預應力混凝土雙 T 板結構性能檢測試驗與數值分析研究

2023-09-20 08:23:48孫蘭蘭翟建雷劉金菊

工程質量 2023年8期

孫蘭蘭，翟建雷，劉金菊

（淮安市建筑工程質量檢測中心有限公司，江蘇淮安 223002）

0 引言

預制預應力混凝土雙 T 板（簡稱“雙 T 板”）由寬大的面板和兩根窄而高的肋組成，是梁、板結合的預制鋼筋混凝土承載構件。由于橫截面表現為兩個“T”形，故被形象地命名為雙 T 板。雙 T 板受力截面經濟合理，截面有效高度大，混凝土用量少，是世界上使用最廣泛的預應力混凝土板預制構件。在國外，雙 T 板是停車場結構中的主要構件。它還被用來建造體育設施（如室內游泳池和健身房）、禮堂、學校、劇院、食品市場、倉庫和許多其他類型的建筑屋頂。雙 T 板在我國也得到了較為廣泛的應用，目前主要用于各種工業廠房、糧庫及部分公共建筑，而且主要用作屋面板。根據 GB 50204－2015《混凝土結構工程施工質量驗收規范》［1］（簡稱“驗收規范”）中第 9.2.2 條規定：梁板類簡支受彎預制構件進場時應進行結構性能檢驗。其中，如何快速且可靠檢測雙 T 板的結構性能是值得關注的關鍵技術問題。

國內外針對雙 T 板的彎曲、剪切、局部受壓、預應力效應和結構性能檢測試驗均開展了廣泛的研究工作［2-5］。葛益芃等人［6］利用 ABAQUS 有限元分析軟件建模研究了雙 T 板的整個受力全過程。李旭等人［7］對雙 T 板的結構性能進行了詳細的試驗分析。廖顯東等［8］對 4 組共 12 個非標準預應力混凝土雙 T 板進行了結構性能的檢驗，對比分析了雙 T 板的性能檢測試驗方法和檢驗指標。

國內外大多數針對雙 T 板的研究是純理論分析或者單一數值模擬，對雙 T 板結構性能試驗方法和檢測指標進行了一些研究，幾乎沒有將數值模擬應用于雙 T 板結構性能檢測中的分析研究。本文對實際工程中的雙 T 板進行了結構性能試驗，并記錄試驗現象和數據，結合已有的理論研究，采用有限元分析軟件 ABAQUS 模擬該雙 T 板的受力情況，為雙 T 板結構性能試驗提供參考。

1 現場結構性能試驗

1.1 試驗概況

本次選取蘇 G 12－2016《預應力混凝土雙 T 板》［9］圖集中編號為 STB 183A-1 的預制預應力混凝土雙 T 板，混凝土強度為 C45，鋼絞線采用 A15.2，截面積為 140 mm2，強度標準值為1 860 N/mm2，彈性模量為 1.95×105N/mm2，張拉控制應力，單根鋼絞線張拉控制力為 195.3 kN，截面尺寸及鋼絞線布置如圖 1 所示。

圖1 截面尺寸及鋼絞線布置（單位：mm）

1.2 測量儀器布置

根據構件實際受力情況及試驗目的，本次分別在預制預應力混凝土雙 T 板肋板跨中及支座位置處布置百分表，量測構件在荷載作用下的變形，百分表布置示意圖如圖 2 所示，其中 1# 和 2# 百分表分別位于雙 T 板肋板跨中兩側底面，3# 和 4# 百分表分別位于雙 T 板兩端支座中部，百分表測量桿垂直于板底。

圖2 百分表布置

1.3 加載方案

根據蘇 G12－2016 圖集該雙T板的標準荷載檢驗值為 2.81 kN/m2（已扣除雙 T 板自重），雙 T 板自重約為163.4 kN，標準荷載撓度允許值為 30.62 mm。檢測所用加載荷重為生產廠家制作的混凝土標準塊，外加荷載共分 5 級進行加載至標準荷載檢驗值，每級荷載為標準荷載檢驗值的 20 %，每級加載完畢后，持續 10 min，第五級加載完畢后，持續 30 min。檢測雙 T 板是否滿足撓度要求，具體外加荷載數值如表 1 所示。

表1 試驗荷載分級加載情況 kN

現場稱取 4 塊混凝土標準塊，平均荷重為 1.52 kN/塊。荷重塊成垛均布堆放，垛與垛之間凈距約 200 mm，現場試驗如圖 3 所示。

圖3 雙 T 板現場試驗圖

1.4 試驗現象與結果

當第五級外部荷載加載完畢后，用裂縫測寬儀檢測雙T板，此時未發現裂縫。記錄撓度值，然后按照規范［1］中相關公式計算跨中撓度實測值，每級荷載下產生的跨中撓度計算實測值結果如表 2 所示。

表2 分級荷載下跨中撓度計算實測值 mm

2 有限元模型建立

本文基于 ABAQUS 有限元軟件對雙 T 板進行了極限承載力的非線性分析，與試驗結果對比，分析雙 T 板試驗與理論的異同。

2.1 鋼筋混凝土的本構模型

在 ABAQUS 中通過分別定義混凝土和鋼筋的本構模型實現材料的非線性特性，從而進行結構的非線性的分析。混凝土的本構模型選定塑性損傷模型（CDP 模型），用來考慮構件在單調荷載下的力學性能，以及考慮混凝土損傷對變形的影響［10］。普通鋼筋的材料本構采用雙折線理想彈塑性模型，適用于在屈服后有較長的屈服平臺的鋼筋。預應力鋼筋的材料本構采用雙斜線模型，用來分析強度高但沒有明顯屈服平臺的鋼絞線。

2.2 單元選取

在有限元模型中，采用八節點三維實體線性減縮積分單元（C3D8R）單元模擬混凝土的非線性。C3D8R 單元是八節點實體單元的簡化集成，每個節點具有三個平移自由度。C3D8R 單元具有計算時間短，準確高效的優點，還能避免應力集中和計算過程中的不收斂。

普通鋼筋和預應力筋選用三維二節點一階桁架單元（T3D2）建模。在鋼筋混凝土構件中，普通鋼筋和預應力筋這類線材主要承受軸向的拉壓力，因此采用桁架單元進行模擬，得到了較好的分析結果。

2.3 建立模型

有限元模型中的邊界條件和荷載是根據試驗條件設定的。模型邊界條件設置為兩端簡支，以三分點集中位移加載方式進行加載。為了改善由于混凝土支座處和加載點處的應力集中導致的計算不收斂，在支座處和加載處設置了墊塊和加載梁。本文中采用降溫法實現預應力的模擬［11］。

本文采用了分離式的建模方法［12］，即分別對混凝土、普通鋼筋、預應力筋、鋼墊塊和加載分配梁進行建模，分別選取單元，并獨立進行網格劃分，用分離式建模需要定義各部分之間的接觸關系。混凝土和內部鋼筋通過使用“內置區域”命令進行組合，以簡化建模，這與理論截面分析中內部鋼筋與混凝土無相對滑移的假設相同；“面對面接觸”命令用于鋼墊塊及加載分配梁和混凝土之間的連接，以達到共同變形的目的。混凝土、鋼筋網片及預應力筋的有限元模型如圖 4～圖 6 所示。