体外预应力加固锚固块及转向块受力分析

杨建兵 冯守金 杨 黎

（山东省滨州公路工程有限公司，山东 滨州 256600）

0 引言

河南S235 线坞罗大桥位于巩义市境内西村镇S235线与坞罗水库交汇处，跨越坞罗水库。该桥建于1993年，桥梁起止桩号为K93+815.450～K94+122.530，中心桩号为K93+969.000，跨径布置为6×50m，桥梁全长307.50m，桥面布置为：0.5m 护栏+14m 行车道+0.5m 护栏=15.0m。上部结构采用50m 预应力混凝土简支T 梁，桥面连续。翼缘板预制宽度2.47m，梁间距2.506m，翼板干接缝宽度0.036m，下缘马蹄自跨中渐变至梁端宽度0.50～0.72m，腹板自跨中渐变至梁端宽度0.18～0.40m，梁高度2.60m。横桥向由6 片T 梁组成，下部结构采用柱式墩台，钻孔灌注桩基础。该桥设计荷载为：汽-超20，挂车-120。2019 年检测发现，该桥上部结构T 梁腹板跨中位置处存在斜向裂缝，部分裂缝已延伸至马蹄部位，经分析判段，主要由于该桥T 梁抗弯承载能力不足导致，属于结构受力裂缝。为保证该桥结构安全，需要对该桥上部结构T 梁采取加固措施。

对病害成因进行分析后，决定采用体外预应力钢绞线加固措施，而锚固块及转向块是该加固方法的核心构件。在预应力张拉过程中，这两个构件的受力十分复杂。工程上出于质量和安全考虑，必须对其进行受力分析。

1 病害成因分析

通过对结构进行验算分析，T 梁跨中腹板出现斜向裂缝且裂缝已延伸至马蹄部位主要是由于主梁的抗弯承载能力不足导致，另外根据T 梁梁体本身结构的受力特点，截面面积较小，抗扭能力较弱。在超重车辆长期的轴载作用下，弯扭作用共同引起的应力值超过了混凝土的容许值，从而引起了跨中腹板的斜向裂缝，随着腹板的开裂，应力重新分配，导致已出现的裂缝继续发展至马蹄部位。另外，在该桥2013 年加固后，桥面铺装层加厚导致横载加大，桥面由双向2 车道变为双向4 车道，边梁的车辆荷载横向分布系数由之前的0.599 增大至0.698，中梁的车辆荷载横向分布系数由之前的0.503 增大为0.510。同时根据计算结果，2013年加固后中梁、边梁的跨中截面抗力值均小于荷载效应值，不能满足相关规范的要求。

2 维修加固目标及方法

针对该桥实际状况，首先保证维修处治机理明确、施工方便、经济合理；其次提高主要承重构件的承载能力（包括安全储备），抑制裂缝扩展，适度提高桥梁安全储备。

通过召开专家评审会，专家建议首先对桥梁原设计状态和现状承重能力进行验算。针对50m 长T 梁因承载能力不足而出现的跨中马蹄底部受力裂缝病害，采取主动加固措施进行加固，以提高50m 长T 梁的抗弯和抗剪承载能力，改善梁体的应力状况。根据桥梁现状、承载能力验算结果以及病害的严重程度，经过方案比选，推荐采用体外预应力钢绞线对T 梁进行加固。具体方案为腹板两侧各设置1 束体外预应力钢束，钢束采用环氧涂覆无粘结钢绞线成品索，每束为6 根15.2mm 钢绞线，锚下控制张拉应力=930MPa。体外预应力钢绞线材料参数见表1。

表1 体外预应力钢绞线材料参数

3 锚固块有限元仿真受力分析

3.1 锚固块应力及变形计算

该桥的锚固块为钢锚固块，锚固块钢板和钢管均采用Q345C 钢材，采用实体有限元分析软件MIDAS FEA3.60 对钢锚固块的受力进行计算分析。由于锚固块沿桥梁跨中对称布置，同时锚固块内部钢结构对称分布，锚固块主要承受体外预应力钢绞线的拉力，本次计算采用四面体实体单元建立计算模型，模型及荷载加载方式如图1、图2 所示。

图1 锚固块计算模型

图2 锚固块荷载加载示意

锚固块均为钢结构，因此需要利用等效应力屈服准则判定其应力是否满足要求，在考虑最大张拉控制应力930MPa 下的最大等效应力（Von mises 应力）及最大位移进行计算分析，计算结果如图3、图4 所示。

图3 锚固块等效应力云图

图4 锚固块变形云图

计算结果表明，锚固块的最大应力和最大位移分别为95.1MPa 和0.084mm，最大应力出现在传力钢板和锚垫板相接处。该桥锚固块的最大应力均小于Q345C 钢材的屈服强度355MPa，锚固块的强度满足设计要求，结构均处于弹性状态。

3.2 锚固区局部应力计算

采用实体有限元分析软件MIDAS FEA3.60 对T梁锚固区进行计算分析，选取第1 道横隔板与第3 道横隔板之间梁体，建立有限元实体模型，在锚固区梁体腹板表面加载体外预应力钢绞线的剪切应力，边界条件为梁端固接，模型及荷载的加载方式如图5 所示。

图5 T 梁局部锚固区计算模型及荷载加载示意

在考虑最大张拉控制应力930MPa 下，T 梁腹板剪切荷载根据应力面积等效加载值为0.248MPa，加载范围为加强钢板N10 表面（2600mm×1200mm），计算局部T梁的主拉应力结果如图6 所示。

图6 T 梁局部锚固区 主拉应力云图

空间计算模型结果表明，T 梁局部锚固区的最大主拉应力为1.84MPa。50m 长T 梁纵向单梁加固后的计算模型中，对应锚固区域最大应力为0.64MPa，如图7 所示。

图7 纵向模型T 梁锚固区主拉应力云图

因此，在考虑体外预应力对T 梁局部腹板锚固区域影响下，可按照应力叠加原理，综合主拉应力为1.84+0.64=2.48MPa＜2.70MPa，局部应力满足设计要求，结构处于安全状态。

3.3 锚固块抗剪承载力计算

新增锚固块采用对穿8.8 级普通M20 锚栓，共32 个，锚栓布置如图8 所示，锚固块主要承受体外预应力钢绞线的拉力。本次考虑50%锚栓参与受力，并考虑粘钢胶共同受力下，对锚固块进行抗剪承载力计算。

图8 锚固件基座钢板锚栓平面布置图

（1）根据《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）中第7.2.1 条，普通锚栓的抗剪承载力设计值按下式计算：

（2）根据《公路桥梁加固设计规范》（JTG/TJ22-2008）附录A,锚固用结构胶的抗剪强度设计值为4.25MPa，粘钢胶的抗剪承载力设计值如下：

锚固件受力小于锚栓及粘钢胶的抗剪承载力，满足要求，其中承载力提供情况为：锚栓占比为27%，粘钢胶占比73%。

4 转向块有限元仿真受力分析

该桥转向块采用钢结构，钢板采用Q345C 钢材，厚度为8mm，采用实体有限元分析软件MIDAS FEA3.60对钢转向块进行计算分析。转向块沿桥梁跨中对称布置，同时内部钢结构对称，转向块主要承受体外预应力钢绞线的径向力和水平力，本次计算选取一侧钢结构转向块，采用四面体实体单元建立计算模型，模型及荷载加载方式分别如图9、图10 所示。

图9 转向块计算模型

图10 转向块荷载加载示意

4.1 转向块应力及变形计算

体外预应力在钢绞线转向块弯起角度为5.3°，模型采取简化计算的思路，忽略内部转向器及环氧砂浆，荷载施加在N5 钢板内表面，竖向力、水平分力及摩阻力计算如下：

考虑体外预应力钢绞线张拉过程中，体外索回缩情况下，转向块最大水平向合力为=0.073+0.03=0.13MPa

将转向块水平向合力及竖向力施加在N5 钢板与环氧砂浆的交界面处，并考虑钢结构的自重，利用等效应力屈服准则，判定其应力是否满足要求，对考虑最大张拉控制应力930MPa 下的最大等效应力（Xon mises 应力）及最大位移进行计算分析，计算结果如图11、图12 所示。

图11 转向块等效应力云图

图12 转向块变形云图

计算结果表明，锚固块的最大应力和最大竖向位移分别为30.4MPa 和0.051mm，最大应力出现在N5钢板与N1 钢板相接处。该桥转向块最大应力均小于Q345C 钢材的屈服强度355MPa，转向块的强度满足规范要求，结构均处于弹性状态。

因转向块承受的最大水平向力传递到梁体的马蹄侧面应力为：0.1×140×700/700×750=0.01MPa，水平力较小，对梁体影响较小；同时竖向力对于跨中区域受力梁体有利，转向块处马蹄进行了增大截面处理，本次不再验算转向块处梁体的局部应力。

4.2 转向块抗剪承载力计算

新增转向块采用对穿8.8 级普通M20 锚栓，共4个，锚栓布置较少，本次计算中不考虑锚栓参与受力，仅考虑马蹄底面及侧面粘钢胶参与受力，竖向计算中，保守考虑不计入兜底钢板的作用，分别计算在预应力竖向分力及水平分力作用下，转向块的抗剪承载力。根据《公路桥梁加固设计规范》（JTG/T J22-2008）附录A，锚固用结构胶的抗剪强度设计值为4.25MPa，粘钢胶的抗剪承载力设计值如下：

（1）锚固件水平向受力=0.1×140×700×2/1000=19.6 kN＜（500+250×2）×700×4.25/1000=2975kN。

（2）锚固件竖向受力=0.73×140×700×2/1000=143.1kN＜（250×2）×700×4.25/1000=1487.5kN。锚固件受力小于粘钢胶的抗剪承载力，满足要求。

5 钢结构疲劳验算

参照《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）第5.5 节的规定，对锚固块、转向块中主要受力钢板和焊缝进行疲劳验算。验算中，疲劳荷载采用计算模型，并考虑多车道的影响，选取疲劳荷载横向分布系数最大的边梁作为梁体对象。锚固块和转向块疲劳验算的钢板和焊缝选取及编号见图13。锚固块、转向块主要受力构件疲劳验算结果如表1、表2 所示。

图13 钢板和焊缝编号

表1 锚固块及转向块主要受力构件正应力幅验算

表2 锚固块及转向块主要受力构件剪应力幅验算

从表1、表2 可见，锚固块和转向块的主要受力构件在疲劳荷载作用下，其正应力幅和剪应力幅均小于疲劳强度，故锚固块和转向块的抗疲劳性能满足规范的要求。

6 结束语

针对预应力混凝土50m 长T 梁桥体外预应力钢绞线加固锚固块及转向块受力问题，通过采用数值模拟方式，对锚固块、转向块的应力、变形、抗剪承载力及T 梁锚固区局部应力进行了计算，得出以下结论：

（1）锚固块及转向块的最大应力和最大位移，均小于Q345C 钢材的屈服强度，锚固块及转向块的强度满足设计要求，结构均处于弹性受力状态。

（2）在考虑体外预应力钢绞线对T 梁局部腹板锚固区域影响下，局部应力满足设计要求，结构处于安全状态。

（3）在考虑50%锚栓及粘钢胶共同参与受力情况下，锚固块的抗剪承载力满足设计要求。

（4）锚固块和转向块的主要受力构件在疲劳荷载作用下，其正应力幅和剪应力幅均小于疲劳强度，抗疲劳性能满足规范的要求。