体外预应力混凝土桥梁转向块的研究进展

张文锋

(重庆市市政设计研究院，重庆 400020)

1 引言

相比传统的体内布筋预应力结构，体外预应力结构具有截面尺寸小、自重轻、预应力筋可更换和维护、预应力损失小、施工工期短以及耐久性高等优点[1]。转向块是体外预应力桥梁中的一种特殊而重要的关键构造，为体外预应力筋的转向而设置，其受力十分复杂。因此，对转向区域进行理论、试验和数值分析研究揭示其受力特点、应力分布规律、传力路径以及危险区域是十分必要的。目前常用的转向块有四种形式，分为块式、横肋式、竖肋式和横梁式。本文对现有的相关研究状况进行总结分析，供后续研究参考。

2 理论分析方面

吴泽迁[2]对体外预应力桥梁中转向块对体外预应力筋偏心距二次影响的作用以及体外预应力筋在转向块处的磨损情况等进行了总结分析。

单成林[3]基于国外的相关已成桥经验和一些试验研究成果，同时结合我国相关规范提出的转向结构的设计原理，对体外配筋预应力混凝土桥梁的各种转向结构的特点、受力机理、构造、配筋及计算原理进行了详细论述。

3 试验研究方面

R.J.Beaupre和J.E.Breen等[4～6]进行了10个小比例块式转向结构的模型，考察箍筋形式、转向结构形状等对转向结构受力性能的影响，通过试验中钢筋的应力应变数据以及转向结构的裂缝发展模式，分析得出块式转向结构的受力机理可以通过直接拉伸作用、梁受力模式(针对转向结构顶部)和剪切作用(针对转向管道间薄弱截面)3种主要的受力模式表示。直接拉伸作用可用于环形受拉箍筋分析，梁模式可说明转向结构上部钢筋的作用，剪切作用可说明转向管道间沿管道下形成的裂缝面的剪力和传递该剪力的剪切钢筋的作用。在具体设计时，可以根据这三种受力模式定出合理的配筋方案。

Kiang-Hwee和Chee-Khoon Ng[7]对6片用体外预应力加固后T形梁进行了抗弯性能试验，讨论了转向块和力筋的面积、有效预应力、偏心距对加固梁抗弯性能的影响。试验表明：无转向块的梁由于偏心距的改变而产生的二次效应作用将使得梁承载力降低。而偏心距的改变引起的二次效应可以通过在梁的跨中设置转向块来降低。

王廷臣等[8]对体外预应力桥梁的转向块进行了力学性能的试验研究。研究表明：配筋适当的转向块能够充分发挥其力学性能。

4 数值分析方面

宋华茂[9]针对某桥选用的肋板式转向块作了空间受力分析，获得了转向块附近的应力分布，结果表明肋板式转向块能够满足该桥体外预应力的受力要求。

席广恒[10]利用MIDAS对某试验桥的转向块区域力学性能进行了分析，研究了该关键区域的应力分布、受力特点以及传力路径，得出了转向结构竖向压应力和竖向拉应力的分布规律，竖向拉应力主要分布在转向肋与底板交界的外缘处和转向管道之间的区域，竖向压应力主要分布在转向管道以上部分。为减小应力集中现象，可以采取加宽转向管道间距的措施。最后对实际工程的设计和施工提出了一些切实可行的建议。

丁韶峰[11]通过ANSYS对某连续刚构桥加固设计的边跨转向块进行了有限元实体分析。计算采用先整体后局部的思路。计算表明：体外索对桥梁纵向应力影响最大，应力集中位置主要分布在转向块与底板相交处。加固设计时应该避免转向孔道靠下侧过近同时建议转向块可以设计成上小下大的梯形块形式。

林峰等[12-13]通过ANSYS对一肋式转向块进行了受力特性的有限元分析，对其设计提出了相关的建议。从箱梁和转向肋本身构造的角度分析了影响肋式转向块受力的因素，得到了箱梁顶板以及腹板厚度对转向块受力状态的影响很小，箱梁底板与转向肋的厚度对转向块应力状态的影响较大的结论，建议尽量采用整体加厚的转向块。

费小申等[14]应用ANSYS软件进行了肋式转向块的局部应力分析。研究表明：对于肋式转向块，预应力转向力主要由孔道上部混凝土的受压和受剪来抵抗，最大压应力位置在靠近腹板的体外束孔道上缘，而对于孔道下部混凝土，其拉应力较小。

Bing Yi[15]对某大跨径连续刚构桥的转向块进行了三维有限元分析，根据应力分布结果并对关键部位的厚度进行了优化设计。

牟晓光等[16]通过ANSYS空间有限元分析，对转向块关键区域的应力分布和受力特点进行研究。建议适当增加转向块厚度，或增大横隔板宽度及厚度等，以减小转向块上产生过大的拉应力集中现象。

侯海龙等[17]利用ANSYS仿真分析，从体外预应力筋不同转角分析了肋式和块式转向块的受力特点。分析结果表明：转向块竖向最大应力随着预应力筋转角的增加而增加，调整转角后可以改善预应力传递效率和转向块的应力状态。同时也给出了环向箍筋的设置建议和不同转向角度的构造建议。

肖毅[18]以某座大跨度连续刚构桥的体外预应力加固工程为例，运用ANSYS软件，分别对混凝土和钢结构转向块进行了受力分析，通过对比两类转向块在体外预应力作用下的结构内力理论计算值，分析了两类材质应用于转向块的受力特性差异。

宋粉丽[19]以某体外预应力加固桥梁为例，对单块空心板的加固进行模拟，分析了空心板的承载能力，考虑的因素有转向块高度和锚固位置。

殷新锋等[20]应用ANSYS分析了横隔板式转向块的应力传递路径和受力特性，应力分布为预应力筋孔道上部受压和下部受拉，最大拉应力和最大压应力分别发生在孔道的下缘和上缘处。同时根据转向块的受力特性，提出了一些构造建议。

胡邦瑜等[21]以某节段拼装箱梁转向块为例，利用ANSYS仿真分析研究了肋式转向块的底块和肋板尺寸、孔道转角和半径等因素对转向块的性能影响。研究表明：肋式转向块增大底块截面，可以有效地减小底部拉应力集中问题；肋板厚度和底块纵向长度对孔道周围的应力状态影响较大，肋板宽度和转向块高度对改善转向块的受力状态没有明显效果；为减小孔道口的应力峰值，可以通过调整孔道转角实现。

李王辉等[22]以某桥梁加固工程为背景，利用ANSYS分析完成转向块B、D 区设计，综合弹性应力法等知识确定了D 区块对应的拉压杆模型，由平衡条件和相关结构设计规范确定了杆件的内力情况，并针对配筋设计进行验证，最后简要提出了设计建议。

毛铮等[23]结合工程加固实例，提出了一种钢结构转向体系，该转向体系具有较高的安全储备，且相比混凝土转向块能够大幅降低结构附加自重。

5 理论和试验结合方面

陈开利[24]论述了体外预应力混凝土桥梁转向块形式及优点，详细介绍了美国学者布里恩博士为弄清转向块的力学性能所做的试验、理论分析以及提出的建议设计方案和方案举例分析。

6 理论和数值分析结合方面

魏华，徐栋[25-26]运用ANSYS有限元分析，结合拉压杆模型方法，对转向结构的受力特性进行详细的分析和配筋计算。通过对不同类型结构传力路径及应力分布情况的分析，总结了结构的受力特点以及给出了计算方法和拉压杆配筋计算模型，并提出了相关的设计建议。

卢春玲等[27-29]利用ANSYS模型对体外预应力桥梁转向块进行了应力分析，对转向块的构造进行优化并给出设计构造建议。具体确定了转向块配筋设计的B区和D区，运用"弹性应力法"建立了转向块D区设计的拉压杆模型。对配筋后的转向块进行有限元分析，论证了进行转向块配筋设计时采用拉压杆模型法的合理性，最后给出了一些转向块的配筋设计建议。

7 试验和数值分析结合方面

王彤[30]对4个近足尺的转向块试件进行了试验研究和非线性有限元分析。

8 其他方面

肖锡康等[31]介绍了几种转向块类型的优缺点、转向块的设计原则、转向块的构造建议以及转向块的合理布置间距和位置等。

熊学玉等[32]总结了转向块的分类和转向块设计要点。

颜海等[33]详细地介绍了几种转向块形式的优缺点、转向块的设计原则、转向块的配筋以及导向管构造和转向块的布置位置等。

黄民元[34]对转向块的构造进行了介绍，同时针对转向块对体外预应力筋偏心距二次效应的作用以及转向块对结构承载能力的影响进行了相关研究。

闫云友等[35]以某桥转向块底部位置混凝土出现严重开裂为案例，分析了产生开裂的原因，并介绍了解决措施。

9 结语

通过对体外预应力混凝土桥梁转向块的研究进展进行分类总结可以看出：①大部分研究是基于某个工程本身的转向块进行研究分析，结合工程实例并拓展进行几类转向块的构造、配筋等系统的研究较少；②关于转向块的试验研究较少。③对钢结构转向块的研究较少。

因此，后续可考虑以下研究方向：①进行几类转向块受力性能的一系列影响因素的试验分析，可考虑配筋方式、转向构造、转向角度和转向半径等各种因素对转向块受力的影响；再根据试验结果，结合理论以及参数化的数值分析，提出转向块的计算方法以及构造和配筋设计建议，用于指导工程实践。②由于钢结构转向块相比混凝土转向块能够降低结构附加自重，可考虑进行钢结构转向块方面的理论、试验和数值分析研究，研究其构造和计算方法等，并提出设计建议。