屋面预应力混凝土双T板端部腹板裂缝原因分析与加固处理

刘之春 刘军宇

摘要：  针对某单层工业厂房屋面预应力混凝土双T板端部开裂情况，利用有限元软件Abaqus进行计算分析，发现双T板支座端部存在构造不佳、易出现初始裂缝的问题，在施工过程中未按照构造要求施工、使用过程中温度变化等产生的不利效应对双T板受力影响不能忽略。针对双T板存在的问题提出处理措施，对已有开裂构件进行加固，处理效果良好。

关键词：  预应力混凝土板; 双T板; 腹板; 裂缝; 有限元

中图分类号：  TU378; TB115.1文献标志码：  B

Crack analysis and reinforcement on end of

prestressed concrete double-T used on roof

LIU Zhichun， LIU Junyu

（School of civil engineering， Shandong Jianzhu University， Jinan 250101， China）

Abstract： Aiming at the cracking of the prestressed concrete double-T plate on the roof of a single-storey industrial plant building， the finite element software Abaqus is used to analyze the double-T plate. It is found that there are some problems such as poor structure detailing and easily cracking at the end of the support. The influence of    the arrangement process during construction and the effect of temperature during service period cannot be ignored. In view of the existing problems， the improvement measures are proposed， and the existing components with cracks are reinforced. The treatment results are achieved.

Key words： prestressed concrete plate; double-T plate; web; crack; finite element

收稿日期：  2021-10-11修回日期：  2021-10-26

作者简介： 刘之春（1969—），男，山东莒县人，副教授，博士，研究方向为现代预应力结构、高层建筑结构，（E-mail）liuzhichun99@ sdjzu.edu.cn;

刘军宇（1996—），男，山东济南人，硕士研究生，研究方向为预应力结构，（E-mail）2019015125@stu.sdjzu.edu.cn0引言20世纪50年代，双T板由美国人设计而成，自20世纪90年代引进国内以来，因其结构轻巧、材料用料较少、可以实现较大的结构跨度，且双T板通过预制构件的标准化工业生产，可有效解决施工现场参差不齐的质量问题，提高标准化程度、施工速度以及劳动效率，在国内得到广泛应用。在双T板引入国内应用过程中，各地根據自身情况编制相应标准，但双T板在使用过程中端部产生裂缝的现象也较为普遍。国内外主要通过理论计算、试验及有限元模拟分析的方法对双T板进行承载力、裂缝以及相应构造措施的研究[1-5]。施桂保[6]对24 m及以上较大跨度的双T板出现裂缝的原因进行分析，统计得出80%以上的裂缝产生都源自于放张裂缝与温度裂缝，并从施工角度提出裂缝控制措施。苗冬梅等[7]通过某双T板停车楼项目，对双T板从生产到施工不同阶段所产生的裂缝进行分析，结果表明翼缘板与肋梁之间的构造抗裂性能差、局部应力集中和钢绞线的黏结滑移等，是造成肋梁端部微裂缝、肋梁侧面斜裂缝等裂缝形式的主要因素，并针对不同成因的裂缝，提出包括增设构造筋在内的预防开裂措施。王晓锋等[8]通过静力试验的方式，对端部钢带企口、拉筋企口2种钢质企口的双T板，14个不同设计参数的连接方式进行研究，结果表明钢带企口有较好的力学性能，而拉筋企口存在构造形式不佳、受力性能受端部裂缝影响较大等问题，并根据不同企口受力性能的影响因素提出构造建议。黄巍等[9]对国内首个装配式双T板停车楼中出现的裂缝进行描述，该工程中出现肋梁端部裂缝、肋梁侧斜裂缝等4种形式，针对不同种类的裂缝，从混凝土性能、双T板设计、施工角度，对裂缝成因进行分析，并提出相应的处理措施以及预防措施。王茂宇等[10]对中国与美国的预制双T板进行比较，对比2个国家预制双T板的尺寸与外形的差别、普通钢筋和预应力筋的配置差别，提出需要对国内预制双T板构件进行截面与配筋优化的建议，同时提出采用缺口式端部和进行局部预应力释放技术的建议。本文针对某单层工业厂房的预应力混凝土双T板屋面，在使用过程中遇到的端部开裂问题，应用有限元软件Abaqus进行分析，得到预应力混凝土双T板在使用阶段的受力情况，并提出相应的加固改进措施。

1工程概况

1.1基本概况某单层工业厂房采用预应力混凝土双T板屋面，单层车间纵向为现浇钢筋混凝土框架，纵向柱距为7.80 m，共27跨，横向为按4跨布置的预应力混凝土双T板，跨度为24.00 m，建筑平面长度211.30 m，宽度96.34 m，建筑总高度12.60 m，建筑面积约20 400 m2，厂房部分结构平面布置见图1。采用大跨度预应力混凝土双T板为屋面板，搁置于纵向承重框架梁上方。图集编号为L06GT08[11]，板型号为JSTB24-2。双T板两端支承在纵梁处，通过纵梁顶端的预埋钢板焊接连接，每个肋中配有7根Φs12.7有黏结预应力钢绞线，每根张拉控制应力137.69 kN，采用先张法进行施工。

双T板剖面图、预应力筋布置见图2，可参考文献[11]。建筑抗震设防类别为丙类，场地类别为III类，设计特征周期值为0.40 s，地震分组为第一组;基本风压为0.40 kN/m2，基本雪压为0.35 kN/m2，非上人屋面活載荷为0.50 kN/m2。该单层工业厂房设计于2010年10月，2011年春季竣工使用。

1.2双T板开裂问题初步分析在使用过程中，双T板端部腹板存在开裂问题。靠近支座处裂缝情况见图3，预应力混凝土双T板的裂缝主要为支承点及其附近的斜向裂缝。根据现场实测结果，构件的混凝土强度、保护层的厚度以及钢筋的配置均满足设计需求[12-16]，但双T板支承面不平整、双T板和纵梁预埋钢板尺寸偏差较大，同时屋面板未采取保温措施。

初步分析双T板端部开裂原因为：（1）屋面没有采用保温措施，屋面板端部与纵梁顶预埋钢板焊接在一起，使用过程中整体温度降低引起轴向拉力，同时混凝土收缩也产生拉力。拉力在端部支座较小区域内传递，支承面不平整、双T板和纵梁预埋钢板尺寸偏差较大，导致受力不均匀，该区域内因应力集中效应，会在双T板腹板端部产生较大拉应力。（2）由于双T板跨度较大，导致支座处剪力很大，双T板支座预埋板以外的弯矩增长较快，当剪力、温度变化共同作用时，主拉应力超过混凝土抗拉强度，易引起开裂现象，导致板肋底部开裂截面处承受更大弯矩。由于预应力筋应力较小，普通钢筋配筋量较少，一旦开裂，裂缝宽度就会较宽。

2有限元模型的建立

2.1材料参数选取为进一步分析双T板腹板部分的开裂原因，本文采用有限元软件Abaqus对该项工程中的预应力混凝土双T板进行模拟分析。模型参数的准确与可靠程度，影响最终仿真结果与实际的接近程度。混凝土进入塑性状态时会伴随着刚度的下降，混凝土材料本构所参考的文献[17]已被实验和计算所验证。预应力钢绞线与普通钢筋所采用的本构采用文献[16]中双斜线模型。高强钢丝、钢绞线、普通钢筋与C50混凝土基本参数见表1和2。

2.2单元选取混凝土和预埋件均采用8节点线性六面体单元C3D8R，取用减缩积分单元，以减小因施加预应力导致双T板肋端及预应力筋周围发生较严重的网格扭曲。预应力钢绞线与钢丝、普通钢筋均采用2节点线性三维桁架单元T3D2，对于主要承受轴向力的预应力钢绞线及钢筋，能进行较好的模拟分析。

2.3约束条件本文采用分离式模型进行建模分析[18]。分别建立混凝土双T板、预埋件、预应力钢绞线、钢丝及普通钢筋的模型，每个模型之间互为个体，分别进行属性赋予、单元选取、网格划分等工作，最终通过定义约束的形式保证模型整体受力。垫块预埋件通过Tie与混凝土进行绑定约束，保证预埋件与双T板的共同变形;预应力钢绞线、钢丝及普通钢筋通过Embed嵌入混凝土双T板，通过两者自由度的耦合实现变形协调，模拟有黏结预应力钢绞线以及普通钢筋的受力。考虑到在施工及使用过程中双T板受力分3个阶段，在模拟中以3种载荷分析步下的双T板受力及约束状态进行计算和分析。3个阶段分为： （1）在施加预应力后，双T板端部支座处一端约束x和y方向，用于模拟焊接，另一端只约束y方向，用于模拟仅支承在支座上不焊接的状态。（2）按照图集L06GT08中2次施焊要求，即吊装就位以后先焊接一端的板肋支座，将屋面构造层做好后再焊接另一端板肋支座。在第一阶段双T板受力完全的状态下对其施加恒载（屋面建筑做法）并约束其另一端x方向，用于模拟仅支承在支座处端板的焊接。（3）在双T板两端焊接、正常受力的状态下，对双T板进行均匀降温处理，以观察温度改变对双T板受力性能的影响。所建立的双T板及其内部配筋的有限元模型如图4所示。

2.4预应力钢绞线的处理常见预应力钢绞线的预应力模拟方法包括初始应力法、降温法等。降温法能模拟预应力筋的损失且操作便捷，本文通过降温法对双T板中预应力钢绞线施加预应力，预应力筋所降温度ΔT=Nα×Ey×Ay（1）式中：ΔT为所降温度，℃;N为单根预应力筋的张拉控制应力值，本文取137.69 kN;α为线膨胀系数，本文取1.4×10-5 ℃-1;Ey为弹性模量，本文取1.95×105 N/mm2;Ay为截面面积，本文取9.87 mm2。将上述数值代入式（1），得ΔT=511 ℃。

3有限元模型的分析针对预应力混凝土双T板端部开裂的问题，探明端部支座处的应力状况，需对其进行内力分析。双T板端部支座处不同阶段的内力状况，是判断双T板在不同载荷工况作用下受力性能的依据，也是判定双T板薄弱处、并针对受力特点选取加固方式的重要依据。

3.1双T板内力分析支座一端同时约束x和y方向，用于模拟焊接，另一端只对y方向进行约束，不考虑对板面施加额外载荷的情况下，对双T板进行分析。由图5可知，不考虑施加外部载荷作用时，由于预应力作用导致双T板反拱向上变形，整体向上弯曲致使板顶弯矩较大、内力值较大，双T板构件在约束的支座处较小区域内内力值较大，但主拉应力未达到混凝土的抗拉强度标准值。

3.2附加载荷与温差效应共同作用分析一定范围内的温度升高，对于预应力混凝土构件中预应力筋的有效预应力增加是有利的[19]，因此在模拟计算过程中只需考虑降温作用下温度对双T板的不利影响。参考该地区50 a重现期内的气象资料，并参考该地区考虑温差效应的结构分析[20]，取25 ℃均匀温差变化下的2种工况，对双T板构件进行模拟：（1）仅在恒载作用下;（2）恒载作用下同时降温25 ℃。屋面恒载按建筑做法取1.5 kN/m2。图6为仅在恒载作用下支座处的主应力云图，对比图5中初始状态下支座处主应力云图，可知拉应力主要集中在端部支座区域范围内，并呈现出一定的倾斜，但主拉应力未达到混凝土的抗拉强度标准值，满足正常使用状态下的需求。

模拟附加载荷与温差效应共同作用时，随着整体温度的降低，混凝土收缩产生轴向拉力，主拉应力呈倾斜趋势并不断扩大，均匀温差作用下双T板端肋处应力云图见图7和8。在恒载与降温作用共同作用下，双T板在支座处的应力值随着温度降低不断增大，在温度下降到-15 ℃时主拉应力值为2.6 MPa，已达到C50混凝土的抗拉强度标准值，此后混凝土应力略有下降，但随着温度降低受拉区域向内呈一定的倾斜角并有不断扩大的趋势，与现场实际开裂趋势吻合。

综上所述，双T板靠近支座处易产生裂缝等不利因素，且由于双T板跨度较大、预应力锚固相对集中，支承长度有限，支座区域范围内受力情况复杂，易产生应力集中现象。在双T板使用过程中，温度变化尤其是温度降低对预应力双T板受力性能的影响不可忽视，应加强该范围内的构造措施。

4加固处理措施已经应用于实际工程中的双T板厂房中存在开裂现象时，需对其采取相应的加固措施。屋面板端部与纵梁焊接在一起，整体温度降低会引起轴向拉力增大，该拉力在端部支座较小区域内传递，会在梁底的端部产生应力集中效应，导致梁端出现裂缝，支座处裂缝的存在会大幅削弱截面刚度、降低承载力。可对裂缝通过压力灌浆等方式进行封闭处理，并通过外粘碳纤维布的方法，对肋梁开裂处粘贴纵向碳纤维和U形箍，对支座处的斜裂缝进行加固。目前，该加固处理已完成2 a有余，在使用过程中未发现异常。

5结论（1）双T板跨度较大、支承部位较短，在各种载荷作用下，端部支座处受力复杂，易产生应力集中现象，并且温度作用对双T板力学性能的影响不容忽视。在今后双T板的设计与使用过程中，应对其予以足够多的重视，对端部进行加强处理。（2）对于已经开裂的双T板，可通过对裂缝进行封闭处理，并用粘贴碳纤维布方法进行加固，处理结果良好。该方法可在类似处理中推广使用。参考文献：

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