预制T梁翼缘板混凝土开裂数值模拟分析

杨 松 郑志东 邬晓光

(1.长安大学公路学院，西安 710064;2.福建沈海高速公路有限责任公司，福州 350000)

0 前言

预制T梁桥广泛应用于我国公路桥梁建设中，但在此种桥型的施工或使用过程中，不同部位出现了不同程度的损伤，开裂等问题，直接影响到桥梁的使用性能、耐久性及使用寿命［1～2］。另外，随着交通量的不断增加和超载车辆的增多，许多已建成的T梁桥在设计年限内就出现了翼缘板破损，梁端弯剪区开裂，腹板出现斜裂缝等病害，大大降低了桥梁的承载能力，使得桥梁提早进入加固维修期。因此有必要对预制T梁桥开裂破坏进行分析研究，了解开裂破坏的机理［3］。

以福建省某30 m预应力混凝土T梁桥为例，T梁的翼缘板裂缝集中在从支座至四分之一跨径范围内出现，这主要是由于这一区段内翼缘板承受负弯矩，混凝土抗拉性能非常差，易于受拉出现裂缝［4］。同时，根据T梁预应力钢束布置图，N2、N3预应力钢束横向上为非对称布置，这就造成横向受力不均衡，出现翼缘板产生翘曲现象。现采用ANSYS分析软件，建立三维弹塑性实体有限元模型，针对其预应力钢束偏位对翼缘板应力状态的影响进行数值模拟分析，获取不同工况下T梁翼缘板的变形、应力、裂缝等结构响应的发展规律，以便有针对性地进行设计和施工工艺的改进［5］。

1 有限元模型的建立

1.1 材料性能及几何尺寸

本文以福建某30 m跨径T梁桥为依托工程进行建模分析，主梁立面图及主要截面如图1所示。主梁采用C50混凝土，混凝土弹模为3.145E4 MPa，泊松比为0.2，密度为2 500 kg/m3，裂缝张开传递系数为0.5，裂缝闭合传递系数为0.9，轴心抗拉强度设计值为1.83 MPa，轴心抗压强度设计值为32.4 MPa。预应力钢束弹模为1.95E5 MPa，泊松比为0.3，密度为7 920 kg/m3，抗拉强度标准值为1 860 MPa，张拉控制应力为1 395 MPa。预应力钢束 N1、N2、N3 规格分别为 Φs15.2-8、Φs15.2-9、Φs15.2-9，梁端负弯矩钢束规格为Φs15.2-5(4束)。

预应力钢束平弯如图2所示，N2、N3预应力钢束从梁端向跨中方向逐渐偏离主梁中心线150 mm，且两根钢束位置不对称，会导致主梁横向上受力不平衡产生侧弯现象。需选择预应力钢束偏位最不利的位置作为本文有限元模型计算工况，所以预应力钢束偏位考虑以N2跨中直线段内偏(靠近主梁中心线)、N3跨中直线段外偏(远离主梁中心线)的横向偏位为主，计算预应力钢束分别偏位及同时偏位时预制T梁翼缘板主应力值。

1.2 有限元分析模型

混凝土采用solid65单元模拟［6］。为了避免梁端及顶板负弯矩钢束锚固块因受预应力作用而在未达到极限状态时就因局部拉或压应力过大而发生破坏，故在本模型中将锚下垫板设置成弹性垫块，采用solid45单元模拟，划分单元后梁体的有限元模型如图3所示。预应力钢束采用link8单元模拟，预应力荷载采用初应变方法施加，初应变值为7.13E-4，划分完单元后预应力钢束的有限元模型如图4所示［7］。

图1 30 m预制T梁桥标准图

图2 预应力钢束N2、N3平弯图

图3 T梁有限元实体单元模型

1.3 边界条件及荷载工况

有限元模型的边界条件取约束主梁梁端处节点所有自由度，对有限元模型仅施加自重、预应力、二期恒载及公路-Ⅰ级荷载，计算结构在各个荷载工况下(表1)的T梁翼缘板主应力值。

图4 预应力钢束有限元模型

2 计算结果

T梁翼缘板第一主应力S1和第三主应力S3、位移最大值如表2所示。各工况下翼缘板三个方向Ux、Uy、Uz的位移值变化均不大。工况Ⅱ — 工况Ⅶ的应力S1、S3较工况Ⅰ有逐渐增加的趋势，但是增量非常小，而工况Ⅷ — 工况Ⅺ的S1、S3应力值较前7个工况明显增大且增量较大。

表1 荷载工况

表2 T梁翼缘板应力、位移

3 结语

预应力钢束单独偏位2，4，6 mm时，T梁翼缘板应力总体上呈增加趋势，但增加幅值较小，不足以导致混凝土应力超限而开裂，可忽略不计。考虑最不利情况，当N2、N3预应力钢束同时偏位时，翼缘板应力增加较快，将会导致混凝土超过抗拉强度而开裂。

经分析，导致这种情况的原因是N2、N3钢束平弯设置不对称，横向上梁体受力不均衡，预应力钢束偏位又加剧了横向受力不均衡，翼缘板横向受弯产生翘曲现象，应力增大。因此，施工过程中定位预应力钢束需严格按照图纸在规范允许的误差范围内，以免出现预应力钢束横向偏位过大造成翼缘板应力增大并超出混凝土抗拉强度而使翼缘板混凝土开裂。

［1］刘富成，朱小京，关爱军，等.预制T梁混凝土的质量通病及防治技术［J］.交通科技，2013(4):29-32.

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