第二章 轉(zhuǎn)向塊和錨固塊的構(gòu)造和受力特點(diǎn).doc

第二章 轉(zhuǎn)向塊和錨固塊的構(gòu)造和受力特點(diǎn)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(guò)端部錨具和轉(zhuǎn)向塊傳遞預(yù)加力，其特點(diǎn)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。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)向塊材料多選用鋼材和混凝土，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(zhǎng)度，調(diào)整體外束偏心距。通過(guò)合理布置轉(zhuǎn)向塊調(diào)整體外預(yù)應(yīng)力筋線(xiàn)形，可改變結(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(jì)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(guò)大。歐洲混凝土委員會(huì)、國(guó)際預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會(huì)CEBFIP標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(diǎn)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(jì)的隔梁、隔板、折角塊，實(shí)腹梁一般要單獨(dú)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向塊。體外預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)錨具具有巨大的依賴(lài)性，鋼索施加的預(yù)應(yīng)力完全依靠錨固點(diǎn)錨具保持，同時(shí)體外預(yù)應(yīng)力索要承受比體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋更不利的動(dòng)載并由此產(chǎn)生疲勞問(wèn)題，一旦錨具組件出現(xiàn)問(wèn)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安全性，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(jìn)行嚴(yán)格周密的計(jì)算和動(dòng)、靜載試驗(yàn)，以保安全。2.2 轉(zhuǎn)向塊的構(gòu)造和受力特點(diǎn)2.2.1轉(zhuǎn)向塊的分類(lèi)以材料分類(lèi),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)向裝置主要用于加固中和房屋建筑中。鋼制轉(zhuǎn)向裝置見(jiàn)圖2.1?；炷赁D(zhuǎn)向裝置主要用于新建橋梁中；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(zhuān)向塊。肋式轉(zhuǎn)向塊見(jiàn)圖2.2；橫隔板式轉(zhuǎn)向塊見(jiàn)圖2.3；塊式轉(zhuǎn)向塊見(jiàn)圖2.4。橫隔板式、肋式轉(zhuǎn)向塊的優(yōu)點(diǎn)：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(qiáng)度。缺點(diǎn)是：增加恒載重量，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)向則要采用塊式轉(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埂肋處或其附近。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(diǎn)是：給結(jié)構(gòu)施加的附加荷載小，模板也很簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是：發(fā)生開(kāi)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)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(jìn)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橋鋼轉(zhuǎn)向塊 圖2.2日本河谷川大橋工程肋式轉(zhuǎn)向塊圖2.3上海滬閔高架道路二期工程橫隔板式轉(zhuǎn)向塊圖2.4 北京四豐立交體外預(yù)應(yīng)力橋塊式轉(zhuǎn)向塊2.2.2轉(zhuǎn)向塊的受力特點(diǎn)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2.5所示，故轉(zhuǎn)向塊鋼筋應(yīng)與梁體鋼筋進(jìn)行牢固的連接。圖2.5 轉(zhuǎn)向塊受力分析圖2.2.3轉(zhuǎn)向塊的設(shè)計(jì)原則在轉(zhuǎn)向塊與預(yù)應(yīng)力筋的接觸區(qū)域,由于摩擦和橫向力的擠壓作用,如果轉(zhuǎn)向塊設(shè)計(jì)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(guò)大。在進(jìn)行轉(zhuǎn)向塊的設(shè)計(jì)時(shí)，轉(zhuǎn)向裝置必須能確保體外索的位置，并且有足夠的強(qiáng)度可靠的傳遞作用力。彎曲半徑是轉(zhuǎn)向裝置的一個(gè)重要參數(shù)，從鋼絞線(xiàn)的受力狀態(tài)而言越大越好，但如果彎曲半徑設(shè)定過(guò)大，彎向部的構(gòu)件尺寸就變大，從而使橋梁自重增加，因此在確保安全的情況下，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(diǎn)的位置必須高度準(zhǔn)確，避免產(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(duì)預(yù)應(yīng)力鋼材有任何損害。標(biāo)準(zhǔn)和歐洲體外預(yù)應(yīng)力規(guī)范均對(duì)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(xì)節(jié)設(shè)計(jì)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)下有足夠的延性和安全度。設(shè)計(jì)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(jì)系數(shù)最小取1.7，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(xiàn)，孔道管直徑、普通鋼筋間距及混凝土保護(hù)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2.6所示，受拉鋼筋按能?chē)∞D(zhuǎn)向塊中各個(gè)力筋孔道的原則配置，以形成環(huán)筋。同時(shí)，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?chē)∷辛畹拈]口箍筋。按與環(huán)筋相同直徑、相同間距配置的閉口箍筋將得到很好的效果7。圖2.6 轉(zhuǎn)向塊的兩種配筋方式美國(guó)學(xué)者Breen等人通過(guò)10個(gè)塊式轉(zhuǎn)向塊小比例模型試驗(yàn)得到得塊式轉(zhuǎn)向塊實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果與配筋建議：1、試驗(yàn)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(shí)表現(xiàn)為預(yù)應(yīng)力束上部混凝土壓碎，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(shí)能充分發(fā)揮機(jī)能，在極限狀態(tài)下也有足 夠的安全度。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(jìn)行配筋的試件，其破壞機(jī)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(shù)脂鋼筋對(duì)極限荷載作用時(shí)轉(zhuǎn)向塊的性能帶來(lái)了良好的效果。這是因?yàn)檗D(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(shù)脂鋼筋在受拉鋼筋被拉斷之前有促進(jìn)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。破壞并非是達(dá)到臨界后由于剪切而發(fā)生的。試件的承載力可以通過(guò)簡(jiǎn)易模式或拉、壓桿模式?jīng)Q定。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合性很好。通過(guò)對(duì)為抵抗拉拔力而采用的兩種類(lèi)型鋼筋(受拉鋼筋和上層鋼筋)的比較可知，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(jì)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擔(dān)的力。2、配筋建議按使用荷載設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)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的規(guī)定，最大容許初始張拉力約為力筋張拉強(qiáng)度的80%。關(guān)于極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，在AASHTO或ACI中對(duì)用于預(yù)應(yīng)力的荷載系數(shù)沒(méi)有明確的規(guī)定；破壞狀態(tài)時(shí)，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安全度，預(yù)應(yīng)力的荷載系數(shù)至少采用1.7。這時(shí)，可假定鋼筋達(dá)到屈服點(diǎn)。受拉鋼筋設(shè)計(jì)采用的折減系數(shù)，當(dāng)作用力為拉力時(shí)取0.9；剪力計(jì)算折減系數(shù)取為0.85。建議配筋可按轉(zhuǎn)向塊的拉力僅僅由受拉鋼筋承受的原則進(jìn)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(jì)。受拉鋼筋按能?chē)∞D(zhuǎn)向塊中各個(gè)力筋孔道的原則配置，已形成環(huán)筋。同時(shí)，在底板上層鋼筋線(xiàn)面必須與軸向鋼筋錨固緊，此外，還必須配置能?chē)∷辛畹拈]口箍筋。腹板與底板連接后，在轉(zhuǎn)向塊的表面可起控制裂縫的作用（在轉(zhuǎn)向塊的承載力計(jì)算中可忽視），按與環(huán)筋相同直徑、相同間距配置的閉口箍筋將給出令人滿(mǎn)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(jì)，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(lái)決定，這樣設(shè)計(jì)是較經(jīng)濟(jì)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(zhǎng)度等決定。環(huán)筋與管道最上緣間的最小間距大約為2.5cm，外側(cè)閉口箍筋在豎直方向的間距至少離開(kāi)環(huán)筋5cm，環(huán)筋的最大鋼筋直徑可彎成90度的圓弧形考慮，取最大為D16。底板與管道的間距以考慮施工性的間距（2.55cm）為標(biāo)準(zhǔn)。另外，為了盡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(zhǎng)度由鋼筋間距、根數(shù)決定（考慮施工情況，鋼筋間距可按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(xiàn)梁，轉(zhuǎn)向塊處力筋水平轉(zhuǎn)向力較大的時(shí)候或?yàn)樘岣呖沽研?，如圖2.7所示，沿底板全寬設(shè)置轉(zhuǎn)向塊。圖2.7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(diǎn)2.3.1體外預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)的功能和受力特點(diǎn)在張拉過(guò)程中，外部荷載通過(guò)張拉端錨具、鋼絞線(xiàn)、固定端錨具作用于錨下砼結(jié)構(gòu)中。砼結(jié)構(gòu)所承受的是內(nèi)、外錨具傳遞過(guò)來(lái)的壓應(yīng)力,正是這種由鋼絞線(xiàn)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(qiáng)抗拉強(qiáng)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)的混凝土處于三項(xiàng)受力狀態(tài)，為了防止在施加張拉力的過(guò)程中，產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成錨固區(qū)拉裂破壞，錨固體系不僅要承擔(dān)力的傳遞，還需將可能產(chǎn)生的集中應(yīng)力分散傳遞到錨下砼結(jié)構(gòu)中。其中，錨墊板的作用就是承擔(dān)錨板壓應(yīng)力，并將應(yīng)力分散傳遞到砼中；螺旋筋則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(mǎn)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(guò)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(duì)均勻合理而不會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，成為衡量錨固體系各部分結(jié)構(gòu)是否合理的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。相對(duì)于體內(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(diǎn)：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(wèn)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(dòng)載及由此產(chǎn)生的疲勞問(wèn)題。所以體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的錨塊設(shè)計(jì)必須進(jìn)行嚴(yán)格周密的計(jì)算。以保證體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的安全和可靠。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(jìn)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(xì)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于鋼索切斷操作，見(jiàn)圖2.8。圖2.8 體內(nèi)索與體內(nèi)索錨固受力比較2.3.2體外預(yù)應(yīng)力的錨固方式分類(lèi)（1）全體體外預(yù)應(yīng)力筋集中錨固；（2）全體體外預(yù)應(yīng)力筋分散錨固；（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(jì)原則（1）錨固結(jié)構(gòu)應(yīng)盡力使主梁受力明確；（2）盡量減少體外預(yù)應(yīng)力束預(yù)留構(gòu)造對(duì)主梁削弱的影響；（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(qiáng)度需要在錨固點(diǎn)和附近的橋面