預(yù)制T梁翼緣板混凝土開(kāi)裂數(shù)值模擬分析

楊 松 鄭志東 鄔曉光

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

0 前言

預(yù)制T梁橋廣泛應(yīng)用于我國(guó)公路橋梁建設(shè)中，但在此種橋型的施工或使用過(guò)程中，不同部位出現(xiàn)了不同程度的損傷，開(kāi)裂等問(wèn)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(chē)輛的增多，許多已建成的T梁橋在設(shè)計(jì)年限內(nèi)就出現(xiàn)了翼緣板破損，梁端彎剪區(qū)開(kāi)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(jìn)入加固維修期。因此有必要對(duì)預(yù)制T梁橋開(kāi)裂破壞進(jìn)行分析研究，了解開(kāi)裂破壞的機(jī)理［3］。

以福建省某30 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋?yàn)槔琓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(fù)彎矩，混凝土抗拉性能非常差，易于受拉出現(xiàn)裂縫［4］。同時(shí)，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(duì)稱(chēng)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(shí)體有限元模型，針對(duì)其預(yù)應(yīng)力鋼束偏位對(duì)翼緣板應(yīng)力狀態(tài)的影響進(jìn)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(duì)性地進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工工藝的改進(jìn)［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?yàn)橐劳泄こ踢M(jìn)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(kāi)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(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.83 MPa，軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(duì)稱(chēng)，會(huì)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(jì)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(yuǎn)離主梁中心線)的橫向偏位為主，計(jì)算預(yù)應(yīng)力鋼束分別偏位及同時(shí)偏位時(shí)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(fù)彎矩鋼束錨固塊因受預(yù)應(yīng)力作用而在未達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)就因局部拉或壓應(yīng)力過(guò)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(biāo)準(zhǔn)圖

圖2 預(yù)應(yīng)力鋼束N2、N3平彎圖

圖3 T梁有限元實(shí)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(diǎn)所有自由度，對(duì)有限元模型僅施加自重、預(yù)應(yīng)力、二期恒載及公路-Ⅰ級(jí)荷載，計(jì)算結(jié)構(gòu)在各個(gè)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(jì)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(gè)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(shì)，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(gè)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(yǔ)

預(yù)應(yīng)力鋼束單獨(dú)偏位2，4，6 mm時(shí)，T梁翼緣板應(yīng)力總體上呈增加趨勢(shì)，但增加幅值較小，不足以導(dǎo)致混凝土應(yīng)力超限而開(kāi)裂，可忽略不計(jì)?？紤]最不利情況，當(dāng)N2、N3預(yù)應(yīng)力鋼束同時(shí)偏位時(shí)，翼緣板應(yīng)力增加較快，將會(huì)導(dǎo)致混凝土超過(guò)抗拉強(qiáng)度而開(kāi)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(duì)稱(chēng)，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(guò)程中定位預(yù)應(yīng)力鋼束需嚴(yán)格按照?qǐng)D紙?jiān)谝?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(guò)大造成翼緣板應(yīng)力增大并超出混凝土抗拉強(qiáng)度而使翼緣板混凝土開(kāi)裂。

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