基于數(shù)值模擬研究預(yù)應(yīng)力T 梁橋上拱度的影響因素

江耀坤

（江西省贛北航道事務(wù)中心,江西 九江 332000）

0 引言

我國領(lǐng)土幅員遼闊，東西和南北跨越都相對(duì)較長，地形地質(zhì)復(fù)雜多變，水系眾多，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，更多的公路工程開工建設(shè)?？缭缴焦取⒔拥氖滓桨笧榻ㄔO(shè)相應(yīng)的橋梁，特別是偏遠(yuǎn)山區(qū)的發(fā)展往往依靠公路橋梁來加強(qiáng)和外界的經(jīng)濟(jì)聯(lián)系。橋梁具有結(jié)構(gòu)簡單、施工工藝快捷等特點(diǎn)，經(jīng)常被運(yùn)用到公路工程建設(shè)中。在偏遠(yuǎn)山區(qū)，為了節(jié)省工程成本、縮短工期，橋梁通常被選作為山區(qū)公路橋梁的結(jié)構(gòu)形式。在這種結(jié)構(gòu)形式中，預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁獨(dú)具特色，在我國幾十年的公路橋梁建設(shè)工程中被廣泛運(yùn)用，同時(shí)它也具有一些缺點(diǎn)，比如施工控制偏差、混凝土收縮徐變、環(huán)境相對(duì)濕度、存梁時(shí)間差別等因素的影響[1-3]，很容易導(dǎo)致最終T 梁上拱度的尺寸難以準(zhǔn)確控制，如果T 梁上拱度較大，往后的工序和橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性都會(huì)直接受影響。一般情況下，施工單位對(duì)T 梁上拱度的影響因素缺乏科學(xué)認(rèn)識(shí)，對(duì)于施工過程中上拱度的監(jiān)測也缺乏先進(jìn)的科技手段，造成即使遇到上拱度偏差很大的情況也沒辦法采取科學(xué)有效的控制，造成T 梁安裝后橋面鋪裝厚度不夠，降低耐久性，但是為了確保橋面鋪裝達(dá)到最低的厚度標(biāo)準(zhǔn)，只能花費(fèi)更多成本，重新調(diào)整抬高橋面整體標(biāo)高和相關(guān)路線的縱坡度，才能最終使路面平整，不再出現(xiàn)跳車現(xiàn)象[4-7]，所以對(duì)于混凝土預(yù)應(yīng)力T 梁橋建設(shè)設(shè)計(jì)非常有意義。

該文在參考現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上[8-12]，運(yùn)用理論知識(shí)借助有限元軟件建立對(duì)應(yīng)模型進(jìn)行模擬分析環(huán)境平均相對(duì)濕度、存梁時(shí)間長短、混凝土彈性模量、預(yù)應(yīng)力荷載加載時(shí)間偏差對(duì)上拱度的影響，希望能夠?qū)ο嚓P(guān)工程提供參考價(jià)值。

1 工況概況

該公路橋梁位于江西省北部，相對(duì)濕度較高，夏季降水豐沛，線路跨越溪河，處于侵蝕丘陵盆地和沖擊平原地帶，橋涵設(shè)計(jì)汽車荷載等級(jí)為公路－Ⅰ級(jí)，全橋長482.36 m，路基寬度28 m，橋面鋪裝厚度為0.1 m，雙向六車道，橋跨布置為（2×40+4×50+4×50）m，全橋共38根立柱，第一聯(lián)為2 跨40 mT 梁，第二聯(lián)和第三聯(lián)都是4 跨50 mT 梁，采用氟板支座連接伸縮縫的墩和梁板，其他梁板和墩之間的連接都是剛構(gòu)連接。

2 數(shù)值模擬

T 梁張拉到橋面正式施工到完畢這段工期內(nèi)，由于T 梁受其他因素影響，導(dǎo)致上拱度尺寸會(huì)發(fā)生較大變化，每種影響因素對(duì)上拱度的影響各不相同，該文借助有限元軟件Midas Civil 對(duì)影響因素進(jìn)行模擬分析。

2.1 分析環(huán)境平均相對(duì)濕度的影響

通常情況下，混凝土構(gòu)件在相對(duì)濕度比較高的環(huán)境中，由于水分蒸發(fā)得較慢，對(duì)應(yīng)的混凝土產(chǎn)生的收縮徐變也比較慢；但是在相對(duì)濕度較低的環(huán)境中，混凝土構(gòu)件中的水分蒸發(fā)得較快，這就導(dǎo)致混凝土的收縮徐變發(fā)生得較快[13]。各個(gè)地區(qū)因?yàn)椴煌竟?jié)時(shí)期的濕度是不同的，取秋冬季的相對(duì)濕度為50%，春夏季的相對(duì)濕度為95%，同時(shí)以此地區(qū)年平均濕度80%情況下，T 梁上拱度變化的情況來作為參考，以此來分析360 d 存梁期的上拱度，分別計(jì)算相對(duì)濕度為95%和50%情況下邊跨邊梁的變化情況，收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終整理結(jié)果見圖1。

圖1 T 梁跨中上拱度對(duì)比

從圖1 分析可以得到，T 梁上拱度受存梁期間環(huán)境相對(duì)濕度的影響還是較明顯的，不同相對(duì)濕度下的T 梁上拱度隨著存梁試件的增加呈現(xiàn)非線性變化。以80%環(huán)境平均濕度作為參考，平均濕度為95%時(shí)，前期上拱度增加得較緩慢，后階段上拱度增加的速度逐漸變快，總體上拱度值都比較?。黄骄鶟穸葹?0%時(shí)，前階段上拱度增加的速度較快，后階段上拱度增加的速度較慢，總體上拱度值比較大；通常情況下，具體的施工過程中，張拉后存梁試件不超過90 d，當(dāng)張拉后存梁時(shí)間為90 d時(shí)，中跨中梁和邊跨邊梁在80%平均相對(duì)濕度情況下的T 梁上拱度都比95%平均相對(duì)濕度的大，比50%平均相對(duì)濕度的小。

2.2 分析存梁時(shí)間長短的影響

T 梁在存梁整個(gè)階段過程中都受到預(yù)應(yīng)力荷載的作用，在徐變和收縮的作用下，上拱度將發(fā)生變化，借助有限元軟件Midas Civil 進(jìn)行模擬分析，收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果數(shù)據(jù)整理見圖2。

圖2 T 梁張拉后存梁360 d 跨中上拱度增長量對(duì)比

從圖2選取上拱度變化量最小的邊跨邊梁進(jìn)行分析，在張拉~30 d 期間，邊跨邊梁上拱度增長了5.85 mm，在31~60 d 期間，邊跨邊梁上拱度增長了5.85 mm，在61~90 d 期間，邊跨邊梁上拱度增長了1.0 mm，從張拉~360 d 期間，前30 d 的上拱度變化增長梁占據(jù)了整個(gè)過程的55%，總體可以認(rèn)為，上拱度增長量主要發(fā)生在前30 d 時(shí)間內(nèi)，隨著時(shí)間的增加，上拱度的增長量逐漸減小，最后趨于0。如果存梁的試件超過半年甚至一年，此時(shí)上拱度對(duì)應(yīng)的數(shù)值和30 d 架梁時(shí)上拱度的差別較大，對(duì)T梁頂面的整體標(biāo)高有顯著的影響。

2.3 分析混凝土彈性模量對(duì)T 梁上拱度的影響

在有限元軟件Midas Civil 中，混凝土各種參數(shù)標(biāo)注參考C50 等級(jí)混凝土，試驗(yàn)中為了更加科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，設(shè)置60 MPa 和50 MPa 兩種混凝土彈性模量，分別對(duì)中跨中梁和邊跨邊梁的上拱度進(jìn)行從張拉后到存梁360 d 期間內(nèi)的模擬分析，收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果數(shù)據(jù)整理見圖3。

圖3 梁跨中上拱度對(duì)比

分析圖3 可知，從邊跨邊梁角度分析，彈性模量為50 MPa 對(duì)應(yīng)的上拱度變數(shù)值比彈性模量為60 MPa 的大，從中跨中梁角度分析，彈性模量為50 MPa 對(duì)應(yīng)的上拱度變數(shù)值比彈性模量為60 MPa 的大，總體上60 MPa 和50 MPa兩種混凝土彈性模量對(duì)上拱度的影響都比較小，參考實(shí)際工程，60 MPa 混凝土對(duì)上拱度影響的情況更加符合實(shí)際情況。

2.4 分析預(yù)應(yīng)力荷載加載時(shí)間偏差的影響

因?yàn)樵诨炷脸跄?，彈性模量就在不斷增加，因?yàn)楣こ塘勘容^巨大，張拉時(shí)間齡期存在時(shí)間差，間接造成張拉時(shí)實(shí)際的混凝土強(qiáng)度不一樣，最終導(dǎo)致T 梁上拱度變化不一致，該章節(jié)以抗壓強(qiáng)度均值為60 MPa 齡期為28 d 的混凝土基礎(chǔ)上，分別按照張拉齡期為5 d、7 d和15 d 來進(jìn)行模擬分析，同時(shí)對(duì)比分析中跨中梁和邊跨邊梁上拱度的變化情況，具體試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 不同張拉時(shí)期T 梁跨中上拱度對(duì)比圖

從圖4 分析可知，以7 d 時(shí)對(duì)應(yīng)的張拉跨中拱度進(jìn)行參照對(duì)比，邊梁和中梁的張拉時(shí)齡期越長，T 梁跨中拱度越小，在實(shí)際工程中應(yīng)當(dāng)予以重視。

總之，T 梁上拱度受存梁期間環(huán)境相對(duì)濕度的影響還是較明顯的，不同相對(duì)濕度下的T 梁上拱度隨著存梁試件的增加呈現(xiàn)出非線性的變化；張拉后存梁試件不超過90 d，當(dāng)張拉后存梁時(shí)間為90 d 時(shí)，中跨中梁和邊跨邊梁在80%平均相對(duì)濕度情況下的T 梁上拱度都比95%平均相對(duì)濕度的大，比50%平均相對(duì)濕度的??；上拱度增長量主要發(fā)生在前30 d 時(shí)間內(nèi)，隨著時(shí)間的增加，上拱度的增長量逐漸減少，最后趨于0；如果存梁的試件超過半年甚至一年，此時(shí)上拱度對(duì)應(yīng)的數(shù)值和30 d 架梁時(shí)上拱度的差別較大，對(duì)T 梁頂面的整體標(biāo)高有顯著的影響；60 MPa 和50 MPa 兩種混凝土彈性模量對(duì)上拱度的影響都比較小，參考實(shí)際工程，60 MPa 混凝土對(duì)上拱度影響的情況更加符合實(shí)際情況；邊梁和中梁張拉時(shí)齡期越長，T 梁跨中拱度越小[14]。

3 結(jié)論

通過運(yùn)用理論知識(shí)借助有限元軟件建立對(duì)應(yīng)模型進(jìn)行模擬分析，討論環(huán)境平均相對(duì)濕度、存梁時(shí)間長短、混凝土彈性模量及預(yù)應(yīng)力荷載加載時(shí)間偏差上拱度的影響，研究結(jié)果表明：T 梁上拱度受存梁期間環(huán)境相對(duì)濕度的影響明顯，不同相對(duì)濕度下的T 梁上拱度隨著存梁試件的增加呈現(xiàn)非線性變化；當(dāng)存梁的試件超過半年甚至一年，此時(shí)上拱度對(duì)應(yīng)的數(shù)值和30 d 架梁時(shí)上拱度的差別較大，對(duì)T 梁頂面的整體標(biāo)高有顯著的影響；混凝土彈性模量對(duì)上拱度的影響較小，其中當(dāng)混凝土的彈性模量為60 MPa 時(shí)對(duì)上拱度影響的情況更加符合實(shí)際情況；在張拉后存梁時(shí)，上拱度值還受張拉齡期的影響，特別是邊跨邊梁的上拱度偏差值較大，中跨中梁和邊跨邊梁對(duì)應(yīng)的上拱度曲線斜率幾乎一樣，總體上認(rèn)為，張拉時(shí)齡期越短，T 梁跨中拱度越大。