预应力混凝土双 T 板结构性能检测试验与数值分析研究

孙兰兰，翟建雷，刘金菊

（淮安市建筑工程质量检测中心有限公司，江苏 淮安 223002）

0 引言

预制预应力混凝土双 T 板（简称“双 T 板”）由宽大的面板和两根窄而高的肋组成，是梁、板结合的预制钢筋混凝土承载构件。由于横截面表现为两个“T”形，故被形象地命名为双 T 板。双 T 板受力截面经济合理，截面有效高度大，混凝土用量少，是世界上使用最广泛的预应力混凝土板预制构件。在国外，双 T 板是停车场结构中的主要构件。它还被用来建造体育设施（如室内游泳池和健身房）、礼堂、学校、剧院、食品市场、仓库和许多其他类型的建筑屋顶。双 T 板在我国也得到了较为广泛的应用，目前主要用于各种工业厂房、粮库及部分公共建筑，而且主要用作屋面板。根据 GB 50204－2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》［1］（简称“验收规范”）中第 9.2.2 条规定：梁板类简支受弯预制构件进场时应进行结构性能检验。其中，如何快速且可靠检测双 T 板的结构性能是值得关注的关键技术问题。

国内外针对双 T 板的弯曲、剪切、局部受压、预应力效应和结构性能检测试验均开展了广泛的研究工作［2-5］。葛益芃等人［6］利用 ABAQUS 有限元分析软件建模研究了双 T 板的整个受力全过程。李旭等人［7］对双 T 板的结构性能进行了详细的试验分析。廖显东等［8］对 4 组共 12 个非标准预应力混凝土双 T 板进行了结构性能的检验，对比分析了双 T 板的性能检测试验方法和检验指标。

国内外大多数针对双 T 板的研究是纯理论分析或者单一数值模拟，对双 T 板结构性能试验方法和检测指标进行了一些研究，几乎没有将数值模拟应用于双 T 板结构性能检测中的分析研究。本文对实际工程中的双 T 板进行了结构性能试验，并记录试验现象和数据，结合已有的理论研究，采用有限元分析软件 ABAQUS 模拟该双 T 板的受力情况，为双 T 板结构性能试验提供参考。

1 现场结构性能试验

1.1 试验概况

本次选取苏 G 12－2016《预应力混凝土双 T 板》［9］图集中编号为 STB 183A-1 的预制预应力混凝土双 T 板，混凝土强度为 C45，钢绞线采用 A15.2，截面积为 140 mm2，强度标准值为1 860 N/mm2，弹性模量为 1.95×105N/mm2，张拉控制应力，单根钢绞线张拉控制力为 195.3 kN，截面尺寸及钢绞线布置如图 1 所示。

图1 截面尺寸及钢绞线布置（单位：mm）

1.2 测量仪器布置

根据构件实际受力情况及试验目的，本次分别在预制预应力混凝土双 T 板肋板跨中及支座位置处布置百分表，量测构件在荷载作用下的变形，百分表布置示意图如图 2 所示，其中 1# 和 2# 百分表分别位于双 T 板肋板跨中两侧底面，3# 和 4# 百分表分别位于双 T 板两端支座中部，百分表测量杆垂直于板底。

图2 百分表布置

1.3 加载方案

根据苏 G12－2016 图集该双T板的标准荷载检验值为 2.81 kN/m2（已扣除双 T 板自重），双 T 板自重约为163.4 kN，标准荷载挠度允许值为 30.62 mm。检测所用加载荷重为生产厂家制作的混凝土标准块，外加荷载共分 5 级进行加载至标准荷载检验值，每级荷载为标准荷载检验值的 20 %，每级加载完毕后，持续 10 min，第五级加载完毕后，持续 30 min。检测双 T 板是否满足挠度要求，具体外加荷载数值如表 1 所示。

表1 试验荷载分级加载情况 kN

现场称取 4 块混凝土标准块，平均荷重为 1.52 kN/块。荷重块成垛均布堆放，垛与垛之间净距约 200 mm，现场试验如图 3 所示。

图3 双 T 板现场试验图

1.4 试验现象与结果

当第五级外部荷载加载完毕后，用裂缝测宽仪检测双T板，此时未发现裂缝。记录挠度值，然后按照规范［1］中相关公式计算跨中挠度实测值，每级荷载下产生的跨中挠度计算实测值结果如表 2 所示。

表2 分级荷载下跨中挠度计算实测值 mm

2 有限元模型建立

本文基于 ABAQUS 有限元软件对双 T 板进行了极限承载力的非线性分析，与试验结果对比，分析双 T 板试验与理论的异同。

2.1 钢筋混凝土的本构模型

在 ABAQUS 中通过分别定义混凝土和钢筋的本构模型实现材料的非线性特性，从而进行结构的非线性的分析。混凝土的本构模型选定塑性损伤模型（CDP 模型），用来考虑构件在单调荷载下的力学性能，以及考虑混凝土损伤对变形的影响［10］。普通钢筋的材料本构采用双折线理想弹塑性模型，适用于在屈服后有较长的屈服平台的钢筋。预应力钢筋的材料本构采用双斜线模型，用来分析强度高但没有明显屈服平台的钢绞线。

2.2 单元选取

在有限元模型中，采用八节点三维实体线性减缩积分单元（C3D8R）单元模拟混凝土的非线性。C3D8R 单元是八节点实体单元的简化集成，每个节点具有三个平移自由度。C3D8R 单元具有计算时间短，准确高效的优点，还能避免应力集中和计算过程中的不收敛。

普通钢筋和预应力筋选用三维二节点一阶桁架单元（T3D2）建模。在钢筋混凝土构件中，普通钢筋和预应力筋这类线材主要承受轴向的拉压力，因此采用桁架单元进行模拟，得到了较好的分析结果。

2.3 建立模型

有限元模型中的边界条件和荷载是根据试验条件设定的。模型边界条件设置为两端简支，以三分点集中位移加载方式进行加载。为了改善由于混凝土支座处和加载点处的应力集中导致的计算不收敛，在支座处和加载处设置了垫块和加载梁。本文中采用降温法实现预应力的模拟［11］。

本文采用了分离式的建模方法［12］，即分别对混凝土、普通钢筋、预应力筋、钢垫块和加载分配梁进行建模，分别选取单元，并独立进行网格划分，用分离式建模需要定义各部分之间的接触关系。混凝土和内部钢筋通过使用“内置区域”命令进行组合，以简化建模，这与理论截面分析中内部钢筋与混凝土无相对滑移的假设相同；“面对面接触”命令用于钢垫块及加载分配梁和混凝土之间的连接，以达到共同变形的目的。混凝土、钢筋网片及预应力筋的有限元模型如图 4～图 6 所示。

图4 混凝土有限元模型

图5 钢筋网片有限元模型

图6 预应力筋有限元模型

3 结果分析

3.1 有限元计算结果

混凝土最终阶段变形云图如图 7 所示，从云图中可以看出，跨中变形最大。混凝土、钢筋网片及预应力筋的最终阶段应力云图如图 8～图 10 所示。最危险截面发生在双 T 板跨中央处，预应力筋承担了整个构件的大部分应力，变形主要出现在混凝土板上。

图7 混凝土变形云图

图8 混凝土应力云图

图9 预应力筋应力云图

图10 钢筋网片应力云图

混凝土受拉损伤云图如图 11 所示，中间肋梁底部受拉，率先出现裂缝，随着荷载的增加，裂缝长度、范围也随之增加。

图11 混凝土受拉损伤云图

3.2 对比分析

双T板的荷载—跨中挠度曲线如图 12 所示。荷载—跨中挠度非线性曲线分为弹性阶段、屈服阶段、破坏阶段三个主要阶段。在现场试验过程中，双 T 板变形特征基本呈线性状态，说明双 T 板在正常使用极限状态下处于正常弹性工作状态。有限元计算的荷载-跨中挠度曲线在弹性阶段与试验值基本一致。

图12 荷载-跨中挠度曲线

4 结语

1）经现场加载检测，所检 STB 183A-1 预应力混凝土双 T 板在标准荷载检验值作用下持荷 30 min，跨中实测挠度为 20.99 mm，其实测挠度符合苏 G12－2016《预应力混凝土双 T 板》规定的技术要求。

2）采用合适的单元和分离式模型，可较好模拟双 T 板弯曲性能，分析结果显示承载力和全过程变形发展符合实际情况程度较高。

3）利用 ABAQUS 对双 T 板的受力全过程进行了数值模拟，结果与试验结果吻合较好。该有限元模拟方法较可靠，证明了在条件有限的情况下采用数值模拟的方法对双 T 板结构性能检测进行补充的可行性。Q