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第二章 转向块和锚固块的构造和受力特点

2.1 概 述
体外预应力技术是将预应力钢束布置在梁体截面外部，通过端部锚具和转向块传递预加力，其特点是体外预应力筋只在锚固位置和转向块位置与结构相联，因此锚固与转向块在体外预应力结构中的地位举足轻重。
体外预应力桥梁中的体外预应力索的转向装置是一种特殊构造，它是除了锚固构造外体外预应力索在跨内唯一与预应力受力结构有联系的构件，是体外预应力桥梁中最重要最关键的结构构造之一。转向块材料多选用钢材和混凝土，转向块的作用是传递体外束产生的水平和垂直横向力，限制体外束自由长度，调整体外束偏心距。通过合理布置转向块调整体外预应力筋线形，可改变结构抗弯、抗剪性能，使之受力更好。转向块由于受巨大的横向集中力及与预应力筋的摩擦作用，应力复杂。一旦设计不合理、结构措施不当或体外预应力筋定位不准确，将使转向块受力不合理，并有可能引起预应力筋局部硬化或摩擦损失过大。欧洲混凝土委员会、国际预应力混凝土协会CEB—FIP标准对转向块与预应力钢筋接触区域引起的预应力筋弯折点转向角、最小曲率半径作了规定。体外力筋在箱梁中转向可利用特殊设计的隔梁、隔板、折角块，实腹梁一般要单独设计转向块。
体外预应力钢筋混凝土桥梁结构对锚具具有巨大的依赖性，钢索施加的预应力完全依靠锚固点锚具保持，同时体外预应力索要承受比体内预应力筋更不利的动载并由此产生疲劳问题，一旦锚具组件出现问题，其导致的后果是灾难性的，所以体外预应力锚具必须提供比一般体内预应力锚具高得多的可靠性和安全性，用于体外预应力桥梁结构体外索锚固的锚具组件及与钢索的适配性应该进行严格周密的计算和动、静载试验，以保安全。
2.2 转向块的构造和受力特点
2.2.1转向块的分类
以材料分类,转向装置可以分为钢制和混凝土制两种,或者由两种材料组合构成。钢制转向装置主要用于加固中和房屋建筑中。钢制转向装置见图2.1。混凝土转向装置主要用于新建桥梁中；从形式上分,新建桥梁工程中大都采用横隔板式、肋式和块式这三种形式的专向块。肋式转向块见图2.2；横隔板式转向块见图2.3；块式转向块见图2.4。

横隔板式、肋式转向块的优点：可以形成从转向管直到顶板或底板的抵抗力筋转向力的压力区,并可以利用横隔板或肋板与腹板及顶、底板的连接强度。缺点是：增加恒载重量，加大腹板平均厚度，使模板构造也较复杂[7]。如不能利用横向板或肋板转向则要采用块式转向块。
块式转向块的位置应设在底板或顶板与腹板交界的埂肋处或其附近。块式转向块是采用固定转向管并与梁体联成一体的凸块。优点是：给结构施加的附加荷载小，模板也很简单。缺点是：发生开裂后不能形成受压支柱，承载能力较横隔板式、肋式小。力筋的垂直分力或水平分力有使转向块从梁体拉脱的倾向，故转向块钢筋应与梁体钢筋进行牢固的联系。配筋与横隔板式、肋式相比要复杂得多。

图2.1 Kemlaka Gede Bridge, Indonesia桥钢转向块

图2.2日本河谷川大桥工程肋式转向块

图2.3上海沪闵高架道路二期工程横隔板式转向块

图2.4 北京四丰立交体外预应力
桥块式转向块
2.2.2转向块的受力特点
转向块中体外预应力筋的垂直分力或水平分力有使转向块从梁体拉脱的倾向，如图2.5所示，故转向块钢筋应与梁体钢筋进行牢固的连接。

图2.5 转向块受力分析图
2.2.3转向块的设计原则
在转向块与预应力筋的接触区域,由于摩擦和横向力的挤压作用,如果转向块设计不合理或构造措施不当,预应力钢材容易产生局部硬化和摩阻损失过大。
在进行转向块的设计时，转向装置必须能确保体外索的位置，并且有足够的强度可靠的传递作用力。弯曲半径是转向装置的一个重要参数，从钢绞线的受力状态而言越大越好，但如果弯曲半径设定过大，弯向部的构件尺寸就变大，从而使桥梁自重增加，因此在确保安全的情况下，转向装置的弯半径可以做小一些。
预应力筋在折角点的位置必须高度准确，避免产生附加应力，转向块在结构使用期内也不应对预应力钢材有任何损害。ＦＩＰ标准和欧洲体外预应力规范均对转向块内预埋管道所需的最小弯曲半径作了规定。
合理转向块的细节设计应保证在使用荷载条件下受力性能良好，在承载能力极限状态下有足够的延性和安全度。
设计荷载为体外预应力筋的最大张拉力与水平和竖直平面内的转角度数的乘积。
转向块的使用荷载设计系数最小取1.7，转向块内的普通钢筋应力必须控制在允许的范围内。
转向块的尺寸确定必须综合考虑各种因素，如体外预应力产生的横向荷载值，体外预应力筋的曲线，孔道管直径、普通钢筋间距及混凝土保护层等因素。
2.2.4转向块的配筋构造
转向块的配筋构造：转向块一般设有两种钢筋，一种是围住单根转向力筋的环筋，另一种是沿着转向块周边围住所有力筋的闭口箍筋。转向块的两种配筋方式如图2.6所示，受拉钢筋按能围住转向块中各个力筋孔道的原则配置，以形成环筋。同时，在底板上层钢筋下面必须与轴向钢筋锚固紧，此外，还必须配置能围住所有力筋的闭口箍筋。按与环筋相同直径、相同间距配置的闭口箍筋将得到很好的效果[7]。

图2.6 转向块的两种配筋方式
美国学者Breen等人通过10个块式转向块小比例模型试验得到得块式转向块实验研究结果与配筋建议：
1、试验结论
块式转向块的最终失效是由直接约束转向块内钢导管的环形钢筋屈服拉断所导致的，破坏时表现为预应力束上部混凝土压碎，钢筋被拉断，预应力束从混凝土转向块中拔出。
适量配筋的转向块在使用时能充分发挥机能，在极限状态下也有足 够的安全度。
适量配筋的转向块试件都具有一定的韧性，所以不至于发生突然破坏。特别是按可以抵抗拉拔力进行配筋的试件，其破坏机理是由于钢筋拉断引起的，所以可以得到良好的效果。
锚固性好的环氧树脂钢筋对极限荷载作用时转向块的性能带来了良好的效果。这是因为转向块内所有钢筋能完全抵抗外力，因此可以使环氧树脂钢筋在受拉钢筋被拉断之前有促进转向块内力重分配的效果。
最后破坏全部是由于受拉钢筋被拉断而引起的。破坏并非是达到临界后由于剪切而发生的。
试件的承载力可以通过简易模式或拉、压杆模式决定。与实验结果吻合性很好。
通过对为抵抗拉拔力而采用的两种类型钢筋(受拉钢筋和上层钢筋)的比较可知，作为抵抗转向力的钢筋，与上层钢筋相比，受拉钢筋的效果好些。
转向块设计用内力是由于力筋产生的最大转向力以及由受拉钢筋承担的力。
2、配筋建议
按使用荷载设计时，设计转向块用的力是每根力筋引起的转向力的竖直分力与水平分力的合力。竖直、水平分力为最大容许初始张拉力乘以力筋在铅直面、水平面的角度变化量。如果按AASHTO的规定，最大容许初始张拉力约为力筋张拉强度的80%。
关于极限状态设计，在AASHTO或ACI中对用于预应力的荷载系数没有明确的规定；破坏状态时，为保证与其它的荷载系数及抵抗系数组合后具有同等合理的安全度，预应力的荷载系数至少采用1.7。这时，可假定钢筋达到屈服点。受拉钢筋设计采用的折减系数，当作用力为拉力时取0.9；剪力计算折减系数取为0.85。

建议配筋可按转向块的拉力仅仅由受拉钢筋承受的原则进行，此外，转向块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计。
受拉钢筋按能围住转向块中各个力筋孔道的原则配置，已形成环筋。同时，在底板上层钢筋线面必须与轴向钢筋锚固紧，此外，还必须配置能围住所有力筋的闭口箍筋。腹板与底板连接后，在转向块的表面可起控制裂缝的作用（在转向块的承载力计算中可忽视），按与环筋相同直径、相同间距配置的闭口箍筋将给出令人满意的结果。
各环筋均采用荷载系数和折减系数设计，荷载系数和折减系数的大小按抵抗具有最大竖向分力的力筋转向力来决定，这样设计是较经济的。环筋和闭口箍筋的尺寸，由力筋孔道的曲率及外径、钢筋间距、锚固长度等决定。
环筋与管道最上缘间的最小间距大约为2.5cm，外侧闭口箍筋在竖直方向的间距至少离开环筋5cm，环筋的最大钢筋直径可弯成90度的圆弧形考虑，取最大为D16。
底板与管道的间距以考虑施工性的间距（2.5~5cm）为标准。另外，为了尽可能减小底板与腹板处的偏心弯矩，管道必须靠近腹板布置，转向块沿桥纵向的长度由钢筋间距、根数决定（考虑施工情况，钢筋间距可按10~15cm布置），还可以根据力筋管道的最小弯曲半径决定。
半径小的曲线梁，转向块处力筋水平转向力较大的时候或为提高抗裂性，如图2.7所示，沿底板全宽设置转向块。

图2.7沿底板全宽设置转向块图
2.3 锚固结构的构造和受力特点
2.3.1体外预应力锚固结构的功能和受力特点
在张拉过程中，外部荷载通过张拉端锚具、钢绞线、固定端锚具作用于锚下砼结构中。砼结构所承受的是内、外锚具传递过来的压应力,正是这种由钢绞线的拉应力压转换在锚固体上的预加应力，使预应力结构得以发挥增强抗拉强度和抗裂缝变形能力的作用。体外预应力结构在锚固区受到很大的局部压力，截面应力分布是不均匀的，这一区的混凝土处于三项受力状态，为了防止在施加张拉力的过程中，产生应力集中，造成锚固区拉裂破坏，锚固体系不仅要承担力的传递，还需将可能产生的集中应力分散传递到锚下砼结构中。其中，锚垫板的作用就是承担锚板压应力，并将应力分散传递到砼中；螺旋筋则起到约束锚固体变形和分担锚固体的形变应力的作用。两者共同满足锚垫板在最大压应力极限内，锚固体的主要受力区域的压力不超过其许可极限。锚具及锚具下部锚固体的应力分布是否相对均匀合理而不会产生较大的应力集中，成为衡量锚固体系各部分结构是否合理的检验标准。
相对于体内预应力锚固系统体外预应力锚固系统有以下特点：
①外预应力结构力筋完全依靠锚块处锚固一旦锚块出问题，将导致的后果将是灾难性的。
②体外预应力筋要承受比体内预应力筋更不利的的动载及由此产生的疲劳问题。所以体外预应力结构的锚块设计必须进行严格周密的计算。以保证体外预应力结构的安全和可靠。
③预应力体外索的锚固较一般体内预应力索困难体内索在锚固处预应力进入混凝土内，而体外索预应力与腹板平行，且产生很大的剪应力与正应力。体外索的拉力全部由锚具传递至箱梁混凝土，在锚固处的构造细节与钢筋布置应特加注意。因体外索需要更换,钢索张拉后，锚具后面不能用混凝土封闭。并留有空间能放置千斤顶及便于钢索切断操作，见图2.8。

图2.8 体内索与体内索锚固受力比较
2.3.2体外预应力的锚固方式分类
（1）全体体外预应力筋集中锚固；
（2）全体体外预应力筋分散锚固；
（3）混合预应力筋分散锚固。
2.3.3锚固结构的设计原则
（1）锚固结构应尽力使主梁受力明确；
（2）尽量减少体外预应力束预留构造对主梁削弱的影响；
（3）体外预应力结构在锚固区受到很大的局部压力，为了保证混凝土的强度需要在锚固点和附近的桥面板，底板、腹板应尽量加固。
（4）锚块的尺寸应由锚具的尺寸、锚具的布置、张拉的设备的尺寸和局部承压要求来决定，必要时应加大锚块的尺寸。
2.3.4锚固结构的配筋特点
由于预应力的作用，将在锚固区范围内产生附加横向力。因此，必须在锚固区内设置用以抵抗横向拉力的锚下钢筋，一般由螺旋筋、封闭箍筋或两者共同组成，使锚下钢筋与锚固区混凝土共同工作，承受劈裂应力和控制局部裂缝，以满足结构的使用要求。同时，在锚固区的锚具下应采用预埋钢垫板，并应设置间接钢筋和附加钢筋。
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