基于粘结-滑移理论的钢结构转向体系受力特性研究

刘 龑， 高 莉， 李 波， 王文剑

(1.中设设计集团股份有限公司， 南京 210014； 2.江苏省交通运输厅公路事业发展中心， 南京 210014； 3.江苏省道桥管养技术与应用工程研究中心， 南京 210014)

近年来，体外预应力技术被广泛用于既有桥梁上部结构的加固[1-3]。体外预应力束的锚固结构大多设置于中墩横梁上，该处因横梁的存在，锚固结构设计较为简单，受力基本都能够满足结构要求。除锚固系统外，转向系统是主梁与预应力受力结构唯一有联系的构件，它不仅承担着体外索的转向功能，同时也是预应力束效应作用在主梁上最重要的传导体[4-7]。由于常用的混凝土转向器存在自重过大、连接方式不可靠等问题，在工程中，设计人员往往选用自重小的钢结构转向体系，如图1所示。这种转向体系通过锚栓与混凝土结构能实现可靠连接，传力路径清晰，由转向器传给承力板，再传给锚板，最后由锚栓传递至混凝土箱梁结构。因此，锚栓的受力特性对整个转向体系有至关重要的作用。

(a) 块式转向体系

(b) 横隔板式转向体系

目前关于钢结构转向体系的研究较少，本文结合实体工程建立了基于粘结-滑移理论的钢结构转向体系有限元模型，对其受力及变形特性进行分析，供在实际工程中的应用参考。

1 模型建立

以苏州某预应力混凝土连续箱梁体外预应力加固工程为依托，将提出的块式、横隔板式2种钢结构转向体系应用于该工程，现场施工照片如图2所示。为充分了解2种钢构专项体系的受力特性，采用Abaqus/CAE有限元分析软件分别建立了块式和横隔板式钢结构转向体系的三维有限元模型，如图3所示。模型的具体参数如下：

1) 转向器为厚10 mm、直径150 mm的钢管，选用Q420钢材。

2) 其余钢构件(N1～N5钢板)均采用厚16 mm钢板，选用Q420钢材。

3) 模型中所有钢材选用理想弹塑性本构模型。

4) 所有结构均采用实体单元。

5) 为偏安全考虑，忽略结构胶的粘结作用，仅考虑后锚固锚栓的作用，并通过在每个锚栓位置设置边界条件来仿真。为了模拟锚栓的非线性特征[8-10]，该边界条件处采用非线性弹簧spring[11-12]进行模拟，P-Δ曲线采用张弦[13]的实测结果，如图4所示。

6) 其他边界条件：混凝土节段处设置固结；为保证计算收敛性，设置一个参考点与转向钢管内侧进行刚接，在此参考点设置强迫位移模拟钢束转向作用，对于块式体系，施加30 mm强迫位移，对于横隔板式转向施加1 mm强迫位移。

图2 钢转向体系在实桥中的应用

(a) 块式转向体系

(b) 横隔板式转向体系

(a) 拉拔

(b) 剪切

模型中，2种转向体系锚栓布置与依托工程中的实际布置一致，分别如图5、图6所示。

2 计算结果分析

2.1 变形分析

在向转向体系施加转向位移过程中，加载点的P-Δ曲线计算结果如图7所示。

(a) 腹板钢板

(b) 顶板钢板

(a) 腹板钢板

(b) 顶板钢板

(c) 腹板与底板过渡段钢板

(d) 底板钢板

由图7可知：

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1) 块式转向体系整个结构在受到1 134 kN转向力时，相对位移进入拐点，在转向力达到3 561 kN时，整个转向体系达到最大承载能力，进入下降的破坏阶段。由于块式转向体系在承受转向力荷载时完全依靠锚栓的拉拔力及抗剪性能将荷载传递至箱梁结构，其P-Δ曲线呈显著先升后降特点，说明整个受力体系有着较好的塑形变形能力，但位移量较大，结构刚度一般。

(a) 块式转向体系

(b) 横隔板式转向体系

2) 横隔板式转向体系在承受转向力时，在钢板进入屈服前，P-Δ曲线显示出完全的线性特性，最终破坏形态为钢板屈曲，结果表明横隔板式转向体系结构刚度较大。

2.2 钢结构转向体系应力响应分析

由于锚栓与混凝土的连接需要更为细观的模拟，在此不作讨论，本节主要分析钢结构的应力计算结果。

以每个转向器含19束7Φ15.2高强度低松弛钢绞线这一典型设计情况进行分析，其张拉应力σcon=0.6fptk=0.6×1 860=1 116 MPa。转向角度设定为20°，单根钢束的转向力为1 015.3 kN。钢结构转向体系在量值转向力工况下的应力云图如图8所示。

由图8可知：

1) 在典型转向力作用工况下，块式转向体系中锚板、转向管、肋板Mises应力最大值分别为140.2 MPa、98.6 MPa、84.8 MPa，说明锚板在块式转向体系中受力最大，是该体系的薄弱环节。锚板应力沿纵向应力峰值位置是隔板与锚板的焊接处，应加强此处局部构造。

2) 在典型转向力作用工况下，横隔板式转向体系中锚板、转向管、肋板Mises应力最大值分别为108.8 MPa、147 MPa、209.5 MPa，说明肋板是横隔板式转向体系的首要受力构造，是该体系的薄弱环节， 肋板应局部加厚。

(a) 块式体系锚板Mises应力云图

(b) 横隔板式体系锚板应力云图

2.3 锚栓内力分析

锚栓通过弹簧模拟，由弹簧单元计算内力结果可知：

1) 块式体系在典型转向力作用下，顶面锚栓受拉最大内力为25.3 kN，腹板锚栓受剪最大内力为7.9 kN，抗拉锚栓由于其在P-Δ弹性变形阶段刚度较大，因此受力显著大于受剪锚栓。若在弹簧模型中不考虑非线性特征，顶面受拉锚栓最大内力为17.5 kN，腹板受剪锚栓最大内力为13.6 kN，基于简单模型的计算，采用M12锚栓即能满足受力要求，而根据粘结-滑移弹塑性理论的计算结果，应采用M16锚栓进行连接。

常规M16自切底锚栓抗拉和抗剪承载能力推荐设计值分别为50.0 kN和49.6 kN，抗拉锚栓安全系数为1.98，抗剪锚栓安全系数为6.27。

2) 横隔板式体系在典型转向力作用下，所有锚栓最大内力均小于10 kN、位移均小于0.5 mm，因此其处于弹性工作状态，安全系数高。

3 结束语

本文对钢结构转向体系进行了有限元分析，主要认识如下：

1) 块式转向体系在承受转向力荷载时，P-Δ曲线呈显著先升后降特点，结构存在明显的屈服阶段，刚度一般；而横隔板式转向体系P-Δ曲线显示出完全的线性特性，结构刚度较大。

2) 在典型转向力作用下，块式体系锚板应力最大且锚板应力峰值位于隔板与锚板的焊接处，应加强局部构造；横隔板式转向体系肋板应力最大，钢板厚度应局部加强。

3) 在典型转向力作用下，块式转向体系锚栓受力较大，最大可达25 kN，安全系数较低，建议采用高强度锚栓进行连接；横隔板式转向体系所有锚栓最大内力均小于10 kN，安全系数高。