力

分别从模型的正面(端向)和背面(跨向)提取了转向块横向应力的分布云图，如图4、图5所示，以分析其横向应力分布的特点和变化趋势。

从图4及图5可以看出，在FY最大工况下，转向块的最大横向拉应力约为1.9 MPa，分布于转向块下缘体外束转向孔道两侧,该区域的背面则对应分布着约5.7 MPa的横向压应力；孔道两侧接近倒角位置出现的约4.8 MPa拉应力和6.6 MPa压应力峰值属于应力集中造成的失真应力，不予考虑。

图4 X向正应力云图(端向)

图5 X向正应力云图(跨向)

2.2 竖向应力

分别从模型的正面(端向)和背面(跨向)提取了转向块竖向应力的分布云图，如图6、图7所示，以分析其竖向应力分布的特点和变化趋势。

从图6及图7可以看出，在FY最大工况下，转向块的最大竖向拉应力约为2.1 MPa，分布在转向块端向下缘和跨向上缘，该区域的背面则分布着最大竖向压应力，峰值约8.7 MPa；在转向块两面共8个棱角处，分布有约23 MPa的拉应力和25 MPa的压应力，均属于应力集中造成的失真应力，不予考虑。

图6 Y向正应力云图(端向)

图7 Y向正应力云图(跨向)

2.3 纵向应力

分别从模型的正面(端向)和背面(跨向)提取了转向块纵向应力的分布云图，如图8、图9所示，以分析其纵向应力分布的特点和变化趋势。

从图8及图9可以看出，在FY最大工况下，转向块的上缘局部分布有约8 MPa的纵向压应力，下缘分布有约1.8 MPa的纵向拉应力，其余位置均匀分布有3.5 MPa的纵向压应力；在转向块两面共8个棱角处，分布有约16 MPa的拉应力和19 MPa的压应力，均属于应力集中造成的失真应力，不予考虑。

图8 Z向正应力云图(端向)

图9 Z向正应力云图(跨向)

2.4 主应力

分别从模型的正面(端向)和背面(跨向)提取了转向块第一、第三主应力的分布云图，如图10～图13所示，以分析其主应力分布的特点和变化趋势。

图10 第一主应力云图(端向)

图11 第一主应力云图(跨向)

图12 第三主应力云图(端向)

图13 第三主应力云图(跨向)

从图10及图11可以看出，在FY最大工况下，转向块的最大主拉应力约为2.3 MPa，出现在转向块的端向下缘和跨向上缘；该区域的背面则分布最小主拉应力，约为1.5 MPa的压应力；在转向块的上、下缘棱角处以及转向孔道边缘分布有约32 MPa的拉应力及5.7 MPa的压应力，属于应力集中造成的失真应力，不予考虑。

从图12及图13可以看出，在FY最大工况下，转向块的最大主压应力峰值约为10.1 MPa，出现在转向块的端向上缘和跨向下缘；该区域的背面则分布最小主压应力，约为1.3 MPa；孔道上方分布有突变的压应力，约为5.6 MPa；在转向块的上、下缘棱角处应力集中现象明显，分布有约3.3 MPa的拉应力和37 MPa的压应力，属于应力集中造成的失真应力，不予考虑。

2.5 4种工况计算结果分析

4种控制工况下，转向块的局部应力峰值汇总如表4所示。

表4 各控制工况下转向块应力峰值汇总 MPa

通过以上计算结果可以发现，每种工况下同类应力的分布情况基本相似，说明转向块的应力分布规律比较明确；同时，除纵向应力之外，其余应力存在明显的拉压分布界限，总体上预应力孔道以上呈受压、以下呈受拉的分布趋势，转向块受力的基本特点和规律如下：

1)转向块与顶底板连接处均分布有竖向拉应力，由于主要承受体外预应力竖向分力的作用，该拉应力在底板连接处最大，往中部逐渐减小，如图6、图7所示。

2)当转向块的预应力管道距离底板较近时，竖向拉应力不能完全向下扩散，应力集中现象非常明显，如图6、图7所示。

3)转向块与顶底板连接的4个角点处拉压应力最为集中，局部计算结果显示角点处压应力已超过混凝土的抗压强度要求，但实际结构中转向块与顶底板连接处都设置有倒角，集中的压应力能通过倒角有效扩散。

4)较大的主拉应力主要分布在与顶底板连接处及孔道周围，有使转向块从梁体内脱离的倾向，如图10、图11所示。

5)转向块下部预应力孔道的外侧一定区域内分布有较大的横向拉应力，如图4、图5所示。

6)转向块与底板连接处分布较大的纵向拉应力，其它位置纵向拉应力数值均较小，且分布较均匀。

7)转向块较大的主拉应力分布在与底板连接处附近一定高度范围，且在孔道下侧有主拉应力集中现象，孔道上侧拉应力部分释放。

8)所有计算是将转向块作为弹性材料来进行分析的，如果考虑材料非线性的影响，局部应力峰值将会有所减小。

3 改变转向块厚度的研究

横隔式转向块本质是一种板式结构，板厚的改变对其受力的影响毋容置疑，但敏感程度需进一步研究。在上述模型的基础上，分别对转向块的厚度增加了20 cm和40 cm，提取实体模型孔道下缘受拉区的竖向正应力结果进行对比，分析结构尺寸改变对转向块设计最为控制的竖向拉应力的影响(转向块几何中心位于纵向坐标7.2 m处)，计算结果如图14所示。

图14 不同厚度转向块应力变化趋势

从图14应力变化曲线可以看出，板厚对转向块竖向拉应力的影响是比较敏感的，随着板厚按照20 cm级数递增，其竖向拉应力也按照约0.18 MPa的趋势相应递减。

4 波形钢腹板组合梁桥转向块轻型化设计的建议

波形钢腹板组合梁桥型常用于地震烈度较高的高墩桥梁，希望通过减小梁体自重来达到降低地震响应的目的，故对转向块自重的要求要高于常规体外预应力混凝土桥梁。

该类桥梁的转向块一般要兼作横隔板使用，上述研究虽然已表明加大转向块厚度对改善其受力效果较为明显，但因转向块数量多，可能会导致恒载增加过多对抗震不利；同时如果体外预应力在跨中正弯矩区的布束位置过于靠近形心，虽然有利于转向块下缘应力集中的释放，但又会造成整体结构的预应力效率偏低。结合转向块的受力特点，提出针对波形钢腹板组合梁桥转向块设计轻型化的几点建议：

1)转向块可采用下厚上薄的变厚度构造形式，依靠较大尺寸来抵抗孔道下缘的竖向拉应力，也利于应力集中的释放，而上部以受压为主，往往不控制设计，可适当减小厚度来减轻自重。

2)转向块可考虑仅采用下部连接的半高度结构形式，在满足自身受力的前提下，通过与梁体间设置可靠的横、竖向连接钢筋，结构的高度只需能克服主拉应力使转向块从梁体内脱离即可，这样也可减轻自重。

3)转向块可考虑采用钢结构形式，以钢材优异的抗拉、抗压性能完全可保证转向块满足承载力的要求，较好地实现构造轻型化。

5 结束语

1)转向块广泛分布有竖向拉应力，其中底板连接处最大，往中部逐渐减小，且竖向拉应力是设计主控因素。

2)应合理确定预应力管道与底板的相对位置关系，避免两者过近造成竖向拉应力无法有效扩散，从而产生应力集中。

3)应合理拟定倒角构造尺寸，倒角设置对释放4个角点应力的效果明显。

4)应加强转向块与梁体之间的横、竖向钢筋连接，避免主拉应力造成两者脱离。

5)转向块可以采用变厚度、半高度等构造形式及钢结构方式来实现轻型化设计，以满足波形钢腹板组合梁桥减轻自重的目的。