某大跨预应力拉索混凝土折梁有限元分析与施工.pdf
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1、3 6 A 建 r c h i t c 筑 t u Te 技 c h 。 l 。 第 4 5卷第 1 期 2 0 1 4年 1 月 Vo 1 4 5 No 1 J a n 2 0 1 4 某大跨预应力拉索混凝土折梁有限元分析与施工 贺宇龙 ,刘 航 ,叶立寰2 ( 1 北京市建筑工程研究院有限责任 公司, 1 0 0 0 3 9 , 北京 ; 2 总后勤部建筑设计研究院, 1 0 0 0 3 6 , 北京 ) 摘 要 : 通过一大跨度预应力拉索混凝土折梁 的有限元建模方法 , 分析了其结构的内力分布规律 , 通过对索 中施加不同的拉 力值得 出拉索拉力变化规律 , 最终确定了拉索 的拉力最优取
2、值 。并对预应力拉索折梁节点处的 索头布置 、 局部承压做法 以及对施工时的索体安装和张拉要点进行 了较详细的分析。 关键词 : 大跨度 ; 预应力拉索 ; 有限元分析 ; 安装 ; 张拉 中图分类号 : T U 3 7 8 文献标识码 : B 文章编号 : 1 0 0 0 4 7 2 6 ( 2 0 1 4) 0 1 0 0 3 6 0 5 FI NI TE ELEM ENT ANALYSI S AND CONSTRUCTI ON oF A LoNG S PAN PRES TRES S ED CABLE BRoKEN LI NE CONCRETE BEAM HE Yu -lon g ,L I
3、 U Han g 。 ,YE L i -h u an ( 1 B e i j i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C o n s t r u c t i o n E n g i n e e r i n g C o , L t d ,1 0 0 0 3 9 ,B e i j i n g , C h i n a ; 2 A r c h i t e c t u r a l D e s i g n I n s t i t u t e o f Ge n e r al L o g i s t i c s De p a r t me n t( P RC h
4、 i n a ) ,1 0 0 0 3 6 ,B e i j i n g ,C h i n a ) Ab s t r a c t : T hi s a r t i c l e d e s c ri b e s t h e fi n i t e e l e me n t mo d e l i n g me t h o d o f a l a r g e s p a n p r e s t r e s s e d c a b l e b r o k e n l i n e b e a m,a n a l y z e d t h e d i s t r i b u t i o n o f i n t
5、 e r n a l f o r c e o f t h e s t r u c t u r e Th e c h a n g i n g l a w i s a n a l y z e d b y a p p l y i n g d i f f e r e n t t e n s i o n o n t h e c a b l e a n d t h e o p t i ma l V alu e s o f t h e t e n s i o n c a b l e a r e u l t i ma t e l y d e t e r mi n e d C a b l e h e a d a
6、 r r a n g e me n t i n t h e b r o k e n l i n e b e a m j o i n t s o f p r e s t r e s s e d c a b l e a n d l o c a l b e a ri n g a p p r o a c h w a s i n t r o d u c e d i n de t a i l An d t h e c a b l e i n s t a l l e d a n d t h e t e n s i o n o f c a b l e wa s d i s c u s s e d i n d
7、e t a i l Ke y wo r d s: l a r g e s p a n; p r e s t r e s s e d c a b l e ;fin i t e -e l e me n t a n a l y s i s ;i n s t all a t i o n; t e n s i o n 目前 ,体外预应力这一特种技术的应用越来越广 泛 ,体外预应力技术不仅可提高自身结构的刚度以及 抗裂性能 , 而且还可抵消上部结构荷载, 从而达到减小 层高、 增大结构跨度的目的。 一 般 , 预应力拉索在钢结构工程中运用较为广泛 , 在混凝土结构中运用较为少见。本文结合某一混凝土 框架一
8、 剪力墙结构 ( 结构采用体外预应力索平衡折线 拱结构的水平推力)对一大跨度预应力拉索混凝土折 梁结构进行了有限元分析 , 分析了结构的内力和变形 , 对不同索拉力情况下的内力进行了方案对比 ,最终确 定了索中拉力的最优值。并对其预应力拉索折梁 的节 点做法以及施工要点进行了较详细的讨论 1 工程概况 某工程为多层钢筋混凝土框架一 剪力墙结构 ( 图 1 ) , 地上4 层 , 地下 1 层 , 混凝土设计强度等级 为C 3 0 , 主 体结构4 层屋面为坡屋面( 轴) , 屋面坡度 为2 2 。 , 主梁为折梁 , 梁端部截面尺寸为4 0 0 mmx l 0 0 0 mm, 跨 中截面尺寸
9、为4 0 0 m mx 9 0 0 mm, 主梁跨度 为1 4 I n , 墙体厚2 0 0 m m。 现4 层结构作为大型宴会厅使用, 要 收稿 日期 : 2 0 1 3 0 8 1 2 作者简 介 : 贺 宇龙 ( 1 9 8 6 一) , 男 , 天 津人 , 工程 师 , e ma i l : 1 2 1 9 0 7 6 3 6 q q com 求有较 大的使用面积和净空 ,宴会厅面积为1 4 mx l 6 In, 层高5 9 In。4 层预应力结构平面布置见图1 ( a ) 。 2 体外预应力布置方案 由于折梁跨度较大 , 为1 4 I n , 这种折线拱结构会对 4 层墙体产生较大
10、的水平作用 , 若不做加强措施可能会 导致墙体的破坏 。 考虑到可能存在 的问题 , 故在主梁位 置布置预应力拉索结构 , 相 当于对梁端施加预压应力 , 以平衡屋盖所带来的水平推力。这样既可满足承载力 的要求 , 又可符合对净空的要求 。图1 ( b d ) 为混凝土 折梁预应力布置方案 。 如图1 所示 , 4 层屋面梁为折梁 , 梁端部截面 中心位 置处布置直线形体外预应力拉索 , 每根拉索 由3 7 5 5 平 行钢丝束外包双层P E 组成 ,预 应力索的张拉端和锚 固端在 同一水平面 上 , 预 应力拉索线 形如图 1 ( b d ) 所示 。 预应力索中拉力的大小应根据坡屋顶对墙体
11、的水 平作用确定 , 坡屋顶结构布置较复杂 , 对墙体的水平推 力用常规结构计算软件难以计算准确 ,为保证预应力 拉索的张拉效果 ,本文采用有限元分析软件A N S Y S 对 结构进行有限元建模分析 ,分析结构在不同索拉力情 况下的内力和变形,通过对比最终确定索 中拉力最 优 值 , 为施工提供保障。 2 0 1 4 年 1 月 贺宇龙 , 等 : 某大跨预应力拉索混凝土折梁有限元分析与施工 3 7 、 一 l 3 1 0 0 2 6 0 o 3 2 0 0 【 8 0 0 3 0 0 0 3 0 0 01 8 0 c 3 2 0 0 4 O o o 习 1 I l I l L l 3 1
12、o o 2 6 0 0 4 0 o 0 1 D ( 0 3 0 0 0 3 o o O o ( 0 4 0 0 0 4 O o o , 7 nn 2 0 5 0 o 1 9 5 O 0 2 0 5 o o I 9)0 1 9 3 5 0 l 8 3 5 0 ( b ) 2 2 6 2 0 2 1 3 7 0 打 。 丑 预 应 力 拉 索 上 5 5 5 0 5 5 5 0 2 4 0 0 3 O 0 o 3 o o O 7 n n 1 1 m ( d ) 图1 4 层预应力结构布置示意 ( a ) 平面 ; ( b ) 1 - 1 剖面 ; ( c ) 2 2 剖面 ; ( d ) 3 3
13、剖面 3 有限元建模 3 1 理论 模型 的 建立 本工程为体 外预应力拉索 , 为建 立模型, 本文进行 了以下几点假设 : ( 1 ) 梁截面受力前后的应变服从平截 面假定 , 且沿截面 呈线性变化 ; ( 2 ) 张拉端和 固定端 在 折梁的两端 , 受力后 , 预应力索体与混凝土折梁协调变 形 ; ( 3 ) 考虑混凝土为均匀连续、 各向同性的材料 , 施加 预应力后 , 混凝土弹性变形 , 不考虑混凝土弹性模量 的 变化 , 认为混凝土弹性模量在其浇筑期间变化不大。 由于本工程在预应力折梁端部预埋钢套管 ,使得 预应力索体与混凝土梁不接触 , 仅在梁端锚 固, 索体为 直线, 不考虑
14、索体与孔道之间的摩擦损失。 3 2 模型 及材 料参 数 的选择 对于本工程而言,应根据结构中各构件的材料属 性 和 力学特 征 来选 取相 应适 合 的单 元 。本 文 采用 B e a m1 8 8 单元模拟混凝土梁柱构件 , B e a m1 8 8 单元主要 适用于模拟从细长到中等粗短的梁杆柱结构 ,该单元 基于T i m o s h e n k o 梁结构理论 , 具有扭切变形效果 , 能很 好地分析梁的受弯和受扭状态 ,并且通过以往工程经 验表明 ,采用B e a m1 8 8 单元可较 为真实地模拟混凝土 梁构件 的应力状态 采用S h e l l 6 3 单元模拟混凝 土楼盖
15、, S h e l l 6 3 单元是 既具有弯曲性能又具有膜力的单元,平面荷载和法向 荷载均可承受。S h e l l 6 3 单元可准确模拟出混凝土楼盖 和剪力墙的各种特性 , 所以选取此单元是切实可行的, 计算结果也较准确可靠 。 采用L i n k l O 单元来模拟体外预应力索。L i n k 1 0 单 元仅受拉力 其双线性刚度矩阵特性使其成 为一个轴 向仅受拉或仅受压杆单元。 使用只受拉选项时, 若单元 受压 , 刚度就消失 , 以此来模拟索体的松弛 。这一特性 对于将整个索体用一个单元来模拟的静力问题非常有 用。采用混凝土与预应力索的真实密度与弹性模量进 行模拟。 3 3 有
16、限元模 型 的建 立 建立有限元模型如 图2 , 3 所示。 图2 4 层 结构整体模型 图3 折梁与预应力索布置模型 3 8 建筑技术 第 4 5 卷第 1 期 模型中 , 预应力索位于折梁下方 , 张拉端和锚固端 位于折梁端部截面中心位置 ,与梁端节点耦合协调变 形。模型所受荷载主要为 自身重力荷载和屋面板的永 久荷 载和 活荷 载。预应力索 中拉力的施加通过添加 l i n k l 0 单元中初始应变值来实现。 4有限元分 析 图4 为索力在3 0 0 k N 情况下的结构的应力分布 , 从 图4 中的应力变化可看出 , 4 层墙体的最大应力分布在 折梁梁端 的墙体处 , 墙体 应力最大
17、值达到8 MP a 在结 构 的转角处以及刚度变化的位置也出现 了较大的应 力 , 由此可见 , 屋面折梁 由于 自重作用会对墙体产生较 大的推力, 折梁端部墙体受弯会产生较大的拉应力 , 所 以应合理确定折梁处拉索的拉力值,以使得墙体所受 拉应力在合理的范 围之内。 镒蠢 i 蠢 。 溢 戳i 嚣 溢蠢 0 1 2 9 6 2 5 9 2 3 8 8 8 5 1 8 4 6 4 8 0 7 7 7 5 9 0 7 1 直丸|MPa 图4 索力为3 0 0 k N rt结构模 型应力分布 由于索中拉力值的选取直接影响后期预应力索的 张拉效果 , 故索中拉力的确定是本工程 的重点 , 在这里 分
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