预应力T梁工作性能及抗弯承载力分析

预应力T梁工作性能及抗弯承载力分析

崔士明

身份证号码：130123199601137513

摘要：近年来我国山区公路、桥梁得到了大力发展，因此预应力T梁在工程中得到了广泛应用。T梁存在的缺点为受力分析复杂、混凝土结构易出现开裂现象，最终导致整体结构的抗弯承载能力降低。因此本文通过试验和有限元模拟对T梁进行了以下内容分析：T梁工作时的挠度分析、T梁抗弯刚度分析、T梁裂缝分析。通过两种不同分析结果进行对比得到T梁的具体工作性能和抗弯能力。为T梁的应用和发展提供了理论支持。

关键词：T梁；抗弯承载能力；T梁裂缝；抗弯刚度；挠度分析

中图分类号：文献标志码：文章编号

0引言

构件工作前，混凝土内施加预应力的混凝土为预应力混凝土。预应力存在的主要作用为抵消部分荷载，使混凝土达到平衡状态。我国对预应力混凝土的研究起步较晚，最初预应力桥梁结构为简支梁，通过我国科研人员对桥梁的受力性能和受力特点进行分析研究，目前预应力技术得到了广泛应用[1]。本文主要研究方式为两种，一种为试验研究，一种为有限元分析，通过两种研究方法对T梁的力学性能进行比较分析，最终得到T梁的抗弯承载能力等各项性能指标。

1工程概况

本文依托某地区1600m特大桥进行分析研究，该桥梁宽度为24.5m，每跨常为30m，共计40跨，墩高为30m。

2静载试验分析

静载试验主要通过对T梁加荷，分析T梁在不同荷载阶段下的位移、应变、裂缝情况。然后综合分析T梁的抗弯承载能力[2]。

本文通过静载试验对桥梁进行挠度抗弯刚度以及裂缝等分析。试验选取中跨中梁，梁的计算跨径为28.8m。混凝土采用C50型号，纵筋为预应力钢绞线，钢绞线采用后张法进行张拉，张拉方式为两端张拉，控制方式为张拉力和伸长量。

2.1试验方案

（1）试验前准备

为保证跨中位置为纯弯段，试验中对T梁的加载方式为：两点对称加载。试验时采用千斤顶进行加载[3]。

（2）试验测点布置

通过理论力学对试验梁弯矩进行分析可知：该梁的跨中弯矩最大，因此应变片在跨中位置布置。为保证试验数据的准确性，跨中两侧0.9m位置布置四列应变片。试验过程中为验证弯剪区斜截面应力变化情况，在该位置布置三列应变片。

（3）水准仪布置

试验梁的跨中位置弯矩较大，产生的挠度也较大，因此试验采用水准仪对挠度进行测量。测点布置位置为：跨中位置、支座处。

（4）加载循环设定

通过《混凝土结构试验方法标准》(GB/T50152-2012)可知：试验梁加载前应进行预加载。该试验步骤的目的是：①充分了解试验步骤；②检查试验仪器的运行情况。试验加载方式及加载值如表1所示。

表1试验梁加载方式表

对试验梁进行加载时，每级加载、卸载后15min后对试验数据进行采集，并观察梁体的变化。当出现裂缝时，应用彩笔进行标记，同时标记对应的荷载。

2.2挠度分析

本文对试验梁段进行循环加载。循环加载停止条件：受压区混凝土破碎。最终得到荷载-挠度变化规律。

通过对试验数据分析可知：三次循环加载过程中，弹性阶段挠度变化基本相同，表明该阶段T梁存在较强的变形恢复能力。T梁加载过程中，第一拐点的荷载值约为512.45KN，此时受拉区混凝土出现开裂，T梁抗弯刚度下降。第二拐点为钢筋屈服点，对应荷载值约为904KN。此时预应力钢筋开始屈服。T梁极限承载能力对应荷载值为1082kN，此时T挠度发生突变，梁体发生破坏。

通过对受压区、受拉区混凝土的应变进行分析可知：应变图趋于三角形；当荷载增大至开裂荷载时，受拉区混凝土应变接近于曲线。该结果表明应变分析结果与理论分析相同，因此试验具有较高的准确性。

2.3抗弯刚度分析

T梁的抗弯刚度计算通过弯矩、挠度值进行计算，表达式如下所示：

Bs=αMl2/ωs

式中：Bs为抗弯刚度，单位为（N∙mm）；ωs为试验中的挠度值，单位为（mm）；M为试验中的弯矩，单位为（N∙mm）。将试验数据通过公式计算得到抗弯刚度的变化图如图1所示。

图1 抗弯刚度变化图

通过对图1进行分析可得：T梁最大抗弯刚度表现为弹性阶段。一定荷载范围内，刚度随荷载的增加而降低，但降低幅度较小，因此表明此时刚度损失较小。在弹塑性阶段T梁随荷载的增加，刚度降低幅值较大，该现象表明T梁的刚度损失较大。当T梁进入屈服阶段时，荷载-刚度曲线的曲率降低更快。刚度损失更多。通过数据变化曲线可知：T梁在加载时，刚度发生较大变化，变化率变化规律为先慢后快。

通过分析刚度计算公式可知：T梁的刚度对挠会产生直接影响，且二者成反比关系[3]。

2.4裂缝分析

通过试验观察可知，荷载增大到512.45kN时，T梁主裂缝出现在跨中位置，因此将该荷载值做为T梁的开裂荷载。当荷载增大时，主裂缝开始扩张，最终贯通梁体。

当荷载增大，T梁开始出现裂缝（裂缝位置为荷载作用点外的斜截面），此时混凝土失去承载能力。

当荷载达到904kN时，裂缝急剧增加，同时出现多条主裂缝。

当T梁受压区出现水平裂缝时，表明T梁内的预应力筋达到屈服状态。

荷载达到1082kN，T梁达到极限破坏状态。

3T梁模拟分析

3.1建立模型

本文利用ANSYS对T梁进行模型建立，模型中的混凝土结构与预应力钢筋通过单元约束连接。

3.2 挠度分析

通过有限元软件对T梁进行模拟分析，得到跨中荷载值、挠度值如下表所示。

表2 T梁挠度变化表

通过对表2进行数据分析可知：在有限元模型中，跨中挠度可分为弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段。弹性阶段时T梁未发生开裂，对应荷载与挠度之间存在较为显著的线性关系，此时T梁刚度未发生变化。在弹塑性阶段时，T梁的裂缝迅速发展，中性轴位置开始上移，表明T梁刚度开始降低。塑性阶段的T梁钢筋发生屈服，刚度迅速降低，挠度降低幅值较大。

3.3裂缝分析

有限元分析时，T梁在荷载作用下，跨中底部弯曲，且弯曲程度未对称分布。荷载达到514.23KN时，T梁发生开裂。荷载继续增加，垂直裂缝向上发展时产生新裂缝，同时T梁的中性轴向上移动，此时受拉区混凝土退出工作。当受拉区钢筋屈服后，受压区混凝土发生破碎。

4结果对比分析

4.1挠度分析

跨中挠度对比分析：根据试验实测数据与ANSYS计算所得数据进行开裂荷载、钢筋屈服荷载、极限荷载比较分析如表3所示。

表3数据对比表

通过对表3进行数据分析可知：通过两种方法对各个指标进行分析可知开裂荷载表现为实测值＜模拟值；极限荷载、屈服荷载模拟值＜实测值。通过对两种计算结果的比值分析可知模拟值与实测值的差值较小。该现象表明T梁进行模拟时的材料参数选取稍有偏差，但偏差值在可控范围内。同时页表明通过有限元对T梁进行模拟是有效可行的，同时也证实了该方法的准确性。

4.2抗弯承载力分析

以上两种方法得到的数据变化规律一致。该现象表明：T梁开裂前，抗弯性能较好，T梁开裂后，刚度逐渐降低。当达到极限荷载时，抗弯刚度迅速下降，这说明T梁此时发生破坏。

5结论

本文通过对T梁的性能指标和抗弯承载能力进行分析可知：

①本文通过对T梁进行试验分析和有限元分析得到两种方法的数据差值较小，说明利用有限元进行建模的方法的可行性和准确性。

②本文对T梁的抗弯刚度进行分析得到：两种方法下T梁抗弯刚度变化规律相同，开裂前抗弯承载能力较强；开裂后，抗弯性能随外荷载增大而减小；当外荷载达到极限值时，T梁发生破坏。

参考文献

[1]温燕伟.后张法预应力T梁施工工艺及质量控制[J].绿色环保建材，2021（12）：97-98.

[2]李功壮.宜遂高速公路40 m预应力T梁预制工艺[J].山东交通科技,2021(06):101-103.

[3]朱俊良,王鹏,陈斌.预应力T梁多裂缝特征参数演化规律模型试验研究[J].公路交通技术，2021，37（06）：66-72.