基于数值模拟研究预应力T 梁桥上拱度的影响因素

江耀坤

（江西省赣北航道事务中心,江西 九江 332000）

0 引言

我国领土幅员辽阔，东西和南北跨越都相对较长，地形地质复杂多变，水系众多，随着经济的发展，更多的公路工程开工建设。跨越山谷、江河的首要方案为建设相应的桥梁，特别是偏远山区的发展往往依靠公路桥梁来加强和外界的经济联系。桥梁具有结构简单、施工工艺快捷等特点，经常被运用到公路工程建设中。在偏远山区，为了节省工程成本、缩短工期，桥梁通常被选作为山区公路桥梁的结构形式。在这种结构形式中，预应力混凝土T 梁独具特色，在我国几十年的公路桥梁建设工程中被广泛运用，同时它也具有一些缺点，比如施工控制偏差、混凝土收缩徐变、环境相对湿度、存梁时间差别等因素的影响[1-3]，很容易导致最终T 梁上拱度的尺寸难以准确控制，如果T 梁上拱度较大，往后的工序和桥梁结构的稳定性都会直接受影响。一般情况下，施工单位对T 梁上拱度的影响因素缺乏科学认识，对于施工过程中上拱度的监测也缺乏先进的科技手段，造成即使遇到上拱度偏差很大的情况也没办法采取科学有效的控制，造成T 梁安装后桥面铺装厚度不够，降低耐久性，但是为了确保桥面铺装达到最低的厚度标准，只能花费更多成本，重新调整抬高桥面整体标高和相关路线的纵坡度，才能最终使路面平整，不再出现跳车现象[4-7]，所以对于混凝土预应力T 梁桥建设设计非常有意义。

该文在参考现有研究的基础上[8-12]，运用理论知识借助有限元软件建立对应模型进行模拟分析环境平均相对湿度、存梁时间长短、混凝土弹性模量、预应力荷载加载时间偏差对上拱度的影响，希望能够对相关工程提供参考价值。

1 工况概况

该公路桥梁位于江西省北部，相对湿度较高，夏季降水丰沛，线路跨越溪河，处于侵蚀丘陵盆地和冲击平原地带，桥涵设计汽车荷载等级为公路－Ⅰ级，全桥长482.36 m，路基宽度28 m，桥面铺装厚度为0.1 m，双向六车道，桥跨布置为（2×40+4×50+4×50）m，全桥共38根立柱，第一联为2 跨40 mT 梁，第二联和第三联都是4 跨50 mT 梁，采用氟板支座连接伸缩缝的墩和梁板，其他梁板和墩之间的连接都是刚构连接。

2 数值模拟

T 梁张拉到桥面正式施工到完毕这段工期内，由于T 梁受其他因素影响，导致上拱度尺寸会发生较大变化，每种影响因素对上拱度的影响各不相同，该文借助有限元软件Midas Civil 对影响因素进行模拟分析。

2.1 分析环境平均相对湿度的影响

通常情况下，混凝土构件在相对湿度比较高的环境中，由于水分蒸发得较慢，对应的混凝土产生的收缩徐变也比较慢；但是在相对湿度较低的环境中，混凝土构件中的水分蒸发得较快，这就导致混凝土的收缩徐变发生得较快[13]。各个地区因为不同季节时期的湿度是不同的，取秋冬季的相对湿度为50%，春夏季的相对湿度为95%，同时以此地区年平均湿度80%情况下，T 梁上拱度变化的情况来作为参考，以此来分析360 d 存梁期的上拱度，分别计算相对湿度为95%和50%情况下边跨边梁的变化情况，收集试验数据，最终整理结果见图1。

图1 T 梁跨中上拱度对比

从图1 分析可以得到，T 梁上拱度受存梁期间环境相对湿度的影响还是较明显的，不同相对湿度下的T 梁上拱度随着存梁试件的增加呈现非线性变化。以80%环境平均湿度作为参考，平均湿度为95%时，前期上拱度增加得较缓慢，后阶段上拱度增加的速度逐渐变快，总体上拱度值都比较小；平均湿度为50%时，前阶段上拱度增加的速度较快，后阶段上拱度增加的速度较慢，总体上拱度值比较大；通常情况下，具体的施工过程中，张拉后存梁试件不超过90 d，当张拉后存梁时间为90 d时，中跨中梁和边跨边梁在80%平均相对湿度情况下的T 梁上拱度都比95%平均相对湿度的大，比50%平均相对湿度的小。

2.2 分析存梁时间长短的影响

T 梁在存梁整个阶段过程中都受到预应力荷载的作用，在徐变和收缩的作用下，上拱度将发生变化，借助有限元软件Midas Civil 进行模拟分析，收集试验数据，结果数据整理见图2。

图2 T 梁张拉后存梁360 d 跨中上拱度增长量对比

从图2选取上拱度变化量最小的边跨边梁进行分析，在张拉~30 d 期间，边跨边梁上拱度增长了5.85 mm，在31~60 d 期间，边跨边梁上拱度增长了5.85 mm，在61~90 d 期间，边跨边梁上拱度增长了1.0 mm，从张拉~360 d 期间，前30 d 的上拱度变化增长梁占据了整个过程的55%，总体可以认为，上拱度增长量主要发生在前30 d 时间内，随着时间的增加，上拱度的增长量逐渐减小，最后趋于0。如果存梁的试件超过半年甚至一年，此时上拱度对应的数值和30 d 架梁时上拱度的差别较大，对T梁顶面的整体标高有显著的影响。

2.3 分析混凝土弹性模量对T 梁上拱度的影响

在有限元软件Midas Civil 中，混凝土各种参数标注参考C50 等级混凝土，试验中为了更加科学严谨，设置60 MPa 和50 MPa 两种混凝土弹性模量，分别对中跨中梁和边跨边梁的上拱度进行从张拉后到存梁360 d 期间内的模拟分析，收集试验数据，结果数据整理见图3。

图3 梁跨中上拱度对比

分析图3 可知，从边跨边梁角度分析，弹性模量为50 MPa 对应的上拱度变数值比弹性模量为60 MPa 的大，从中跨中梁角度分析，弹性模量为50 MPa 对应的上拱度变数值比弹性模量为60 MPa 的大，总体上60 MPa 和50 MPa两种混凝土弹性模量对上拱度的影响都比较小，参考实际工程，60 MPa 混凝土对上拱度影响的情况更加符合实际情况。

2.4 分析预应力荷载加载时间偏差的影响

因为在混凝土初凝之后，弹性模量就在不断增加，因为工程量比较巨大，张拉时间龄期存在时间差，间接造成张拉时实际的混凝土强度不一样，最终导致T 梁上拱度变化不一致，该章节以抗压强度均值为60 MPa 龄期为28 d 的混凝土基础上，分别按照张拉龄期为5 d、7 d和15 d 来进行模拟分析，同时对比分析中跨中梁和边跨边梁上拱度的变化情况，具体试验结果见图4。

图4 不同张拉时期T 梁跨中上拱度对比图

从图4 分析可知，以7 d 时对应的张拉跨中拱度进行参照对比，边梁和中梁的张拉时龄期越长，T 梁跨中拱度越小，在实际工程中应当予以重视。

总之，T 梁上拱度受存梁期间环境相对湿度的影响还是较明显的，不同相对湿度下的T 梁上拱度随着存梁试件的增加呈现出非线性的变化；张拉后存梁试件不超过90 d，当张拉后存梁时间为90 d 时，中跨中梁和边跨边梁在80%平均相对湿度情况下的T 梁上拱度都比95%平均相对湿度的大，比50%平均相对湿度的小；上拱度增长量主要发生在前30 d 时间内，随着时间的增加，上拱度的增长量逐渐减少，最后趋于0；如果存梁的试件超过半年甚至一年，此时上拱度对应的数值和30 d 架梁时上拱度的差别较大，对T 梁顶面的整体标高有显著的影响；60 MPa 和50 MPa 两种混凝土弹性模量对上拱度的影响都比较小，参考实际工程，60 MPa 混凝土对上拱度影响的情况更加符合实际情况；边梁和中梁张拉时龄期越长，T 梁跨中拱度越小[14]。

3 结论

通过运用理论知识借助有限元软件建立对应模型进行模拟分析，讨论环境平均相对湿度、存梁时间长短、混凝土弹性模量及预应力荷载加载时间偏差上拱度的影响，研究结果表明：T 梁上拱度受存梁期间环境相对湿度的影响明显，不同相对湿度下的T 梁上拱度随着存梁试件的增加呈现非线性变化；当存梁的试件超过半年甚至一年，此时上拱度对应的数值和30 d 架梁时上拱度的差别较大，对T 梁顶面的整体标高有显著的影响；混凝土弹性模量对上拱度的影响较小，其中当混凝土的弹性模量为60 MPa 时对上拱度影响的情况更加符合实际情况；在张拉后存梁时，上拱度值还受张拉龄期的影响，特别是边跨边梁的上拱度偏差值较大，中跨中梁和边跨边梁对应的上拱度曲线斜率几乎一样，总体上认为，张拉时龄期越短，T 梁跨中拱度越大。