基于數值模擬研究預應力T 梁橋上拱度的影響因素

江耀坤

（江西省贛北航道事務中心,江西 九江 332000）

0 引言

我國領土幅員遼闊，東西和南北跨越都相對較長，地形地質復雜多變，水系眾多，隨著經濟的發展，更多的公路工程開工建設。跨越山谷、江河的首要方案為建設相應的橋梁，特別是偏遠山區的發展往往依靠公路橋梁來加強和外界的經濟聯系。橋梁具有結構簡單、施工工藝快捷等特點，經常被運用到公路工程建設中。在偏遠山區，為了節省工程成本、縮短工期，橋梁通常被選作為山區公路橋梁的結構形式。在這種結構形式中，預應力混凝土T 梁獨具特色，在我國幾十年的公路橋梁建設工程中被廣泛運用，同時它也具有一些缺點，比如施工控制偏差、混凝土收縮徐變、環境相對濕度、存梁時間差別等因素的影響[1-3]，很容易導致最終T 梁上拱度的尺寸難以準確控制，如果T 梁上拱度較大，往后的工序和橋梁結構的穩定性都會直接受影響。一般情況下，施工單位對T 梁上拱度的影響因素缺乏科學認識，對于施工過程中上拱度的監測也缺乏先進的科技手段，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到最低的厚度標準，只能花費更多成本，重新調整抬高橋面整體標高和相關路線的縱坡度，才能最終使路面平整，不再出現跳車現象[4-7]，所以對于混凝土預應力T 梁橋建設設計非常有意義。

該文在參考現有研究的基礎上[8-12]，運用理論知識借助有限元軟件建立對應模型進行模擬分析環境平均相對濕度、存梁時間長短、混凝土彈性模量、預應力荷載加載時間偏差對上拱度的影響，希望能夠對相關工程提供參考價值。

1 工況概況

該公路橋梁位于江西省北部，相對濕度較高，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，橋涵設計汽車荷載等級為公路－Ⅰ級，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，第一聯為2 跨40 mT 梁，第二聯和第三聯都是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連接。

2 數值模擬

T 梁張拉到橋面正式施工到完畢這段工期內，由于T 梁受其他因素影響，導致上拱度尺寸會發生較大變化，每種影響因素對上拱度的影響各不相同，該文借助有限元軟件Midas Civil 對影響因素進行模擬分析。

2.1 分析環境平均相對濕度的影響

通常情況下，混凝土構件在相對濕度比較高的環境中，由于水分蒸發得較慢，對應的混凝土產生的收縮徐變也比較慢；但是在相對濕度較低的環境中，混凝土構件中的水分蒸發得較快，這就導致混凝土的收縮徐變發生得較快[13]。各個地區因為不同季節時期的濕度是不同的，取秋冬季的相對濕度為50%，春夏季的相對濕度為95%，同時以此地區年平均濕度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，分別計算相對濕度為95%和50%情況下邊跨邊梁的變化情況，收集試驗數據，最終整理結果見圖1。

圖1 T 梁跨中上拱度對比

從圖1 分析可以得到，T 梁上拱度受存梁期間環境相對濕度的影響還是較明顯的，不同相對濕度下的T 梁上拱度隨著存梁試件的增加呈現非線性變化。以80%環境平均濕度作為參考，平均濕度為95%時，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小；平均濕度為50%時，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，當張拉后存梁時間為90 d時，中跨中梁和邊跨邊梁在80%平均相對濕度情況下的T 梁上拱度都比95%平均相對濕度的大，比50%平均相對濕度的小。

2.2 分析存梁時間長短的影響

T 梁在存梁整個階段過程中都受到預應力荷載的作用，在徐變和收縮的作用下，上拱度將發生變化，借助有限元軟件Midas Civil 進行模擬分析，收集試驗數據，結果數據整理見圖2。

圖2 T 梁張拉后存梁360 d 跨中上拱度增長量對比

從圖2選取上拱度變化量最小的邊跨邊梁進行分析，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了整個過程的55%，總體可以認為，上拱度增長量主要發生在前30 d 時間內，隨著時間的增加，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，此時上拱度對應的數值和30 d 架梁時上拱度的差別較大，對T梁頂面的整體標高有顯著的影響。

2.3 分析混凝土彈性模量對T 梁上拱度的影響

在有限元軟件Midas Civil 中，混凝土各種參數標注參考C50 等級混凝土，試驗中為了更加科學嚴謹，設置60 MPa 和50 MPa 兩種混凝土彈性模量，分別對中跨中梁和邊跨邊梁的上拱度進行從張拉后到存梁360 d 期間內的模擬分析，收集試驗數據，結果數據整理見圖3。

圖3 梁跨中上拱度對比

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

2.4 分析預應力荷載加載時間偏差的影響

因為在混凝土初凝之后，彈性模量就在不斷增加，因為工程量比較巨大，張拉時間齡期存在時間差，間接造成張拉時實際的混凝土強度不一樣，最終導致T 梁上拱度變化不一致，該章節以抗壓強度均值為60 MPa 齡期為28 d 的混凝土基礎上，分別按照張拉齡期為5 d、7 d和15 d 來進行模擬分析，同時對比分析中跨中梁和邊跨邊梁上拱度的變化情況，具體試驗結果見圖4。

圖4 不同張拉時期T 梁跨中上拱度對比圖

從圖4 分析可知，以7 d 時對應的張拉跨中拱度進行參照對比，邊梁和中梁的張拉時齡期越長，T 梁跨中拱度越小，在實際工程中應當予以重視。

總之，T 梁上拱度受存梁期間環境相對濕度的影響還是較明顯的，不同相對濕度下的T 梁上拱度隨著存梁試件的增加呈現出非線性的變化；張拉后存梁試件不超過90 d，當張拉后存梁時間為90 d 時，中跨中梁和邊跨邊梁在80%平均相對濕度情況下的T 梁上拱度都比95%平均相對濕度的大，比50%平均相對濕度的小；上拱度增長量主要發生在前30 d 時間內，隨著時間的增加，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，此時上拱度對應的數值和30 d 架梁時上拱度的差別較大，對T 梁頂面的整體標高有顯著的影響；60 MPa 和50 MPa 兩種混凝土彈性模量對上拱度的影響都比較小，參考實際工程，60 MPa 混凝土對上拱度影響的情況更加符合實際情況；邊梁和中梁張拉時齡期越長，T 梁跨中拱度越小[14]。

3 結論

通過運用理論知識借助有限元軟件建立對應模型進行模擬分析，討論環境平均相對濕度、存梁時間長短、混凝土彈性模量及預應力荷載加載時間偏差上拱度的影響，研究結果表明：T 梁上拱度受存梁期間環境相對濕度的影響明顯，不同相對濕度下的T 梁上拱度隨著存梁試件的增加呈現非線性變化；當存梁的試件超過半年甚至一年，此時上拱度對應的數值和30 d 架梁時上拱度的差別較大，對T 梁頂面的整體標高有顯著的影響；混凝土彈性模量對上拱度的影響較小，其中當混凝土的彈性模量為60 MPa 時對上拱度影響的情況更加符合實際情況；在張拉后存梁時，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應的上拱度曲線斜率幾乎一樣，總體上認為，張拉時齡期越短，T 梁跨中拱度越大。