楊 松 鄭志東 鄔曉光

(1.長安大學(xué)公路學(xué)院，西安 710064;2.福建沈海高速公路有限責任公司，福州 350000)

0 前言

預(yù)制T梁橋廣泛應(yīng)用于我國公路橋梁建設(shè)中，但在此種橋型的施工或使用過程中，不同部位出現(xiàn)了不同程度的損傷，開裂等問題，直接影響到橋梁的使用性能、耐久性及使用壽命［1～2］。另外，隨著交通量的不斷增加和超載車輛的增多，許多已建成的T梁橋在設(shè)計年限內(nèi)就出現(xiàn)了翼緣板破損，梁端彎剪區(qū)開裂，腹板出現(xiàn)斜裂縫等病害，大大降低了橋梁的承載能力，使得橋梁提早進入加固維修期。因此有必要對預(yù)制T梁橋開裂破壞進行分析研究，了解開裂破壞的機理［3］。

以福建省某30 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋為例，T梁的翼緣板裂縫集中在從支座至四分之一跨徑范圍內(nèi)出現(xiàn)，這主要是由于這一區(qū)段內(nèi)翼緣板承受負彎矩，混凝土抗拉性能非常差，易于受拉出現(xiàn)裂縫［4］。同時，根據(jù)T梁預(yù)應(yīng)力鋼束布置圖，N2、N3預(yù)應(yīng)力鋼束橫向上為非對稱布置，這就造成橫向受力不均衡，出現(xiàn)翼緣板產(chǎn)生翹曲現(xiàn)象?，F(xiàn)采用ANSYS分析軟件，建立三維彈塑性實體有限元模型，針對其預(yù)應(yīng)力鋼束偏位對翼緣板應(yīng)力狀態(tài)的影響進行數(shù)值模擬分析，獲取不同工況下T梁翼緣板的變形、應(yīng)力、裂縫等結(jié)構(gòu)響應(yīng)的發(fā)展規(guī)律，以便有針對性地進行設(shè)計和施工工藝的改進［5］。

1 有限元模型的建立

1.1 材料性能及幾何尺寸

本文以福建某30 m跨徑T梁橋為依托工程進行建模分析，主梁立面圖及主要截面如圖1所示。主梁采用C50混凝土，混凝土彈模為3.145E4 MPa，泊松比為0.2，密度為2 500 kg/m3，裂縫張開傳遞系數(shù)為0.5，裂縫閉合傳遞系數(shù)為0.9，軸心抗拉強度設(shè)計值為1.83 MPa，軸心抗壓強度設(shè)計值為32.4 MPa。預(yù)應(yīng)力鋼束彈模為1.95E5 MPa，泊松比為0.3，密度為7 920 kg/m3，抗拉強度標準值為1 860 MPa，張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa。預(yù)應(yīng)力鋼束 N1、N2、N3 規(guī)格分別為 Φs15.2-8、Φs15.2-9、Φs15.2-9，梁端負彎矩鋼束規(guī)格為Φs15.2-5(4束)。

預(yù)應(yīng)力鋼束平彎如圖2所示，N2、N3預(yù)應(yīng)力鋼束從梁端向跨中方向逐漸偏離主梁中心線150 mm，且兩根鋼束位置不對稱，會導(dǎo)致主梁橫向上受力不平衡產(chǎn)生側(cè)彎現(xiàn)象。需選擇預(yù)應(yīng)力鋼束偏位最不利的位置作為本文有限元模型計算工況，所以預(yù)應(yīng)力鋼束偏位考慮以N2跨中直線段內(nèi)偏(靠近主梁中心線)、N3跨中直線段外偏(遠離主梁中心線)的橫向偏位為主，計算預(yù)應(yīng)力鋼束分別偏位及同時偏位時預(yù)制T梁翼緣板主應(yīng)力值。

1.2 有限元分析模型

混凝土采用solid65單元模擬［6］。為了避免梁端及頂板負彎矩鋼束錨固塊因受預(yù)應(yīng)力作用而在未達到極限狀態(tài)時就因局部拉或壓應(yīng)力過大而發(fā)生破壞，故在本模型中將錨下墊板設(shè)置成彈性墊塊，采用solid45單元模擬，劃分單元后梁體的有限元模型如圖3所示。預(yù)應(yīng)力鋼束采用link8單元模擬，預(yù)應(yīng)力荷載采用初應(yīng)變方法施加，初應(yīng)變值為7.13E-4，劃分完單元后預(yù)應(yīng)力鋼束的有限元模型如圖4所示［7］。

圖1 30 m預(yù)制T梁橋標準圖

圖2 預(yù)應(yīng)力鋼束N2、N3平彎圖

圖3 T梁有限元實體單元模型

1.3 邊界條件及荷載工況

有限元模型的邊界條件取約束主梁梁端處節(jié)點所有自由度，對有限元模型僅施加自重、預(yù)應(yīng)力、二期恒載及公路-Ⅰ級荷載，計算結(jié)構(gòu)在各個荷載工況下(表1)的T梁翼緣板主應(yīng)力值。

圖4 預(yù)應(yīng)力鋼束有限元模型

2 計算結(jié)果

T梁翼緣板第一主應(yīng)力S1和第三主應(yīng)力S3、位移最大值如表2所示。各工況下翼緣板三個方向Ux、Uy、Uz的位移值變化均不大。工況Ⅱ — 工況Ⅶ的應(yīng)力S1、S3較工況Ⅰ有逐漸增加的趨勢，但是增量非常小，而工況Ⅷ — 工況Ⅺ的S1、S3應(yīng)力值較前7個工況明顯增大且增量較大。

表1 荷載工況

表2 T梁翼緣板應(yīng)力、位移

3 結(jié)語

預(yù)應(yīng)力鋼束單獨偏位2，4，6 mm時，T梁翼緣板應(yīng)力總體上呈增加趨勢，但增加幅值較小，不足以導(dǎo)致混凝土應(yīng)力超限而開裂，可忽略不計。考慮最不利情況，當N2、N3預(yù)應(yīng)力鋼束同時偏位時，翼緣板應(yīng)力增加較快，將會導(dǎo)致混凝土超過抗拉強度而開裂。

經(jīng)分析，導(dǎo)致這種情況的原因是N2、N3鋼束平彎設(shè)置不對稱，橫向上梁體受力不均衡，預(yù)應(yīng)力鋼束偏位又加劇了橫向受力不均衡，翼緣板橫向受彎產(chǎn)生翹曲現(xiàn)象，應(yīng)力增大。因此，施工過程中定位預(yù)應(yīng)力鋼束需嚴格按照圖紙在規(guī)范允許的誤差范圍內(nèi)，以免出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力鋼束橫向偏位過大造成翼緣板應(yīng)力增大并超出混凝土抗拉強度而使翼緣板混凝土開裂。

［1］劉富成，朱小京，關(guān)愛軍，等.預(yù)制T梁混凝土的質(zhì)量通病及防治技術(shù)［J］.交通科技，2013(4):29-32.

［2］鄭升寶，曹正洲，譚科.預(yù)應(yīng)力混凝土T梁裂縫的分析［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2009，28(4):658-659.

［3］王萍，柯在田.公路預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁裂縫分析［J］.公路，2005(6):14-17.

［4］張宏，趙淑銘.對50 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁開裂破壞的仿真分析［J］.公路，2009(6):85-88.

［5］張曉慶.混凝土開裂的面向?qū)ο笥邢拊獙崿F(xiàn)［D］.重慶:重慶交通大學(xué)，2012.

［6］張正海，董羽蕙.裂縫模型及其在ANSYS中的模擬［J］.山西建筑，2006，31(24):49-50.

［7］王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析［M］.北京:人民交通出版社，2007:102-103