预应力钢筋混凝土渡槽结构三维有限元计算分析.pdf

9 2 何利涛， 朱文新 预应力钢筋混凝土渡槽结构三维有限元计算分析 文章编号： 1 0 0 6 -2 6 1 0 ( 2 0 1 1 ) 0 4 0 0 9 2 O 3 应 钢麟溉凝 渡樯 三雏荷 计算分 何利涛 ， 朱文 新 ( 1 中国水电顾 问集 团西北勘测设计研 究院， 西安7 1 0 0 6 5； 2 延安南沟 门水利枢纽工程有限责任公 司， 陕西省延安市7 1 6 0 0 0 ) 摘要： 某工程的渡槽结构， 因跨度较大而采用预应力混凝土结构。笔者采用三维有限元仿真模拟技术分析了混凝 土渡槽结构应力和变形， 计算结果证明该结构采用预应力合理、 有效地控制了混凝土渡槽结构拉应力。 关键词： 渡槽； 预应力； 三维有限元 中图分类号 ： T V6 7 2 3 文献标识码 ： A 3一D fin i t e e l e m e nt a n a l y s i s o f p r es t r e s s e d r e i nf o r c e d c o n c r e t e a q ue du c t s t r u c t u r e HE L it a o ，ZHU W e nx i n ( 1 H y d r o c h i n a X i b e i E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n ， C H E C C， X i h n 7 1 0 0 6 5 ，C h i n a ； 2 Y a n h n N a n g o u m e n Wa t e r C o m p l e x E n g i n e e r i n g C o ， L t d ， Y a n h n 7 1 6 0 0 0 ，C h i n a ) A b s t r a c t ： F o r t h e a q u e d u c t o f a p r o j e c t ， p r e s t r e s s e d r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e i s a d o p t e d d u e t o l a r g e s p a n T h e a u t h o r a n a l y z e s t h e s t ru c t u r a l s t r e s s a n d d e f o r ma t i o n o f t h e r e i nfo r c e d c o n c r e t e a q u e d u c t b y u s e o f 3一D fi n i t e e l e me n t s i mu l a t i o n t e c h n i q u e s T h e r e s u l t s o f c a l c u l a t i o n s h o w t h a t t h e p r es t r e s s u s e d f o r t h e s t ruc t u r e i s r a t i o n a l ， a n d t h e s t ru c t u r a l t e n s i l e s t r e s s o f t h e r e i n f o r c e d c o n c r e t e a q u e d u c t i s e f f e c t i v e l y c o n t r o l l e d Ke y wo r ds： a q u e du c t ；p r es t r e s s ；3一D fin i t e e l e me n t 1 工程背景 某供水工程的排水渡槽 ， 槽身采用多侧墙和多 纵梁混凝土结构 ， 断面形式为矩形 ， 渡槽宽 1 3 2 r f l ， 长 2 2 O 0 i n ， 设计排水 能力为 5 0年一遇洪水设计 ， 2 0 0年一遇洪水校核。由于该 渡槽跨 度较大 ， 设计 采用预应力混凝土结构。预应力钢筋采用空间曲线 形式 ， 后张法施加预应力 ， 在预应力钢筋的设计位置 上预留曲线穿束孔道 ， 混凝土达到要求强度之后 ， 将 钢筋束穿人预留孔道 内， 张拉钢筋至控制拉力后 ， 用 特制锚具将钢筋束锚 固于混凝 土构件上 ， 使混凝土 获得并保持其压应力。纵向预应力钢绞线布置时采 用先在最底层布置 2排直线 筋 ， 然后在上 面布置 曲 线筋 ； 边侧墙预应力筋采用 1 5 2 ( 5 0 5 ) 钢绞线 ， 5 收稿 日期 ： 2 0 1 l -0 5 1 7 作者简介： 何利涛( 1 9 8 4一 ) ， 男， 河南省洛宁县人， 助理工程师 从事水工结构设计工作 根为 1 束 ， 中侧墙预应力筋采用 1 5 2 ( 7 0 5 ) 钢绞 线 ， 7根为 1束。 2 计算参数与模型 为了验证该工程采用预应力混凝土结构的合理 性 ， 笔者采用三维有限元仿真模拟技术 ， 分析预应力 钢筋混凝土渡槽结构的变形特性。 2 1 计算基本参数 ( 1 )结构安全级别 ： 纵梁为 I 级建筑物 ， 结构安 全级别为 I 级 ， 结构重要性系数 。 =1 1 ； ( 2 )荷载分项系数 ： 槽身 自重 ， =1 0 5 ， 设计 、 校核水荷载 7 。 = 1 2 0 ， 满槽洪水荷载为可控可变荷 载 y o=1 1 0； ( 3 )环境类 别 ： 类 ， 钢筋保护层 厚度 a：5 0 m r l l ； ( 4 )纵梁及横隔板混凝土强度等级为 C 5 0 ， 采 用 l 5 2钢绞线 ； ( 5 )设计状况系数 西北 水 电 2 0 1 0年 第 4期 9 3 空槽工况 ： 持久状况 ， =1 0； 设计洪水 ： 短暂状况 ， = 0 9 5 ； 校核洪水工况 ： 偶然状况 ， ： 0 8 5 ； ( 6 )结构系数 Y =1 2 0； ( 7 )重力加速度 ， 其值大小为 9 8 m s ； 取水 的 容重 g=1 0 0 k N m 。 2 2三维有限元模型的建立 渡槽预应力钢筋混凝土结构采用整体式模型进 行模拟计算 ， 采用实体单元 ( 3 DS o l i d ) 模拟混凝土 和钢筋 ， 杆单元 ( T res s ) 模拟钢筋与混凝土在端部 的 连杆。预应力施加时及施加荷载后钢筋与混凝土之 间存在相对滑动 ， 为 了能够更好地模拟钢筋与混凝 土的接触 ， 网格剖分 时预留曲线孔道 ， 钢筋用体单元 模拟 ， 将钢筋的截面简化为矩形 ， 4个面均设为接触 面， 钢筋与混凝土之 间用接触面来模拟 ， 以此正确模 拟钢筋与混凝土的滑移过程 。 整个渡槽共有节点 8 5 3 3 6个 ， 三维 8节点等参 数实体单元 7 6 0 2 1 个 ( 混凝 土单元 7 5 3 8 2个 ， 钢筋 单元 6 3 9个 ) ， 6 8个杆单元 ， 2 5 1 3组接触面 。整体 模型计算坐标系规定 ： 渡槽纵 向( 水流方向) 为 轴 方向； 沿渡槽横向为 l ， 轴方向； 渡槽高度方向为 z 轴方向， 向上为正。 边界条件的确定 ： 每个节点有 3个 自由度 ， 节点 坐标系的 ， Y ， z 方向的平动 。为了真实的模拟渡槽 结构的对称性 ， 约束如下 ： ( 1 )渡槽两端距离端部 0 4 5 m处 ， U s = 0 ； ( 2 )沿渡槽纵向 1 1 m( 沿水流方向) 处 ， = 0 ； ( 3 )沿渡槽横向( 轴 向) 6 4 m处 ， U y = 0 。 本文采用 A D I N A程序进行有限元分析 ， 结构重 力 、 水压力等按常规方法施加 ； 结构预应力采用降温 法施加。模型材料基本数据按照 D L T 5 0 5 7 -2 0 0 9 水工混凝土结构设计规范 选取。渡槽三维有 限元模型见图 1 所示 。 ( a ) 稽身阿格剖分图 (b ) 钢筋孵榷剖分图 图 l 渡槽三维有限元模型 3 钢筋预应力的模拟方法 在对预应力渡槽结构进行有限元仿真分析时， 如何有效的、 实际的符合模拟钢筋( 钢绞线) 的预应 力是工程设计 的关键 问题。对于钢筋 预应力 的模 拟， 目前 常 见 的模 拟 方 法 有 降 温 法 、 初 始 应 变 法 一 。 本文利用降温法对预应力进行模拟 ， 设置材料 的初始温度 为 0 ， 钢筋 的预应力大小有相应的温度 差值来与之对应 ， 且这种温度差并 不是沿整个预应 力钢筋均匀分布的， 而是在不同的时、 段有着不同的 温度差。降温法实施过程中， 钢筋和混凝土实体分 开建模 ， 赋予钢筋和混凝土在同一 时刻不 同的温度 差值， 利用材料的热胀冷缩特性 ， 对预应力钢筋进行 降温处理 ， 产生收缩变形 ， 而钢筋的变形受到周边混 凝土的约束作用 ， 达到对混凝土预加应力 的效果 ， 进 而可以有效地模拟对混凝土渡槽施加预应力的张拉 过程。因此降温法能够较好地模拟对混凝土施加多 次预应力的过程 ， 且能够保持结构的完整性 J 。 预应力施加具体步骤如下 ： 先求得有效预应力 ， 再换算为温度荷载， 赋予钢筋温度初值 ， 降温使得钢 筋收缩 ， 周边混凝土对其产生作用 ， 相 当于施加预应 力。 4 计算成果与分析 由三维数值分析可知 ， 渡槽结构的应力和变形 由正常通水工况控制 ， 其结果如下。 4 1 变形 分析 渡槽整体纵 向最大位移为 0 9 2 m m， 发生在 中 墙中部钢筋端部 ， 位移变化 以渡槽纵向中部为基准 ， 沿 2个端部方 向变 形逐 渐加 大； 竖 向最 大位 移 为 1 1 1 m m， 发生在渡槽单跨跨中， 模型整体上从渡槽 纵向中部展开变形逐渐减小 ， 在上部钢筋端部 向四 周展开逐渐减小 ， 在下部钢筋端部 向四周展开逐渐 增大 ， 中墙 的变形是边墙变形 的 2 倍 多； 横向最大位 移为 0 2 7 m m， 发生在边墙内侧纵 向正 中间上端 ， 在 渡槽端部上部变形几乎为 0， 钢筋和混凝 土之 间相 对滑移在 0 0 3 0 1 2 m m之间。渡槽整体位移云 图见图 2所示 。 4 2应 力分析 预应力筋在端部是通过杆单元使钢筋和混凝土 固定在一起的 ， 使得在渡槽 端部钢筋处 出现应 力集 9 4 何利涛， 朱文新 预应力钢 筋混凝土渡槽结构三维有限元计算分析 中。 纵 向应力 ： 边墙纵 向最大拉应力为 2 1 6 MP a ， 最大压应力为 一 2 0 8 MP a ， 整个边侧墙沿纵 向应 力 分布有震荡 ， 分布在 一1 0 8一1 3 6 MP a之间； 中 墙最 大 拉应 力 为 0 5 1 MP a ， 最 大 压 应力 一2 6 3 MP a ； 在底板端部跨 中产生局部拉应力为 0 0 1 M P a ， 在支座处产生应力集 中 一1 3 5 MP a 。 钢筋应力 ： 竖 向应力 主要分布在 一 0 1 80 1 8 MP a之间， 端部出现应力集中， 下部直线钢筋处应力 与周 围混凝土应力无 明显 区别 ， 中部 曲线钢筋处上 下表面均出现拉应力 0 2 4 MP a左右。纵 向压应 力 白上而下逐渐减小 ， 端部出现应力集中， 钢筋处应力 与周围7 昆 凝土应力无明显区别。渡槽整体应力云图 见图所示 3 。 ( a ) 渡槽整体纵向位移云图 图 2 渡槽整体位移云 图 S M00THED -O 0 0 1 0 9 1 ( b ) 渡 槽整体竖向位移云图 单位 ： m ( a ) 渡槽整体纵向应力云图 ( b ) 渡槽整体竖向应力云图 图 3 渡槽整体应力云 图 单位 ： k P a 竖向应力 ： 边墙最大拉应力出现在端部 的上部 和底部为 0 6 2 MP a ， 最大压应力 一2 3 3 MP a ， 在端 部压应力较大 ； 中墙最大拉应力出现在端部底部为 0 8 3 MP a ， 最大压 应力 出现在 钢筋端 部为 一2 4 6 MP a ； 在底板侧肋和钢筋端部处产生应力集 中， 最大 拉应力出现在底板侧肋处为 0 3 3 MP a ， 最大压应力 出现在钢筋端部为 一 2 0 MP a 。 横向应力 ： 最大拉应力为 1 5 2 MP a ， 中墙和边 墙应力在 0 0 3 0 MP a 之间 ， 底板 自下而上应力分 布在 1 2 0 0 3 0 M P a 之 间， 整体上渡槽端部横 向应 力大多呈现拉应力 ， 但不超过允许拉应力。 5 结语 经计算分析 ， 在预应力钢 筋的作 用下 ， 渡槽结 构 的整 体变形不大 ， 均在 允许挠 度 范围之 内， 应 力满 足混凝 土 结构 限裂要求 。因此 ， 本 工 程排水渡槽采用预应力混凝 土结构是合 适 的， 文 中关 于 预应力结构 的部分研究对类 似工 程 具 有一 定 的参 考 价 值 。 参考文献 ： 1 DL T 5 0 5 7 -2 0 0 9， 水工 混凝 土 结构设 计规 范 s 北 京 ： 中国 电力出版 社 ， 2 0 0 9 2 张学 菊 A D I N A中 钢筋 预应 力 施 加方法分 析 J 水利规划 与 设计 ， 2 0 1 0 ( 3 )： 6 66 8 3 翟利 军 ， 孟 旭 央， 吉 晓 红 漕 河 渡槽 的 三维 有 限元 仿 真研 究 J 红水河 ， 2 0 1 0 ， ( 6 )： 6 87 1 4 雷进 生， 包磊 ， 周吉顺 ， 等 响预应力 多侧 墙矩形渡槽变 形仿真 计算及 实验分 析 J 水利水电技术 ， 2 0 1 0 ， ( 2) ： 1 72 0 5 赵顺 波 ， 管俊峰 黄承逵钢筋混凝土 多纵 梁渡槽仿真模 型试验 反演分析 J 工程力学 ， 2 0 1 0 ， ( 1 0) ： 1 5 01 5 4 6 姬栋 宇 沙河预应力矩形 渡槽运 营期有限元 仿真分 析 J 水 科学与工程技术， 2 0 0 9 ， ( 2 ) ： 1 3 7 吴祖咸 ， 高子瑶 用 等效 降温法模拟 预应力来实 现张弦梁结构 找形 J 浙江工业大学学报， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 5 ) ： 5 8 7 5 9 0