预应力混凝土索梁结构体系理论与试验研究.pdf

6 2 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第3 7卷第 6期 2 0 1 1 年 1 2月 预应力混凝土索梁结构体系理论与试验研究 谢新颖， 尹新生 吉林建筑工程学院土木工程学院， 吉林 长春1 3 0 0 2 1 摘要 主要利用有限元分析软件及模型试验方法， 对预应力混凝土索梁结构体系的受力状态进行理论分析和试验研究。预 应力混凝土索梁结构体系的承载力很大， 索梁比普通的钢筋混凝土梁 自重轻、 造价低、 施工时间短， 能适用更大的跨度， 具有 很好的工 程实用价值 。 关键词 预应力索梁结构体系； 有限元软件； 模型试验； 理论与试验研究 中图分类号 T U 3 9 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 1 9 3 3 2 0 1 1 0 6 0 6 2～ 0 4 Re s e a r c h o f t h e o r y a n d t e s t o n c a b l e ． b e a m s t r u c t u r e s y s t e ms i n p r e s t r e s s e d c o n c r e t e XI E Xi n y i n g， YI N Xi n s h e n g I n s t i t u t e o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， J i l i n A r c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n gi n e e r i n g I i n s t i t u t e ， C h a n g c h u n 1 3 0 0 2 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e p a p e r a n a l y z e d a n d r e s e a r c h e d t h e f o r c e s t a t e me n t o f p r e s t r e s s e d c o n c r e t e c a b l e b e a m s t r u c t u r e s y s t e ms i n u s e o f t h e s o f t w a r e o f fi n i t e e l e me n t me t h o d a n d mod e l t e s t ． P r e s t r e s s e d c o n c ret e c a b l e b e a m s t ruc t u r e s y s t e ms c a n b e a r g r e a t c a p a b i l i t y， w h i c h h a s l e s s w e i g h t ， l e s s c o s t ， t h e s h o r t e r c o n s t ruc t i o n p e ri o d a n d l o n g e r s p a n t h a n o r d i n a r y r e i n f o r c e d c o n c r e t e ． I t i s v e r y s u i t a b l e t o p r a c t i c e ． Ke y wo r d s p res t res s e d c a b l e b e a m s t ruc t u r e s y s t e ms ； t h e s o f t wa r e o f fi n i t e e l e me n t me t h o d； mo d e l t e s t ； r e s e a r c h o f t h e o a n d t e s t 0 引 言 况和板的破坏形态进行分析研究。 本文所研究的预应力 混凝土索梁结构体系是 指 用预应力索代替钢筋混凝土梁 ， 直接作用在结构 上 ， 并在索和板之间用杆连接 的结构体系。在该结 构体系中， 预应力索能充分地发挥抗拉性能 ， 竖杆能 充分地发挥抗压性能 ， 当对索施加预应力 ， 一部分作 用力必然通过杆传到板上， 相当于作用于板上的一 系列荷载， 而板是以受弯为主的构件， 上侧受压、 下 侧受拉 ， 杆给板的下部 以压力。因此 ， 由于对索施加 预应力， 使杆受压， 杆把力传递到板上， 间接提高了 板的承载力。 索结构可以通过施加预应力合理地改变其他构 件的受力分布， 从而极大地提高了结构整体抵抗外 部效应作用的性能 ， 充分地发挥材料的潜能。 1 本文的主要研究方法 文本主要利用有限单元法 J ， 借助有限单元程 序 。 进行弹塑性分析； 同时采用模型试验， 对预应 力混凝土索梁结构体系整体工作时各构件的受力情 收稿 日期 2 0 0 9 1 0 - 2 2 作者简介 谢新颖 1 9 8 0一 ， 女， 吉林长春人， 博士， 讲师， 研究方向 为混凝土结 构、 岩土工程。 Ema i l x o rig i n a l 1 6 3． t o m 2 有限元分析 2 ． 1 有限元弹塑性分析的理论基础 为了得出预应力混凝土索梁结构体系在荷载作 用下弹性变形 、 开裂 、 破坏的全过程 ， 本文有限元弹 塑性分析中选用了混凝土固体单元 、 索单元 、 杆单元 和弹塑性本构关系。 2 ． 1 ． 1 混凝土单元基础理论 混凝土单元 是专为混凝 土岩石等抗 压能力 远大于抗拉能力的非均匀材料开发的单元。它可以 模拟混凝土中的加强钢筋以及材料的拉裂和压溃现 象。它是在三维 8节点等参单元 的基础上增加了针 对与混凝土的性能参数和组合式钢筋模型。混凝土 单元最多可以定义 3种不 同的加 固材料， 即此单元 允许同时拥有 4种不同的材料 。混凝土材料具有开 裂 、 压碎 、 塑性变形和蠕变的能力 ； 加强材料则 只能 受拉压 ， 不能承受剪切力。 图 1为混凝土固体单元几何示意图。 2 ． 1 ． 2索单元的选取 缆索采用双线性单元。其固有的双线性刚阵特 性使其成为一个轴向仅受拉或受压的杆单元， 很适 合来模拟缆索静力分析。用这种单元分析不但能很 好地表现实际的节点索链 的性质， 还能表现 由金属 谢新颖， 等 预应力混凝土索梁结构体系理论与试验研究 6 3 ， P r i s m Op t i o n ， T c t r a h c d r a l O p t io n - n o t r e c o mme n d e d 图 1 混凝土单元几何示意 Fi g ． 1 Ge o m e t r i c mo d e l o f c o n c r e t e e l e me n t 丝 、 股或索组成 的缆的性质。由于它不具有抗弯 的 能力， 所以用双线性单元来分析是非常好的， 计算的 精度和索长度的选取有很大 的关系， 同时要考虑索 的应力 刚化 问题 。 由于双线性单元是空 间单元 ， 所 以如果有节点 的此单元相连 ， 那么应该对那些节点给予适 当的约 束， 在这里应该给予 z向约束。悬索为铰约束。 2 ． 1 ． 3 杆单元的选取 杆件单元见图2 。该单元是单向拉伸一压缩直 杆单元， 即沿轴向的材料性质相同， 每个节点有3 个 自由度， 考虑的参量有弹塑性变形 、 蠕变 、 横 向变形 及应力强化等 ， 本文选择纵向应力随强化本构关系。 ， 图2 杆单元的几何模型 F i g ． 2 Ge o m e t r i c mod e l o f b a r e l e me n t 2 ． 2有限元分析的实现 2 ． 2 ． 1 模型的尺寸及 索梁的布置 模型的尺寸及索梁的布置如图 3所示。 L． Q Q J 图 3 索的布置 Fi g ． 3 Ar r an ge m e n t m a nne r of c abl e be a m 2 ． 2 ． 2几何模型和网格划分情况 几何模型和网格划分情况如图 4所示。 混凝土单元的网格划分 由于板的厚度比较薄， 所以z轴方向不再划分， 对于长宽方向即 ， y轴方 a 几何模型与网格划分 b 几何模型与网格划分 图 4几何模型 与网格划分示意 Fi g ． 4 Pr e s e n t at i o n dr awi ng o f g e o m e t r i c mo de l a nd me s hi ng 向每5 0 0 m m划分一个网格， 共划分 5 7 6个 6 面体； 对于索单元两个节点之间不再划分， 共 2 4个单元； 杆单元和索单元 的划分形式一样 ， 节点间也不再划 分 ， 共 2 2个单元 。 2 ． 2 ． 3 预应力混凝土索梁结构体 系下板的变形、 应 力及 应 变图形 在两对边支承情况下 ， 板的受力后的变形 图、 第 一 主应力及第一主应变图 ， 如图 5～7 所示。 Z [ 丘工 罗 图 5 受荷后变形 Fi g ． 5 De f o r m e d s h a p e 一 一 l 5 3 7 3 6 - 0 691 R 9 6 0． 2 1 23 D ． 1 61 5 0 6． 2 8 5 m] 9 21 l l s 6 图 6 第一主应力 Fi g ． 6 1 s t p rin c i p l e s t r e s s 簟 。 3 o E 2 -1 2 2 l E ． 1． 8 l 3 E -I 1 04 E ． 】 0 ． 1 0 2 4 E 0 -1 l 0 45 B 0 ． 1 1 o 6 E_ l o 图 7 第一主应变 F i g ． 7 1 s t p r i n c i p l e t o t a l s t r a i n 可以看出， 此结构体系属受弯构件， 板最终发生 受弯破坏。 谢新颖， 等 预应力混凝土索梁结构体系理论与试验研究 6 5 坏 以前 ， 随着荷载的增加 ， 位移变化基本保持线性。 当加载到 6级荷载的时候 ， 位移发生突变。由于构 件变形过大， 无法再继续加载， 此时荷载为 1 9 5 k N， 最终卸荷。索的布置情况决定整个模型的受力机 理。预应力混凝土索梁结构体系从整体人手进行考 虑， 由于索的布置较少， 所以， 整个体系属于受弯构 件， 开裂的位置首先在跨中出现 。 图 l 3 索的荷载一 应变关系 Fi g ． 1 3 P 。 c u r v e f o r s p e c i me n o f c a b l e 表 1 位移 和索测点 位置数据 Ta b l e 1 T h e d a t a o f d i s p l a c e m e n t a n d c a b l e a r r a n g e me n t P／ k N 、 O 1 ． 5 2 2． 6 3． 1 4． 1 5． 4 5． 6 6． 5 。位 移 7 O 2 3 8 2 6 2 2 9 4 3 O 6 3 4 4 3 8 6 4 3 2 4 6 4 位移位移位移索 1 索 2 5 6 7 3 4 ⋯⋯ O O O O 0 8 6 一l o 2 2 4 1 2 l 2 71 I 1 6 4 8 2 1 0 5 1 3 5 1 7 7 2 5 7 6 1 3 5 2 1 2 2 51 6 1 1 3 1 5 5 1 9 7 3 O 6 1 1 6 1 3 1 6 4 5 7 6 1 2 5 2 1 3 2 61 3 1 1 3 1 6 4 O 1 6 6 5 7 9 1 31 2 2 0 2 6 9 3 2 1 0 1 6 8 8 1 6 5 5 8 0 1 41． - 2 3 5 - 28 4 3 3 8 5 1 7 7 6 1 72 5 8 9 1 5 8 2 5 9 3 1 l 4 0 8 3 2 1 5 0 2 1 7 6 5 4 1 7 9 ． 3 4 1 ． 3 8 9 41 5 7 2 1 8 5 2 1 5 6 51 l 91 3 4 9 3 9 6 4 结论 预应力混凝土索梁结构体系从整体人手进行考 虑， 从裂缝的开展情况可以看出， 开裂的位置首先在 跨中出现， 整个体系属于受弯构件， 整体的受力形势 与破坏形态与有限元软件分析完全相符。 索 的使用可增大建筑结构 的跨度。通过试验可 以看出， 预应力混凝土索梁结构体系的承载力很大， 索梁 比普通的钢筋混凝土梁 自重轻 、 造价低、 施工时 间短， 能适用更大的跨度， 具有很好的工程实用 价值。 参 考 文 献 [ 1 ] 薛守义． 有限单元法[ M ] ． 北京 中国建筑工业出版社， 2 0 0 5 2 3 4-3 2 6． [ 2 ] 过镇海． 钢筋混凝土原理[ M] ． 北京 清华大学出版社， 1 9 9 9 2 5 4-26 7， 1 3 4 1 3 5 ． [ 3 ] 王传志， 滕志明． 钢筋混凝土结构理论[ M] ． j E 京 中国建筑工 业出版社 ， 1 9 8 5 1 9 - 3 1 ． [ 4 ] 陆新征， 江见鲸． 用 A N S Y S S o l i d 6 5单元分析混凝土组合构件 复杂应力[ J ] ． 建筑结构， 2 0 0 3 3 3 2 2 - 2 4 ． [ 5 ] 张新培． 钢筋混凝土抗震结构非线性分析[ M] ． 北京 清华大 学出版社。 2 0 0 3 1 - 2 9 ． [ 6 ] 董丽欣． 现浇混凝土空心板截孔板带受剪承载力试验研究 [ R] ． 黑龙江 哈尔滨工 业大学 ， 2 0 0 5 3 2 - 3 5 ． 上接 第 3 7页 数值分析的地震反应结果 进行 了对 比分析， 可以得 出以下结论 1 模型结构在 7度小、 中地震作用下基本处 于 弹性状态 ， 在大地震作用下 ， 结构开始进入弹塑性 ； 2 模型结构在 7度小、 中、 大地震作用下 ， 其最 大相对位移、 层间位移 、 层间位移角均满足规范的要 求 ， 说 明模型结构在 7度大地震作用下是安全的， 且 具有 良好的抗震性能； 3 从各种曲线形状可知 ， 总体上看结构的刚度 是相对比较均匀的， 但在模型顶部 、 底部地震反应较 大， 可对该部位进行加强 ； 4 模型的振动台试验分析和动力时程数值分 析的曲线比较吻合， 而 P u s h o v e r 数值分析的相对位 移曲线与前两者有较大差异， 其反应较大， 说明 P u s h o v e r 数值分析 的结果与其他两者相比， 较为 保守 。 参 考 文 献 [ 1 ] A p p l i e d T e c h n o l o g y C o u n c il ． A T C - 4 0 ． S e i s m i c e v a l u a t i o n a n d l e t - r o fl t o f c o n c r e t e b u i l d i n g s ． R e d w o o d C i ty [ s ] ． U S A ， V o l 1 ， 1 9 9 6 ． [ 2 ] 陈绍蕃． 钢结构稳定设计指南[ M] ． 北京 中国建筑工业出版 社 ， 1 9 9 6 ． [ 3 ] G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1 建筑抗震设计规范[ S ] ． [ 4 ] G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3钢结构设计规范[ s ] ． 【 5 ] 吴素静． P u s h o v e r 分析及时程分析在实际结构工程中的应用与 研究[ D ] ． 西安 西安建筑科技大学， 2 0 0 3 ． [ 6 ] 钱稼茹， 罗文斌． 静力弹塑性分析 一 基于性能／ 位移抗震设计 的分析工具[ J ] ． 建筑结构， 2 0 0 0 6 ． O 0 0 0 O 0 加 珈铷 枷 锄 i