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后张有黏结预应力混凝土连续梁弯矩调幅分析

时间:2016-07-04来源: 作者: 点击: 70次




摘  要:预应力混凝土技术的应用,能够有效的改善结构性能,是节约钢材、能源和提高建筑结构经济性的重要措施。为研究张拉控制应力对高受压区预应力混凝土连续梁弯矩调幅的影响,本文采用有限元软件对48根后张有黏结预应力混凝土连续梁进行静力分析,获得张拉控制应力对连续梁性能的影响规律。计算预应力混凝土连续梁的弯矩调幅值,分析张拉控制应力对弯矩调幅的影响,提出合适的预应力混凝土连续梁弯矩调幅建议值。结果表明:预应力连续梁总的弯矩调幅值随着张拉控制应力的减小而减小,随着张拉控制应力的降低,预应力连续梁的荷载调幅增大,但是次弯矩调幅以更大的速度减小,总的调幅值随着张拉控制应力的降低而减小。该研究为预应力混凝土连续梁在工程中的应用提供参考依据。

关键词:预应力连续梁;弯矩调幅;张拉控制应力;张拉控制应力

Moment modification analysis on bonded post-tensioned prestressed concrete continuous beam

ZHAN JongDong LI Sai

(College of Civil Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318,China)

Abstract:The application of the prestressed concrete technology, can effectively improve the structure performance, is to save steel, energy and important measure to improve the economics of building structure .For the study of the tension control stress of high pressure zone the influence of the prestressed concrete continuous beam bending moment amplitude modulation, this article USES the finite element software for 48 root post-tensioned unbond prestressed concrete continuous beams are static analysis, tension control stress on the properties of continuous beam are studied .Bending moment modulation of prestressed concrete continuous beam calculation, the analysis of the effect of tension control stresses on the bending moment amplitude modulation, suggest appropriate prestressed concrete continuous beam bending moment amplitude modulation value. The results showed that: Prestressed continuous beam the total bending moment amplitude modulation value decreases with the decrease of the tension control stress, with the reduction of tension control stress load amplitude modulation of prestressed concrete continuous beam increases, but the secondary moment modulation with greater speed is reduced, the overall amplitude modulation value decreases with the loss of the tension control stress. The research for the application of prestressed concrete continuous beam in the engineering to provide the reference basis.

Key words: Prestressed continuous beam; Bending moment amplitude modulation; Tension control stress; Tension control stress

 

后张有粘结预应力混凝土连续梁由于可以在超载情况下能进行内力重分布,可以提高抗弯破坏强度,减小截面高度,有利于节约材料,提高建筑结构的经济性[1],现在作为一种现今很常见的结构形式得到越来越广泛的应用[2]

为此,笔者的主要目的是研究张拉控制应力对后张有粘结预应力混凝土连续梁的弯矩调幅的影响,为预应力混凝土连续梁在今后在工程中的应用和发展提供理论依据。

 

第一章 构件有限元模型的建立与对比分析

本章利用ABAQUS有限元软件[3]-[6]建立后张有粘结预应力混凝土连续梁的有限元模型,与已有的试验数据进行对比,模拟结果与试验结果吻合良好,验证了本文所采用的材料模型及建模方法的正确性和适用性。

1.1试验数据引用

本文所采用的后张有粘结预应力混凝土连续梁的各项参数与文献[7]的试验参数一致,纵向钢筋采用HR335级钢筋,预应力筋采用配置一束含有12根直径为5mm的碳素钢丝束,连续梁的箍筋采用HPB235级钢筋。试件的主要参数见表1-1,加载方式采用三分点加载方式。

 

表1-1 试件主要参数表

编号

截面

(mm×mm)

预应力筋形式

箍筋

纵筋

混凝土等级

张拉控制

应力

梁长

(mm)

净跨

(mm)

梁端

其余

两端

中支座

YL-1

150×350

曲线

Φ6.5@80

Φ6.5@200

2Ф12

2Ф12

2Ф12

C65

0.7fptk

15400

7600

YL-2

150×350

直线

Φ6.5@80

Φ6.5@200

2Ф12

2Ф25

2Ф12

C60

0.7fptk

15400

7600

注:预应力筋为一束125碳素钢丝束

 

 

 

 

1.2建立有限元模型

以试件YL-1为例,预应力连续梁有限元模型如图1.1所示。

图1.1  装配完成后的YL-1有限元模型

 

 

1.3结果分析和模型验证

下面以试件YL-1为例,针对建立模型的计算结果进行分析。

1.3.1应力云图分析

YL-1整体应力云图

 

 

图1.2  加载后试件YL-1的应力云图

1.4荷载和荷载位移曲线对比

YL-1YL-2的开裂荷载和极限荷载的模拟值与试验值进行对比,如表1-2所示。由表1-2可知开裂荷载和极限荷载的模拟值与试验值误差较小,误差都小于百分之十,证实模拟结果与试验结果吻合良好。

表2-1 开裂荷载和极限荷载

中支座开裂荷载(KN

跨中开裂荷载(KN

极限荷载(KN

试验值

模拟值

模拟值/试验值

试验值

模拟值

模拟值/试验值

试验值

模拟值

模拟值/试验值

YL-1

18

19

1.056

26

28

1.076

59

61

1.034

YL-2

12

13

1.083

20

21

1.050

56

58

1.036

    在模型进行了有限元分析计算后,需要进入可视化模块,对所得到的各项结果进行后处理。选择ODB场输出工具,得到各个所需节点或者单元的结果数据,把得到的结果数据处理后绘制预应力连续梁在荷载作用下的荷载-位移曲线,然后和已有的试验数据进行对比,用以验证模型的建立和分析方法的正确性,还能够通过与试验结果的对比来发现模拟分析中的误差,让模拟分析得到的结果可以尽量的趋向于试验结果。下面把ABAQUS模型计算得到的数据绘制成荷载-位移曲线,和已有试验的荷载-位移曲线对比,如图1.6所示。

 (a)YL-1                               (b)YL-2

图1.3 荷载-位移曲线对比图

由图1.5可以观察到,通过模拟计算得到的曲线,也就是荷载-位移曲线,和已有的试验曲线走向趋势相同,预应力连续梁在整个过程中经过了弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段。有限元模拟的结果和试验结果吻合良好。验证了本文所选取的材料本构模型和应用的建模方法的正确性。

第二章 张拉控制应力对预应力连续梁弯矩调幅的影响

针对构件YLZK-1-1、YLZK-1-2、YLZK-1-3、YLZK-1-4、YLZK-2-1、YLZK-2-2、YLZK-2-3、YLZK-2-4和YLXS-1、YLXS-2、YLXS-3和YLXS-4进行张拉控制应力的影响分析,分成受压区高度分别为0.30,0.35,0.40和0.45四组,张拉控制应力分别为0.8、0.7和0.5。其他参数均相同。

2.1预应力连续梁荷载对比

2.1.1. 不同张拉控制应力的预应力连续梁在静力荷载作用下的荷载见表2-1。

表2-1张拉控制应力影响荷载对比

梁号

相对受压区高度

张拉控制应力

开裂荷载(KN

极限荷载(KN

预应力筋最终应力

YLZK-1-1

0.30

0.8

16

74

1570

YLZK-1-2

0.35

0.8

20

85

1487

YLZK-1-3

0.40

0.8

25

96

1433

YLZK-1-4

0.45

0.8

28

108

1408

YLXS-1

0.30

0.7

15

75

1525

YLXS-2

0.35

0.7

17

86

1436

YLXS-3

0.40

0.7

18

98

1305

YLXS-4

0.45

0.7

20

109

1252

YLZK-2-1

0.30

0.5

11

77

1306

YLZK-2-2

0.35

0.5

13

88

1296

YLZK-2-3

0.40

0.5

15

99

1021

YLZK-2-4

0.45

0.5

18

112

1005

由上表可以看出,预应力连续梁的开裂荷载随着张拉控制应力的减小而降低,这是由于预应力的存在延缓了混凝土的开裂,推迟了结构的开裂时间,提高了结构构件的开裂荷载。预应力连续梁的极限荷载随着张拉控制应力的减小而升高,主要是因为非预应力筋的面积增加,提高了极限承载能力。而预应力筋的最终应力随着张拉控制应力减小降低的原因则主要是因为张拉预应力的初始应力的减小会导致预应力筋应力变化滞后。

2.1.2. 预应力连续梁荷载位移曲线对比

不同张拉控制应力的预应力连续梁的荷载位移曲线对比见图2.1。

        (a)=0.30                         (b)=0.35

        (c)=0.40                         (d)=0.45

图2.1 YLZK组荷载-位移曲线

2.1.3预应力连续梁弯矩调幅值对比

不同张拉控制应力的预应力连续梁在静力荷载作用下的弯矩调幅值见表2-2。

表2-2 张拉控制应力影响弯矩调幅值对比

梁号

相对受压区高度

次弯矩

弹性计算截面弯矩

模拟截面弯矩

次弯矩调幅%

荷载调幅%

弯矩总调幅值%

YLZK-1-1

0.30

27.47

149.43

124.85

18.38

-1.94

16.45

YLZK-1-2

0.35

32.05

170.61

143.41

18.78

-2.84

15.94

YLZK-1-3

0.40

36.62

190.49

161.97

19.23

-4.26

14.97

YLZK-1-4

0.45

41.20

209.49

182.22

19.67

-6.65

13.02

YLXS-1

0.30

24.03

149.43

126.54

16.08

-0.77

15.32

YLXS-2

0.35

28.04

170.61

145.10

16.43

-1.48

14.95

YLXS-3

0.40

32.05

190.49

165.35

16.82

-3.62

13.20

YLXS-4

0.45

36.05

209.49

183.90

17.21

-5.00

12.21

YLZK-2-1

0.30

17.17

149.43

129.91

11.49

1.57

13.06

YLZK-2-2

0.35

20.03

170.61

148.47

11.74

1.24

12.98

YLZK-2-3

0.40

22.89

190.49

167.03

12.02

0.30

12.31

YLZK-2-4

0.45

25.75

209.49

188.97

12.29

-2.50

9.80

从表中可以看到,预应力连续梁总的弯矩调幅值随着张拉控制应力的减小呈现下降的趋势,主要的原因是当相对受压区高度较高时,荷载调幅已不再是组成弯矩调幅的主要部分,随着受压区高度的增大甚至会出现负值,而由张拉预应力筋产生的初始次弯矩则起到了主导的作用,主要是依靠次弯矩调幅。因此,随着张拉控制应力的降低,预应力连续梁的荷载调幅增大,但是次弯矩调幅以更大的速度减小,总的调幅值随着张拉控制应力的降低而减小。

2.2实例分析

已知一双跨矩形截面预应力混凝土连续梁,每跨跨度为6.6m,截面宽150mm,高350mm,预应力度为0.7,选用C50混凝土,钢筋采用HRB335,配筋方式同图1.1,现分别采用弹性方法和本文的调幅方法计算结构的钢筋用量,采用三分点加载方式。

预应力连续梁在破坏时跟普通连续梁是相似的,所以本文采用普通双筋矩形截面的计算方法进行计算,下面对中支座截面进行受力计算。

 ,施加85kN的集中荷载

�. 弹性方法计算

受压区和受拉区钢筋选用,总用钢量为

解‚. 本文建议方法计算

计算相对受压区高度

0.33,根据 ,取用

受压区和受拉区钢筋选用,总用钢量为

由上面的计算可见,考虑预应力连续梁的弯矩调幅,可以大大节省钢筋的用量,即使在受压区较高的时候,调幅较小的情况下也能节省大量的钢材,这样可以提高工程的经济性,缩减工程的造价。

2.3本章小结

本章以预应力连续梁的张拉控制应力作为参数,运用有限元建模方法建立了48根预应力混凝土连续梁的有限元模型,获得了混凝土、钢筋和预应力筋的应力应变曲线,荷载位移曲线,开裂荷载、极限荷载,预应力筋最终应力和截面弯矩,通过分析得出了各个影响因素对预应力连续梁性能的影响规律。提出了本文关于高受压区预应力混凝土连续梁的调幅建议,并代入实例进行分析,为工程应用提供参考依据。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

参考文献

 

[1]            lker Fatih Kara,Ashraf F.Ashour.Moment Redistribution in Continuous FRP Reinforced Concrete Beams[J].Construction and Building Materials.2013,49:939-948.

 

[2]            P.Sharafi,M.N.S.Hadi.Lip H.Teh.Geometric Design Optimization for Dynamic Response Problems of Continuous Reinforced Concrete Beams[J].Journal of Computing in Civil Engineering.2014(2):202-209.

[3]            马晓峰.ABAQUS6.11有限元分析从入门到精通[M].北京:清华大学出版社,2013.

[4]            庄茁,张帆,岑松.ABAQUS非线性有限元分析与实例[M].北京:科学出版社,2005.

[5]            石亦平,周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京:机械工业出版社,2006.

[6]            夏日长,邓合霞.基于ABAQUS的深水立管强度分析[J].船海工程,2013(2):115-117.

[7]            简斌.对后张有粘结部分预应力混凝土连续梁次内力及内力重分布规律的试验及研究[D].重庆:重庆大学.1999.

 

 

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