23 大跨度大噸位預(yù)應(yīng)力桁架拉索預(yù)應(yīng)力

1、張拉虛擬仿真過(guò)程研究摘要：為解決大跨預(yù)應(yīng)力鋼桁架拉索預(yù)緊力施加的精確控制問(wèn)題，采用有限元數(shù)值計(jì)算的方法研究拉索張拉的模擬施工過(guò)程，該方法結(jié)合具體的工程案例并通過(guò)精細(xì)化的有限元建模，計(jì)算預(yù)應(yīng)力拉索張拉過(guò)程中不同階段的拉索內(nèi)力分布及相互關(guān)系，最終建立反映代表性的18榀大跨預(yù)應(yīng)力鋼桁架結(jié)構(gòu)二次循環(huán)加載的仿真施工過(guò)程，并確定了預(yù)應(yīng)力拉索的最大內(nèi)力值及對(duì)應(yīng)的位置并與工程實(shí)際結(jié)果相比較，其誤差率不超過(guò)1%，與拉索自身結(jié)構(gòu)與所處的區(qū)域相關(guān)。大跨預(yù)應(yīng)力鋼桁架結(jié)構(gòu)拉索張拉過(guò)程仿真與工程實(shí)際結(jié)果比較表明，該施工過(guò)程仿真精度高是工程具體實(shí)施的科學(xué)指導(dǎo)依據(jù)。關(guān)鍵詞：大跨預(yù)應(yīng)力鋼桁架 拉索張拉 施工仿真技術(shù) 二次循環(huán)加

2、載 拉索內(nèi)力分布預(yù)應(yīng)力拉索張拉施工是預(yù)應(yīng)力技術(shù)的重點(diǎn)與難點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)主要集中在利用有限元仿真技術(shù)針對(duì)不同復(fù)雜程度的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)施工過(guò)程進(jìn)行模擬，其中在仿真技術(shù)理論方面，劉學(xué)武等人在研究中給出了預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程中的力學(xué)模型，為精細(xì)化仿真奠定基礎(chǔ)1；崔曉強(qiáng)和郭彥林等人提出了一種大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程的結(jié)構(gòu)分析方法，為提高虛擬仿真的精度奠定基礎(chǔ)2，Moallem M和hetif E T等人3-4相繼提出了適用于預(yù)應(yīng)力張拉的有限元修正的方法，有效提高了施工仿真過(guò)程的計(jì)算精度；在預(yù)應(yīng)力拉索張拉施工仿真研究方面，陳亮等人5在文獻(xiàn)中以大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)為對(duì)象，對(duì)預(yù)應(yīng)力張拉的過(guò)程進(jìn)行了全過(guò)程的仿真模擬，獲得較好

3、的工程應(yīng)用效果；唐興國(guó)等6以北京電視中心高層鋼結(jié)構(gòu)為對(duì)象采用LS-DYNA軟件詳細(xì)仿真了張拉過(guò)程，證明了張拉過(guò)程中的力學(xué)規(guī)律；葛家琪等人7對(duì)支穹頂預(yù)應(yīng)力施工過(guò)程仿真分析，對(duì)工程的順利實(shí)施提供了科學(xué)的指導(dǎo)；張國(guó)軍和秦杰等人分析了弦支穹頂結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)位移、環(huán)索內(nèi)力和徑向拉桿內(nèi)力變化規(guī)律進(jìn)行了研究確認(rèn)了張拉施工過(guò)程的安全性，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)研究，兩者具有較好的吻合度8-9；董石麟等人10對(duì)弦支穹頂施工張拉全過(guò)程實(shí)施監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明張拉的順序?qū)鞯膽?yīng)力變化值影響明顯。因此，綜合國(guó)內(nèi)外研究情況表明模擬值與實(shí)測(cè)值變化規(guī)律存在差異，但由于工程的特殊性計(jì)算精度存在明顯的誤差。本文結(jié)合某具

4、體工程的大跨度大噸位預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)，研究預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)張拉過(guò)程中的仿真計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)張拉后拉索及轉(zhuǎn)換器關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)應(yīng)力實(shí)際結(jié)果的誤差值，最終證明有限元數(shù)值計(jì)算的精確性與該結(jié)構(gòu)的可靠性。2.1 工程概況河海大學(xué)體育館工程整個(gè)屋蓋由18榀預(yù)應(yīng)力主桁架結(jié)構(gòu)作為承載力體系，在主桁架上弦和下弦穿入1860級(jí)5 MPa，直徑d=，單根截面面積為139mm，其性能滿足預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線GB/T 5224-2003及無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線JG161-2004的規(guī)定，張拉端錨具采用“OVM”專利技術(shù)的防松夾片錨具并符合相關(guān)技術(shù)規(guī)程11，預(yù)應(yīng)力鋼桁架及拉索布置如下圖1所示：圖1 大跨度大噸位預(yù)應(yīng)力鋼桁架及拉索布置圖2.2

5、預(yù)應(yīng)力拉索施工工藝本工程共有18榀大跨預(yù)應(yīng)力桁架，其中預(yù)應(yīng)力索的編號(hào)如下圖2所示。圖2 18榀大跨度大噸位預(yù)應(yīng)力桁架拉索布置預(yù)應(yīng)力索的編號(hào)為：K、J、H、G、E、D、C、5、6、7、8、9、11、12、13、14、15和16，其中索K到C與X坐標(biāo)軸平行，索5到16與X坐標(biāo)軸垂直。分為兩個(gè)循環(huán)進(jìn)行，即第一個(gè)循環(huán)按從索K到C、再?gòu)乃?6到5進(jìn)行張拉，對(duì)所有的預(yù)應(yīng)力索施加數(shù)值為最終張拉控制力一半的預(yù)應(yīng)力；第二個(gè)循環(huán)仍按從索K到C、再?gòu)乃?6到5進(jìn)行張拉，施加另外一半的預(yù)應(yīng)力，使18根預(yù)應(yīng)力索在最后一個(gè)施工階段結(jié)束時(shí)達(dá)到最終張拉控制力，其施工過(guò)程如下：混凝土、鋼骨混凝土及鋼桁架結(jié)構(gòu)成形就位；按從索K到

6、C、再?gòu)乃?6到5的順序進(jìn)行第一個(gè)循環(huán)的預(yù)應(yīng)力索張拉，第一循環(huán)結(jié)束時(shí)，所有18根預(yù)應(yīng)力索達(dá)到目標(biāo)索力的50%；按從索K到C、再?gòu)乃?6到5的順序進(jìn)行第二個(gè)循環(huán)的預(yù)應(yīng)力索張拉，第二循環(huán)結(jié)束時(shí)所有預(yù)應(yīng)力索達(dá)到目標(biāo)索力。該工程的難點(diǎn)主要體現(xiàn)對(duì)張拉預(yù)應(yīng)力大小精度的控制，其根本原因在于預(yù)應(yīng)力鋼桁架具有大跨度、大噸位對(duì)荷載敏感的特點(diǎn)，采用施工仿真手段確定精細(xì)化的荷載作用模型以保證不同張拉順序情況下桁架結(jié)構(gòu)的安全、穩(wěn)定，同時(shí)高精度的預(yù)應(yīng)力張拉數(shù)值仿真過(guò)程是實(shí)現(xiàn)桁架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換器深化設(shè)計(jì)的前提，其創(chuàng)新體現(xiàn)在基于工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際與施工工藝循環(huán)張拉精細(xì)化高精度張拉計(jì)算過(guò)程。預(yù)應(yīng)力拉索張拉施工仿真計(jì)算采用有限元分析軟件

7、ANSYS10.0有限元軟件進(jìn)行分析，混凝土筒體結(jié)構(gòu)采用墻單元進(jìn)行模擬；鋼桁架構(gòu)件及鋼骨混凝土構(gòu)件采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬；預(yù)應(yīng)力拉索采用桁架單元進(jìn)行模擬12-1310410-5；104MPa;104MPa。10510-510510-5。荷載的選擇按照以下標(biāo)準(zhǔn)，即施工分析荷載根據(jù)施工過(guò)程考慮結(jié)構(gòu)自重及各層恒載；104N/m3；104N/m3；104N/m3；坐標(biāo)軸方向的設(shè)定滿足：X坐標(biāo)軸正向與軸線5垂直，指向軸線16；Y坐標(biāo)軸正向與軸線5平行，由軸線C指向軸線K方向；Z坐標(biāo)軸正向?yàn)樨Q直向上14-15?；谑┕すに嚵鞒痰念A(yù)應(yīng)力拉索張拉內(nèi)力如下所示，其中圖3圖11是在第一循環(huán)結(jié)束時(shí)各施工段各預(yù)應(yīng)力拉索的

8、內(nèi)力分布，圖12圖20是在第二循環(huán)結(jié)束時(shí)各施工段個(gè)預(yù)應(yīng)力拉索的內(nèi)力分布。圖3 K1施工階段預(yù)應(yīng)力索內(nèi)力分布 圖4H1施工階段預(yù)應(yīng)力索內(nèi)力分布圖5E1施工階段預(yù)應(yīng)力索內(nèi)力分布 圖6C1施工階段預(yù)應(yīng)力索內(nèi)力分布圖7 151施工階段預(yù)應(yīng)力索內(nèi)力分布 圖8 131施工階段預(yù)應(yīng)力索內(nèi)力分布圖9 111施工階段預(yù)應(yīng)力索內(nèi)力分布 圖10 81施工階段預(yù)應(yīng)力索內(nèi)力分布圖11 61施工階段預(yù)應(yīng)力索內(nèi)力分布 圖12 K2施工階段預(yù)應(yīng)力索內(nèi)力分布圖13 H2施工階段預(yù)應(yīng)力索內(nèi)力分布 圖14 E2施工階段預(yù)應(yīng)力索內(nèi)力分布圖15 C2施工階段預(yù)應(yīng)力索內(nèi)力分布 圖16 152施工階段預(yù)應(yīng)力索內(nèi)力分布圖17 132施工階段

9、預(yù)應(yīng)力索內(nèi)力分布 圖18 112施工階段預(yù)應(yīng)力索內(nèi)力分布圖19 82施工階段預(yù)應(yīng)力索內(nèi)力分布 圖20 62施工階段預(yù)應(yīng)力索內(nèi)力分布由上圖分析可知，軸線處的預(yù)應(yīng)力拉索內(nèi)力值最小為7900Pa,軸線處的預(yù)應(yīng)力拉索內(nèi)力值最大為29700Pa,其符合預(yù)應(yīng)力鋼桁架結(jié)構(gòu)布局加強(qiáng)轉(zhuǎn)角位置處承載力要求的分布規(guī)律，是最大荷載承載力的保證，而對(duì)于其中的每一條預(yù)應(yīng)力拉索在轉(zhuǎn)角處所承受的內(nèi)力值較拉索的水平段和豎直段較小，其最大內(nèi)力值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)向器的節(jié)點(diǎn)處，符合實(shí)際規(guī)律16，同時(shí)也表明不同轉(zhuǎn)角形態(tài)的預(yù)應(yīng)力拉索轉(zhuǎn)角器對(duì)于拉索的內(nèi)力分布及預(yù)應(yīng)力施加值影響明顯，由于不同榀間預(yù)應(yīng)力鋼桁架的獨(dú)立性，施工過(guò)程中各榀間的相互影響較小，

10、而分兩次循環(huán)加載、每次加載目標(biāo)預(yù)應(yīng)力值的50%的加載方式滿足施工要求，其最終索力可以滿足預(yù)先設(shè)定的張拉控制力的要求，其誤差不超過(guò)1.5%。本實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)依據(jù)張拉過(guò)程中拉索所施加的荷載過(guò)程監(jiān)測(cè)其內(nèi)力分布情況，利用對(duì)不均勻?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)的判斷，將主要測(cè)點(diǎn)布置在應(yīng)力集中較為嚴(yán)重的區(qū)域，共設(shè)30個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)試過(guò)程中均采用ll電阻應(yīng)變片以跟蹤測(cè)量桿件的應(yīng)變值，為消除偏心彎曲影響采用對(duì)稱串聯(lián)半橋四片補(bǔ)償塊法的貼片方案17，而對(duì)于純彎曲引起的應(yīng)變測(cè)量，為消除軸力的影響，采用對(duì)稱半橋工作片補(bǔ)償法的貼片方案。同時(shí)，共設(shè)2個(gè)共用溫度補(bǔ)償塊，在每個(gè)加載段內(nèi)按靜力問(wèn)題考慮，采用靜態(tài)電阻應(yīng)變儀并配預(yù)調(diào)平衡箱進(jìn)行觀測(cè)。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中將

11、荷載劃分為若干個(gè)加載段，先進(jìn)行第一個(gè)循環(huán)的加載以消除結(jié)構(gòu)和應(yīng)變片的非線性影響，此時(shí)所有桿件均處于彈性階段，待測(cè)試完成后保持全部荷載，停滯約8小時(shí)，且進(jìn)行第二個(gè)循環(huán)的加載工作，第二輪的加載可能進(jìn)入的進(jìn)入塑性階段，若出現(xiàn)較為明顯的塑性變形應(yīng)及時(shí)卸載，整個(gè)加載過(guò)程應(yīng)及時(shí)記錄數(shù)據(jù)，其施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)施情況如下圖21和圖22所示。圖21 預(yù)應(yīng)力拉索的初次張拉過(guò)程 圖22 預(yù)應(yīng)力拉索的二次張拉過(guò)程5.2拉索實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析本張拉后實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的實(shí)施數(shù)據(jù)結(jié)果及對(duì)比情況如下表1所示：大跨度大噸位預(yù)應(yīng)力拉索張拉及實(shí)時(shí)實(shí)測(cè)結(jié)果 表1編號(hào)第一次循環(huán)第二次循環(huán)實(shí) 測(cè)值Pa計(jì) 算值MPa誤差率%實(shí) 測(cè)值MPa計(jì) 算值MPa誤差

12、率%K885089001789217800H890689891779917700E14801149002984129700C148201490019952198001517852790015996159001317851790015901158001117859790015889158008178627900156141550061786679001570115600由以上計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比可知，其計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的誤差不超過(guò)1%，說(shuō)明該數(shù)值計(jì)算的精度可靠，用數(shù)值計(jì)算的方法計(jì)算預(yù)應(yīng)力拉索的過(guò)程真實(shí)可靠，可完全體現(xiàn)客觀實(shí)際。同時(shí)對(duì)比結(jié)果還表明，初次張拉計(jì)算值較實(shí)測(cè)值偏大，而二次張拉的計(jì)算值較實(shí)測(cè)值

13、偏小，其變化規(guī)律說(shuō)明，初次張拉的過(guò)程中拉索本身存在著細(xì)觀的缺陷或者材料本身內(nèi)部存在缺陷，而二次張拉在克服材料缺陷的前提下實(shí)施，故計(jì)算值較實(shí)測(cè)值偏小，反映客觀實(shí)際。二次張拉后數(shù)值計(jì)算的結(jié)果與30天后實(shí)測(cè)結(jié)果如下表2所示：大跨度大噸位預(yù)應(yīng)力拉索計(jì)算值與30天后實(shí)測(cè)值結(jié)果 表2編號(hào)仿真值MPa第二次循環(huán)實(shí)測(cè)值MPa30天后監(jiān)測(cè)值誤差率%K1780017880H1770017729E2970029771C1980019922151159001598013115800158741111580015861811550015584611560015654由以上計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比可知，其張拉數(shù)值仿真的計(jì)算值與

14、30天后實(shí)際監(jiān)測(cè)值的最大誤差不超過(guò)0.62%，說(shuō)明數(shù)值仿真計(jì)算研究張拉過(guò)程具有相當(dāng)精度和可靠性，30天后的實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果較二次張拉后實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的結(jié)果稍稍偏小，反應(yīng)預(yù)應(yīng)力在初期存在一定程度小范圍內(nèi)的應(yīng)力松弛現(xiàn)象，屬于正常的工程現(xiàn)象18。（1）結(jié)合實(shí)際工程工況，提出預(yù)應(yīng)力拉索二次加載張拉的施工工藝，并建立與其對(duì)應(yīng)的精細(xì)化數(shù)值仿真計(jì)算模型。（2）通過(guò)基于預(yù)應(yīng)力拉索張拉過(guò)程的數(shù)值仿真計(jì)算，計(jì)算出具有代表性的18個(gè)施工階段預(yù)應(yīng)力拉索的內(nèi)力值分布云圖，并計(jì)算出軸線處的預(yù)應(yīng)力拉索內(nèi)力值最小，其內(nèi)力值為7900Pa，軸線處的預(yù)應(yīng)力拉索內(nèi)力值最大，其值為29700Pa，符合預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)布局及實(shí)際承載力規(guī)律。（3）每榀

15、預(yù)應(yīng)力桁架中的內(nèi)力值在轉(zhuǎn)角處最大、水平段及豎直端均稍小的分布規(guī)律客觀真實(shí)，也說(shuō)明預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)中拉索轉(zhuǎn)向器的構(gòu)造對(duì)施加的預(yù)應(yīng)力影響較大，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)向器的深化設(shè)計(jì)是拉索張拉施工中需正確解決的問(wèn)題。（4）預(yù)應(yīng)力拉索施工仿真技術(shù)表明兩次循環(huán)加載、每次加載目標(biāo)預(yù)應(yīng)力值的50%的加載方式滿足施工要求，其最終索力可以滿足預(yù)先設(shè)定的張拉控制力的要求，平均誤差不超過(guò)1.5%，同時(shí)與監(jiān)測(cè)結(jié)果基本吻合，其誤差率不超過(guò)1%，而造成誤差的原因主要是拉索材料內(nèi)部自身缺陷及所處的部位相關(guān)，可證明該張拉仿真過(guò)程的精確性與可靠性。（5）二次張拉完成后預(yù)應(yīng)力拉索張拉數(shù)值仿真的計(jì)算值與30天后實(shí)際監(jiān)測(cè)值的最大誤差不超過(guò)0.62%，且反

16、應(yīng)結(jié)構(gòu)在開(kāi)始階段小范圍程度上的應(yīng)力松弛現(xiàn)象。參考文獻(xiàn)1劉學(xué)武.大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)分析及應(yīng)用研究D,清華大學(xué),2008.Liu Xuewu. Large complex steel structure construction mechanics analysis and application research D, tsinghua university, 2008.2郭彥林,葉可明,崔曉強(qiáng).大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程的結(jié)構(gòu)分析方法研究J.工程力學(xué), 2006, 23(5): 83-88.Guo Yanlin Ye Keming, Cui Xiaojiang. The structure of

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