预应力T梁工作性能及抗弯承载力分析

(整期优先)网络出版时间:2023-05-27
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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

加载方式

加载值(kN)

自重

0

预加载

0-100-200-300-0

第一次加载循环

0-300(荷载增量100),300-开裂(荷载增量20)

第二次加载循环

0-开裂荷载-0

第三次加载循环

0-500(荷载增量100);500-800(荷载增量50)800-钢筋屈服(荷载增量20)

钢筋屈服-受压区混凝土破碎

钢筋屈服-T梁破坏(荷载增量20)

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=αMl2s

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

荷载(kN)

挠度(mm)

荷载(kN)

挠度(mm)

荷载(kN)

挠度(mm)

荷载(kN)

挠度(mm)

0

0

350

13.245

650

39.194

950

70.741

50

2.102

400

14.874

700

48.541

1000

75.156

100

3.105

450

18.301

750

55.789

1034.26

97.899

150

5.511

500

21.121

800

64.165

1050

214.111

200

6.321

525.10

24.182

840.65

70.198

250

9.236

550

27.325

850

75.499

300

11.213

600

31.910

900

99.551

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

指标

开裂荷载(KN)

挠度(mm)

屈服荷载(kN)

挠度(mm)

破坏荷载(kN)

挠度(mm)

实测值

502.56

22.12

912

73

1089

206.73

计算值

514.19

24.21

854.98

70.89

1034.14

191.89

实测值/计算值

0.977

0.914

1.067

1.030

1.053

1.077

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.