23. 大跨度大吨位预应力桁架拉索预应力

大跨度大吨位预应力桁架拉索预应力 张拉虚拟仿真过程研究 摘要 为解决大跨预应力钢桁架拉索预紧力施加的精确控制问题 采用有限元数值计算 的方法研究拉索张拉的模拟施工过程 该方法结合具体的工程案例并通过精细化的有限元 建模 计算预应力拉索张拉过程中不同阶段的拉索内力分布及相互关系 最终建立反映代 表性的 18 榀大跨预应力钢桁架结构二次循环加载的仿真施工过程 并确定了预应力拉索的 最大内力值及对应的位置并与工程实际结果相比较 其误差率不超过 1 与拉索自身结构 与所处的区域相关 大跨预应力钢桁架结构拉索张拉过程仿真与工程实际结果比较表明 该施工过程仿真精度高是工程具体实施的科学指导依据 关键词 大跨预应力钢桁架 拉索张拉 施工仿真技术 二次循环加载 拉索内力分布 1 前言 预应力拉索张拉施工是预应力技术的重点与难点 国内外研究的热点主要集中在利用 有限元仿真技术针对不同复杂程度的预应力结构施工过程进行模拟 其中在仿真技术理论 方面 刘学武等人在研究中给出了预应力张拉过程中的力学模型 为精细化仿真奠定基础 1 崔晓强和郭彦林等人提出了一种大跨度钢结构施工过程的结构分析方法 为提高虚拟 仿真的精度奠定基础 2 Moallem M 和 hetif E T 等人 3 4 相继提出了适用于预应力张拉的 有限元修正的方法 有效提高了施工仿真过程的计算精度 在预应力拉索张拉施工仿真研 究方面 陈亮等人 5 在文献中以大型复杂钢结构为对象 对预应力张拉的过程进行了全过 程的仿真模拟 获得较好的工程应用效果 唐兴国等 6 以北京电视中心高层钢结构为对象 采用 LS DYNA 软件详细仿真了张拉过程 证明了张拉过程中的力学规律 葛家琪等人 7 对 支穹顶预应力施工过程仿真分析 对工程的顺利实施提供了科学的指导 张国军和秦杰等 人分析了弦支穹顶结构预应力施工过程中结构位移 环索内力和径向拉杆内力变化规律进 行了研究确认了张拉施工过程的安全性 同时对其进行实时的检测研究 两者具有较好的 吻合度 8 9 董石麟等人 10 对弦支穹顶施工张拉全过程实施监测 监测数据表明张拉的顺 序对拉索的应力变化值影响明显 因此 综合国内外研究情况表明模拟值与实测值变化规 律存在差异 但由于工程的特殊性计算精度存在明显的误差 本文结合某具体工程的大跨度大吨位预应力钢结构 研究预应力钢结构张拉过程中的 仿真计算结果与监测张拉后拉索及转换器关键节点应力实际结果的误差值 最终证明有限 元数值计算的精确性与该结构的可靠性 2 工程概况及拉索张拉施工工艺 2 1 工程概况 河海大学体育馆工程整个屋盖由 18 榀预应力主桁架结构作为承载力体系 在主桁架上 弦和下弦穿入 1860 级 15 2 无粘结环氧喷涂钢绞线 钢绞线抗拉强度标准值 fptk 1860MPa 弹性模量 Es 1 95X105 MPa 直径 d 15 2mm 单根截面面积为 139mm 其 性能满足 预应力混凝土用钢绞线 GB T 5224 2003 及 无粘结预应力钢绞线 JG161 2004 的规定 张拉端锚具采用 OVM 专利技术的防松夹片锚具并符合相关技术规程 11 预应力钢桁架及拉索布置如下图 1 所示 图 1 大跨度大吨位预应力钢桁架及拉索布置图 2 2 预应力拉索施工工艺 本工程共有 18 榀大跨预应力桁架 其中预应力索的编号如下图 2 所示 图 2 18 榀大跨度大吨位预应力桁架拉索布置 预应力索的编号为 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 与 X 坐标轴平行 索 5 到 16 与 X 坐标轴垂直 分为两个循环进行 即第 一个循环按从索 K 到 C 再从索 16 到 5 进行张拉 对所有的预应力索施加数值为最终张拉 控制力一半的预应力 第二个循环仍按从索 K 到 C 再从索 16 到 5 进行张拉 施加另外一 半的预应力 使 18 根预应力索在最后一个施工阶段结束时达到最终张拉控制力 其施工过 程如下 混凝土 钢骨混凝土及钢桁架结构成形就位 按从索 K 到 C 再从索 16 到 5 的顺序进行第一个循环的预应力索张拉 第一循环结束时 所有 18 根预应力索达到目标索 力的 50 按从索 K 到 C 再从索 16 到 5 的顺序进行第二个循环的预应力索张拉 第二 循环结束时所有预应力索达到目标索力 该工程的难点主要体现对张拉预应力大小精度的控制 其根本原因在于预应力钢桁架 具有大跨度 大吨位对荷载敏感的特点 采用施工仿真手段确定精细化的荷载作用模型以 保证不同张拉顺序情况下桁架结构的安全 稳定 同时高精度的预应力张拉数值仿真过程 是实现桁架结构节点转换器深化设计的前提 其创新体现在基于工程现场实际与施工工艺 循环张拉精细化高精度张拉计算过程 3 有限元数值计算模型的建立 预应力拉索张拉施工仿真计算采用有限元分析软件 ANSYS10 0 有限元软件进行分析 混凝土筒体结构采用墙单元进行模拟 钢桁架构件及钢骨混凝土构件采用梁单元进行模拟 预应力拉索采用桁架单元进行模拟 12 13 混凝土采用 C40 C50 和 C60 混凝土 其特征值 满足 C40 的弹性模量为 3 26 104MPa 泊松比为 0 2 温度膨胀系数为 1 0 10 5 C50 的弹性模量为 3 46 104MPa C60 的弹性模量为 3 60 104MPa 钢桁架钢材采用 Q345 钢 弹性模量为 2 06 105MPa 泊松比为 0 3 温度膨胀系数为 1 2 10 5 钢骨混凝土中钢材 采用 Q345 钢 混凝土采用 C40 混凝土 预应力拉索钢材采用 Strand1860 钢 弹性模量为 1 95 105MPa 泊松比为 0 3 温度膨胀系数为 1 2 10 5 荷载的选择按照以下标准 即 施工分析荷载根据施工过程考虑结构自重及各层恒载 混凝土构件的容重为 2 5 104N m3 钢构件的容重为 7 698 104N m3 预应力索构件的容重为 7 85 104N m3 坐标轴方向的设定满足 X 坐标轴正向与轴线 5 垂直 指向轴线 16 Y 坐 标轴正向与轴线 5 平行 由轴线 C 指向轴线 K 方向 Z 坐标轴正向为竖直向上 14 15 4 张拉施工仿真的数值计算结果 基于施工工艺流程的预应力拉索张拉内力如下所示 其中图 3 图 11 是在第一循环结 束时各施工段各预应力拉索的内力分布 图 12 图 20 是在第二循环结束时各施工段个预 应力拉索的内力分布 图 3 K1 施工阶段预应力索内力分布 图 4 H1 施工阶段预应力索内力分布 图 5 E1 施工阶段预应力索内力分布 图 6 C1 施工阶段预应力索内力分布 图 7 151 施工阶段预应力索内力分布 图 8 131 施工阶段预应力索内力分布 图 9 111 施工阶段预应力索内力分布 图 10 81 施工阶段预应力索内力分布 图 11 61 施工阶段预应力索内力分布 图 12 K2 施工阶段预应力索内力分布 图 13 H2 施工阶段预应力索内力分布 图 14 E2 施工阶段预应力索内力分布 图 15 C2 施工阶段预应力索内力分布 图 16 152 施工阶段预应力索内力分布 图 17 132 施工阶段预应力索内力分布 图 18 112 施工阶段预应力索内力分布 图 19 82 施工阶段预应力索内力分布 图 20 62 施工阶段预应力索内力分布 由上图分析可知 轴线 处的预应力拉索内力值最小为 7900Pa 轴线 处的预应力拉 索内力值最大为 29700Pa 其符合预应力钢桁架结构布局加强转角位置处承载力要求的分布 规律 是最大荷载承载力的保证 而对于其中的每一条预应力拉索在转角处所承受的内力 值较拉索的水平段和竖直段较小 其最大内力值出现在转向器的节点处 符合实际规律 16 同时也表明不同转角形态的预应力拉索转角器对于拉索的内力分布及预应力施加值影响明 显 由于不同榀间预应力钢桁架的独立性 施工过程中各榀间的相互影响较小 而分两次 循环加载 每次加载目标预应力值的 50 的加载方式满足施工要求 其最终索力可以满足 预先设定的张拉控制力的要求 其误差不超过 1 5 5 张拉过程的实时监测 5 1 测点的布置 本实时监测依据张拉过程中拉索所施加的荷载过程监测其内力分布情况 利用对不均 匀对称结构的判断 将主要测点布置在应力集中较为严重的区域 共设 30 个测点 测试过 程中均采用 l l 电阻应变片以跟踪测量杆件的应变值 为消除偏心弯曲影响采用对称串联 半桥四片补偿块法的贴片方案 17 而对于纯弯曲引起的应变测量 为消除轴力的影响 采 用对称半桥工作片补偿法的贴片方案 同时 共设 2 个共用温度补偿块 在每个加载段内 按静力问题考虑 采用静态电阻应变仪并配预调平衡箱进行观测 在监测过程中将荷载划分为若干个加载段 先进行第一个循环的加载以消除结构和应 变片的非线性影响 此时所有杆件均处于弹性阶段 待测试完成后保持全部荷载 停滞约 8 小时 且进行第二个循环的加载工作 第二轮的加载可能进入的进入塑性阶段 若出现 较为明显的塑性变形应及时卸载 整个加载过程应及时记录数据 其施工现场的实施情况 如下图 21 和图 22 所示 图 21 预应力拉索的初次张拉过程 图 22 预应力拉索的二次张拉过程 5 2 拉索实时监测结果分析 本张拉后实时监测的实施数据结果及对比情况如下表 1 所示 大跨度大吨位预应力拉索张拉及实时实测结果 表 1 第一次循环第二次循环 编号实 测 值Pa 计 算 值MPa 误差 率 实 测 值MPa 计 算 值MPa 误差 率 K88508900 0 5617892178000 51 H89068989 0 9317799177000 56 E1480114900 0 6729841297000 47 C1482014900 0 5419952198000 760 6115996159000 600 6215901158000 64 11178597900 0 5215889158000 56 8178627900 0 4815614155000 73 6178667900 0 4315701156000 64 由以上计算与实测结果对比可知 其计算值与实测值的误差不超过 1 说明该数值计 算的精度可靠 用数值计算的方法计算预应力拉索的过程真实可靠 可完全体现客观实际 同时对比结果还表明 初次张拉计算值较实测值偏大 而二次张拉的计算值较实测值偏小 其变化规律说明 初次张拉的过程中拉索本身存在着细观的缺陷或者材料本身内部存在缺 陷 而二次张拉在克服材料缺陷的前提下实施 故计算值较实测值偏小 反映客观实际 4 3 拉索张拉结束后与 30 天后实测结果分析 二次张拉后数值计算的结果与 30 天后实测结果如下表 2 所示 大跨度大吨位预应力拉索计算值与 30 天后实测值结果 表 2 编 号 仿真值MPa 第二次循环 实测值MPa 30 天后监测值 误差率 45 16 E29700297710 24 C19800199220 62 15115900159800 51 13115800158740 47 11115800158610 39 8115500155840 54 6115600156540 37 由以上计算与实测结果对比可知 其张拉数值仿真的计算值与 30 天后实际监测值的 最大误差不超过 0 62 说明数值仿真计算研究张拉过程具有相当精度和可靠性 30 天后 的实际监测结果较二次张拉后实时监测的结果稍稍偏小 反应预应力在初期存在一定程度 小范围内的应力松弛现象 属于正常的工程现象 18 6 结论 1 结合实际工程工况 提出预应力拉索二次加载张拉的施工工艺 并建立与其对应 的精细化数值仿真计算模型 2 通过基于预应力拉索张拉过程的数值仿真计算 计算出具有代表性的 18 个施工阶 段预应力拉索的内力值分布云图 并计算出轴线 处的预应力拉索内力值最小 其内力值 为 7900Pa 轴线 处的预应力拉索内力值最大 其值为 29700Pa 符合预应力结构布局及 实际承载力规律 3 每榀预应力桁架中的内力值在转角处最大 水平段及竖直端均稍小的分布规律客 观真实 也说明预应力钢结构中拉索转向器的构造对施加的预应力影响较大 节点转向器 的深化设计是拉索张拉施工中需正确解决的问题 4 预应力拉索施工仿真技术表明两次循环加载 每次加载目标预应力值的 50 的加 载方式满足施工要求 其最终索力可以满足预先设定的张拉控制力的要求 平均误差不超 过 1 5 同时与监测结果基本吻合 其误差率不超过 1 而造成误差的原因主要是拉索材 料内部自身缺陷及所处的部位相关 可证明该张拉仿真过程的精确性与可靠性 5 二次张拉完成后预应力拉索张拉数值仿真的计算值与 30 天后实际监测值的最大误 差不超过 0 62 且反应结构在开始阶段小范围程度上的应力松弛现象 参考文献 1 刘学武 大型复杂钢结构施工力学分析及应用研究 D 清华大学 2008 Liu Xuewu Large complex steel structure construction mechanics analysis and application research D tsinghua university 2008 2 郭彦林 叶可明 崔晓强 大跨度钢结构施工过程的结构分析方法研究 J 工程力学 2006 23 5 83 88 Guo Yanlin Ye Keming Cui Xiaojiang The structure of large span steel structure construction process analysis method research J Journal of engineering mechanics 2006 23 5 83 88 3 Shetif E T Juan O R Prestressing concrete using shape memory alloy tendons J ACI Structural Journal 2004 101 6 846 851 4 Moallem M Deflection control of a flexible beam using shape memory alloy actuators J 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