轉(zhuǎn)向塊和錨固塊的構(gòu)造和受力特點

1、 第二章轉(zhuǎn)向塊和錨固塊的構(gòu)造和受力特點 2.1 概述 體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)是將預(yù)應(yīng)力鋼束布置在梁體截面外部，通過端部錨 具和轉(zhuǎn)向塊傳遞預(yù)加力，其特點是體外預(yù)應(yīng)力筋只在錨固位置和轉(zhuǎn)向塊 位置與結(jié)構(gòu)相聯(lián)，因此錨固與轉(zhuǎn)向塊在體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中的地位舉足輕 重 0 0 體外預(yù)應(yīng)力橋梁中的體外預(yù)應(yīng)力索的轉(zhuǎn)向裝置是一種特殊構(gòu)造，它 是除了錨固構(gòu)造外體外預(yù)應(yīng)力索在跨內(nèi)唯一與預(yù)應(yīng)力受力結(jié)構(gòu)有聯(lián)系的 構(gòu)件，是體外預(yù)應(yīng)力橋梁中最重要最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)構(gòu)造之一。轉(zhuǎn)向塊材料 多項選擇用鋼材和混凝土，轉(zhuǎn)向塊的作用是傳遞體外束產(chǎn)生的水平和垂直橫 向力，限制體外束自由長度，調(diào)整體外束偏心距。通過合理布置轉(zhuǎn)向塊 調(diào)整體外預(yù)應(yīng)力筋線形，可改

2、變結(jié)構(gòu)抗彎、抗剪性能，使之受力更好。 轉(zhuǎn)向塊由于受巨大的橫向集中力及與預(yù)應(yīng)力筋的摩擦作用，應(yīng)力復(fù)雜。 一旦設(shè)計不合理、結(jié)構(gòu)措施不當(dāng)或體外預(yù)應(yīng)力筋定位不準(zhǔn)確，將使轉(zhuǎn)向 塊受力不合理，并有可能引起預(yù)應(yīng)力筋局部硬化或摩擦損失過大。歐洲 混凝土委員會、國際預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會 CEB CEB FIPFIP 標(biāo)準(zhǔn)對轉(zhuǎn)向塊與預(yù)應(yīng)力 鋼筋接觸區(qū)域引起的預(yù)應(yīng)力筋彎折點轉(zhuǎn)向角、最小曲率半徑作了規(guī)定。 體外力筋在箱梁中轉(zhuǎn)向可利用特殊設(shè)計的隔梁、隔板、折角塊，實腹梁 一般要單獨設(shè)計轉(zhuǎn)向塊。 體外預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)對錨具具有巨大的依賴性，鋼索施 加的預(yù)應(yīng)力完全依靠錨固點錨具保持，同時體外預(yù)應(yīng)力索要承受比體內(nèi) 預(yù)應(yīng)力

3、筋更不利的動載并由此產(chǎn)生疲勞問題，一旦錨具組件出現(xiàn)問題， 其導(dǎo)致的后果是災(zāi)難性的，所以體外預(yù)應(yīng)力錨具必須提供比一般體內(nèi)預(yù) 應(yīng)力錨具高得多的可靠性和平安性，用于體外預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)體外索錨 固的錨具組件及與鋼索的適配性應(yīng)該進行嚴(yán)格周密的計算和動、靜載試 驗，以保平安。 2.2 轉(zhuǎn)向塊的構(gòu)造和受力特點 2.2.1轉(zhuǎn)向塊的分類 以材料分類，轉(zhuǎn)向裝置可以分為鋼制和混凝土制兩種，或者由兩種材 料組合構(gòu)成。鋼制轉(zhuǎn)向裝置主要用丁加固中和房屋建筑中。鋼制轉(zhuǎn)向裝 置見圖 2.12.1。混凝土轉(zhuǎn)向裝置主要用丁新建橋梁中；從形式上分，新建橋梁 工程中大都采用橫隔板式、肋式和塊式這三種形式的專向塊。肋式轉(zhuǎn)向 塊見圖 2

4、.2 ;2.2 ;橫隔板式轉(zhuǎn)向塊見圖 2.3 ;2.3 ;塊式轉(zhuǎn)向塊見圖 2.42.4。 橫隔板式、肋式轉(zhuǎn)向塊的優(yōu)點：可以形成從轉(zhuǎn)向管直到頂板或底板 的抵抗力筋轉(zhuǎn)向力的壓力區(qū),并可以利用橫隔板或肋板與腹板及頂、底板 的連接強度。缺點是：增加包載重量，加大腹板平均厚度，使模板構(gòu)造 也較復(fù)雜7。如不能利用橫向板或肋板轉(zhuǎn)向那么要采用塊式轉(zhuǎn)向塊。 塊式轉(zhuǎn)向塊的位置應(yīng)設(shè)在底板或頂板與腹板交界的現(xiàn)肋處或其附 近。塊式轉(zhuǎn)向塊是采用固定轉(zhuǎn)向管并與梁體聯(lián)成一體的凸塊。優(yōu)點是： 給結(jié)構(gòu)施加的附加荷載小，模板也很簡單。缺點是：發(fā)生開裂后不能形 成受壓支柱，承載能力較橫隔板式、肋式小。力筋的垂直分力或水平分 力有使轉(zhuǎn)

5、向塊從梁體拉脫的傾向，故轉(zhuǎn)向塊鋼筋應(yīng)與梁體鋼筋進行牢固 的聯(lián)系。配筋與橫隔板式、肋式相比要復(fù)雜得多。 圖 2.1 Kemlaka Gede Bridge, Indonesia 2.1 Kemlaka Gede Bridge, Indonesia 橋鋼轉(zhuǎn)向塊 圖 2.22.2 日本河谷川大橋工程肋式轉(zhuǎn)向塊 圖 2.32.3 上海滬閔高架道路二期工程橫隔板式轉(zhuǎn)向塊 2.2.2轉(zhuǎn)向塊的受力特點 轉(zhuǎn)向塊中體外預(yù)應(yīng)力筋的垂直分力或水平分力有使轉(zhuǎn)向塊從梁體拉 脫的傾向，如圖 2.52.5 所示，故轉(zhuǎn)向塊鋼筋應(yīng)與梁體鋼筋進行牢固的連接。 圖 2.5 2.5 轉(zhuǎn)向塊受力分析圖 2.2.3轉(zhuǎn)向塊的設(shè)計原那么 在

6、轉(zhuǎn)向塊與預(yù)應(yīng)力筋的接觸區(qū)域，由丁摩擦和橫向力的擠壓作用，如 果轉(zhuǎn)向塊設(shè)計不合理或構(gòu)造措施不當(dāng)，預(yù)應(yīng)力鋼材容易產(chǎn)生局部硬化和摩 阻損失過大。 在進行轉(zhuǎn)向塊的設(shè)計時，轉(zhuǎn)向裝置必須能確保體外索的位置，并且 有足夠的強度可靠圖 2.4 2.4 北京四豐立交體外預(yù)應(yīng)力橋塊式轉(zhuǎn)向塊 的傳遞作用力。彎曲半徑是轉(zhuǎn)向裝置的一個重要參數(shù)， 從鋼絞線的受力狀態(tài)而言越大越好，但如果彎曲半徑設(shè)定過大，彎向部 的構(gòu)件尺寸就變大，從而使橋梁自重增加，因此在確保平安的情況下， 轉(zhuǎn)向裝置的彎半徑可以做小一些。 預(yù)應(yīng)力筋在折角點的位置必須高度準(zhǔn)確，防止產(chǎn)生附加應(yīng)力，轉(zhuǎn)向 塊在結(jié)構(gòu)使用期內(nèi)也不應(yīng)對預(yù)應(yīng)力鋼材有任何損害。F I PF

7、 I P 標(biāo)準(zhǔn)和歐洲 體外預(yù)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)均對轉(zhuǎn)向塊內(nèi)預(yù)埋管道所需的最小彎曲半徑作了規(guī)定。 合理轉(zhuǎn)向塊的細節(jié)設(shè)計應(yīng)保證在使用荷載條件下受力性能良好，在 承載能力極限狀態(tài)下有足夠的延性和平安度。 設(shè)計荷載為體外預(yù)應(yīng)力筋的最大張拉力與水平和豎直平面內(nèi)的轉(zhuǎn)角 度數(shù)的乘積。 轉(zhuǎn)向塊的使用荷載設(shè)計系數(shù)最小取1.71.7，轉(zhuǎn)向塊內(nèi)的普通鋼筋應(yīng)力必 須控制在允許的范圍內(nèi)。 轉(zhuǎn)向塊的尺寸確定必須綜合考慮各種因素，如體外預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的橫 向荷載值，體外預(yù)應(yīng)力筋的曲線，孔道管直徑、普通鋼筋問距及混凝土 保護層等因素。 2.2.4轉(zhuǎn)向塊的配筋構(gòu)造 轉(zhuǎn)向塊的配筋構(gòu)造：轉(zhuǎn)向塊一般設(shè)有兩種鋼筋，一種是圍住單根轉(zhuǎn) 向力筋的環(huán)筋，另

8、一種是沿著轉(zhuǎn)向塊周邊圍住所有力筋的閉口箍筋。轉(zhuǎn) 向塊的兩種配筋方式如圖 2.62.6 所示，受拉鋼筋按能圍住轉(zhuǎn)向塊中各個力筋 孔道的原那么配置，以形成環(huán)筋。同時，在底板上層鋼筋下面必須與軸向 鋼筋錨固緊，此外，還必須配置能圍住所有力筋的閉口箍筋。按與環(huán)筋 相同直徑、相同問距配置的閉口箍筋將得到很好的效果7。 圖 2.6 2.6 轉(zhuǎn)向塊的兩種配筋方式 美國學(xué)者 BreenBreen 等人通過 1010 個塊式轉(zhuǎn)向塊小比例模型試驗得到得塊 式轉(zhuǎn)向塊實驗研究結(jié)果與配筋建議： 1 1、試驗結(jié)論 塊式轉(zhuǎn)向塊的最終失效是由直接約束轉(zhuǎn)向塊內(nèi)鋼導(dǎo)管的環(huán)形鋼筋屈 服拉斷所導(dǎo)致的，破壞時表現(xiàn)為預(yù)應(yīng)力束上部混凝土壓

9、碎，鋼筋被拉 斷，預(yù)應(yīng)力束從混凝土轉(zhuǎn)向塊中拔出。 適量配筋的轉(zhuǎn)向塊在使用時能充分發(fā)揮機能，在極限狀態(tài)下也有 足夠的平安度。 適量配筋的轉(zhuǎn)向塊試件都具有一定的韌性，所以不至于發(fā)生突然 破壞。特別是按可以抵抗拉拔力進行配筋的試件，其破壞機理是由于 鋼筋拉斷引起的，所以可以得到良好的效果。 錨固性好的環(huán)氧樹脂鋼筋對極限荷載作用時轉(zhuǎn)向塊的性能帶來了 良好的效果。這是因為轉(zhuǎn)向塊內(nèi)所有鋼筋能完全抵抗外力，因此可以 使環(huán)氧樹脂鋼筋在受拉鋼筋被拉斷之前有促進轉(zhuǎn)向塊內(nèi)力重分配的效 果。 最后破壞全部是由于受拉鋼筋被拉斷而引起的。破壞并非是到達 臨界后由于剪切而發(fā)生的。 試件的承載力可以通過簡易模式或拉、壓桿模式

10、決定。與實驗結(jié) 果吻合性很好。 通過對為抵抗拉拔力而采用的兩種類型鋼筋受拉鋼筋和上層鋼筋 的比擬可知，作為抵抗轉(zhuǎn)向力的鋼筋，與上層鋼筋相比，受拉鋼筋的 效果好些。 轉(zhuǎn)向塊設(shè)計用內(nèi)力是由于力筋產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)向力以及由受拉鋼筋 承當(dāng)?shù)牧Α?2 2、配筋建議 按使用荷載設(shè)計時，設(shè)計轉(zhuǎn)向塊用的力是每根力筋引起的轉(zhuǎn)向力 的豎直分力與水平分力的合力。豎直、水平分力為最大容許初始張拉 力乘以力筋在鉛直面、水平面的角度變化量。如果按 AASHTO AASHTO 的規(guī)定， 最大容許初始張拉力約為力筋張拉強度的 80%80%。 關(guān)于極限狀態(tài)設(shè)計，在 AASHTO AASHTO 或 ACIACI 中對用于預(yù)應(yīng)力的荷載

11、系 數(shù)沒有明確的規(guī)定；破壞狀態(tài)時，為保證與其它的荷載系數(shù)及抵抗系 數(shù)組合后具有同等合理的平安度，預(yù)應(yīng)力的荷載系數(shù)至少采用 1.71.7。這 時，可假定鋼筋到達屈服點。受拉鋼筋設(shè)計采用的折減系數(shù)，當(dāng)作用 力為拉力時取 0.9 ;0.9 ;剪力計算折減系數(shù)取為 0.850.85。 建議配筋可按轉(zhuǎn)向塊的拉力僅僅由受拉鋼筋承受的原那么進行，此 外，轉(zhuǎn)向塊的管道上形成的梁元素引起的混凝土的附加抵抗力可忽略 不計。 受拉鋼筋按能圍住轉(zhuǎn)向塊中各個力筋孔道的原那么配置，已形成環(huán) 筋。同時，在底板上層鋼筋線面必須與軸向鋼筋錨固緊，此外，還必 須配置能圍住所有力筋的閉口箍筋。腹板與底板連接后，在轉(zhuǎn)向塊的 外表可起

12、控制裂縫的作用在轉(zhuǎn)向塊的承載力計算中可無視，按與環(huán) 筋相同直徑、相同問距配置的閉口箍筋將給出令人滿意的結(jié)果。 各環(huán)筋均采用荷載系數(shù)和折減系數(shù)設(shè)計，荷載系數(shù)和折減系數(shù)的 大小按抵抗具有最大豎向分力的力筋轉(zhuǎn)向力來決定，這樣設(shè)計是較經(jīng) 濟的。環(huán)筋和閉口箍筋的尺寸，由力筋孔道的曲率及外徑、鋼筋間距、 錨固長度等決定。 環(huán)筋與管道最上緣間的最小間距大約為 2.5cm2.5cm，外側(cè)閉口箍筋在豎 直方向的間距至少離開環(huán)筋 5cm ,5cm ,環(huán)筋的最大鋼筋直徑可彎成 9090 度的 圓弧形考慮，取最大為 D16D16。 底板與管道的問距以考慮施工性的間距2.55cm 2.55cm 為標(biāo)準(zhǔn)。另夕卜， 為了盡

13、可能減小底板與腹板處的偏心彎矩，管道必須靠近腹板布置， 轉(zhuǎn)向塊沿橋縱向的長度由鋼筋問距、根數(shù)決定考慮施工情況，鋼筋 間距可按 1015cm 1015cm 布置，還可以根據(jù)力筋管道的最小彎曲半徑?jīng)Q定。 半徑小的曲線梁，轉(zhuǎn)向塊處力筋水平轉(zhuǎn)向力較大的時候或為提高 抗裂性，如圖2.72.7 所示，沿底板全寬設(shè)置轉(zhuǎn)向塊。 臉 一 L , 炯一 , 圖 2.72.7 沿底板全寬設(shè)置轉(zhuǎn)向塊圖 2.3 錨固結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和受力特點 2.3.1體外預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)的功能和受力特點 在張拉過程中，外部荷載通過張拉端錨具、鋼絞線、固定端錨具作 用丁錨下碌結(jié)構(gòu)中。碌結(jié)構(gòu)所承受的是內(nèi)、外錨具傳遞過來的壓應(yīng)力，正 是這種由鋼絞

14、線的拉應(yīng)力壓轉(zhuǎn)換在錨固體上的預(yù)加應(yīng)力，使預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu) 得以發(fā)揮增強抗拉強度和抗裂縫變形能力的作用。體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在錨 固區(qū)受到很大的局部壓力，截面應(yīng)力分布是不均勻的，這一區(qū)的混凝土 處丁三項受力狀態(tài)，為了防止在施加張拉力的過程中，產(chǎn)生應(yīng)力集中， 造成錨固區(qū)拉裂破壞，錨固體系不僅要承當(dāng)力的傳遞，還需將可能產(chǎn)生 的集中應(yīng)力分散傳遞到錨下碌結(jié)構(gòu)中。其中，錨墊板的作用就是承當(dāng)錨 板壓應(yīng)力，并將應(yīng)力分散傳遞到碌中；螺旋筋那么起到約束錨固體變形和 分擔(dān)錨固體的形變應(yīng)力的作用。兩者共同滿足錨墊板在最大壓應(yīng)力極限 內(nèi)，錨固體的主要受力區(qū)域的壓力不超過其許可極限。錨具及錨具下部 錨固體的應(yīng)力分布是否相對均勻合理而

15、不會產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，成為 衡量錨固體系各局部結(jié)構(gòu)是否合理的檢驗標(biāo)準(zhǔn)。 相對丁體內(nèi)預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)體外預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)有以下特點： 外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)力筋完全依靠錨塊處錨固一旦錨塊出問題，將導(dǎo)致 的后果將是災(zāi)難性的。 體外預(yù)應(yīng)力筋要承受比體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋更不利的的動載及由此產(chǎn)生 的疲勞問題。所以體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的錨塊設(shè)計必須進行嚴(yán)格周密的計算。 以保證體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的平安和可靠。 預(yù)應(yīng)力體外索的錨固較一般體內(nèi)預(yù)應(yīng)力索困難。體內(nèi)索在錨固處 預(yù)應(yīng)力進入混凝土內(nèi)，而體外索預(yù)應(yīng)力與腹板平行，且產(chǎn)生很大的剪應(yīng) 力與正應(yīng)力。體外索的拉力全部由錨具傳遞至箱梁混凝土，在錨固處的 構(gòu)造細節(jié)與鋼筋布置應(yīng)特加注意。因體外索需要更換，鋼索張拉后，錨具 后面不能用混凝土封閉。并留有空間能放置千斤頂及便丁鋼索切斷操作， 見圖 2.82.8。 圖 2.82.8 體內(nèi)索與體內(nèi)索錨固受力比擬 2.3.2體外預(yù)應(yīng)力的錨固方式分類 (1)(1) 全體體外預(yù)應(yīng)力筋集中錨固； (2)(2) 全體體外預(yù)應(yīng)力筋分散錨固； (3)(3) 混合預(yù)應(yīng)力筋分散錨固。 2.3.3錨固結(jié)構(gòu)的設(shè)計原那么 (1)(1) 錨固結(jié)構(gòu)應(yīng)盡力使主梁受力明確； (2)(2) 盡量減少體外預(yù)應(yīng)力束預(yù)留構(gòu)造對主梁削弱的影響； (3)(3) 體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在錨固區(qū)受到很大的局部壓力，為了保證混凝土的 強度