预应力混凝土框架施工过程有限元分析.pdf

2 0 1 1年 第 1 1期 (总 第 2 6 5 期 ) Nu mb e r l 1 i n2 0 1 1 ( T0 t a l No 2 6 5 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 实用技术 PRACTI CAL TECHNoL oGY d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 1 1 0 4 2 预应力混凝土框架施工过程有限元分析 夏训成 ，彭自强 2 。卢哲安3 ( 1 武汉市建筑设计院，湖北 武汉 4 3 0 0 1 4 ；2 武汉理工大学，湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 3 湖北省道路桥梁与结构工程重点实验室，湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ) 摘要： 重载下的工业厂房采用预应力混凝土框架结构， 其张拉方案将直接影响到该工程的施工质量。 通过有限元软件。 进行了在三种张拉方 案下的有限元分析， 讨论了不同方案下结构的变形和内力。 通过分析结果从中选出了最优的 施工方案， 能为类似工程施工提供参考。 关键词： 后张预应力框架 ；张拉；施3 2 ；有限元分析 中图分类号： T U5 2 8 0 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 1 1 - 0 1 3 2 0 3 Fi nit e el eme n t an al y s i s on c ons t r uc t i on of p os t -t e ns i one d c onc r e t e f r ame X Xu n c hc n gi , PENG Z i q i a n g 2 , LUZhe a n ( 1 Wu h a n A r c h i t e c t u r a l De s i g n I n s t i tu t e ， Wu h a n 4 3 0 0 1 4 ， C h i n a ； 2 Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 0 ， C h i n a ； 3 Hu b e i Ke y L a b o r a t o r yo f Ro a d wa yB r i d g e a n d S t r u c t u r e E n g i n e e r i n g ， Wu h a n4 3 0 0 7 0 ， C h i n a ) Abs t r act： T he p o s t t e ns i o n e d f r a me i s a d o p t e d i n s o me i n d u s t r i a l p l a n t u nd e r h u g e l o a d s， t he t e n s i o n p r o g r a m of whi c h wo u l d d i r e c t l y a f f e c t i t s c o n ar u c t i o n q u a l i t y ，Fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s i s c a r r i e d o u t u n d e r t h r e e t e ns i o n p r o g r am s wi th fin i t e e l e me n t s oft wa r e ， a n d t h e s t r u c t u r a l d e f o r mi o n a n d e nd o g e n e t i c f o r c e i s d i s c u s s e dTh e b e s t c o n r uc t i o n p r o gra m i s s e l e c t e d t h r o u g h a n a l y s i s r e s u l t s ， wh i c h c o ul d b e r e f e r e n c e for s i mi l a r c o n - s t r u c t i o n s Kmwor ds ： p o s t t e ns i o ne df r a me ； p r e s t r e s s ； c o n s t r u c t i o n； fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s 0 引言 因受力合理， 充分利用了高强材料， 再加上相对于钢结构而 言的经济性， 后张预应力混凝土框架结构在我国的应用已经越来越 广泛， 与之相关的理论计算方法也逐渐完善， 而对于这种结构的计 算大多针对于结构的正常使用阶段和极限状态。 规范规定， 应按具 体清况对制作、 运输及安装等施工阶段进行验算 】。 故在施工时选 择最优方案， 进行施工过程的仿真分析， 为施工提供指导性方案是 十分必要的。 本文就某工业厂房采用了后张有黏结预应力混凝土 框架结构的施工过程进行了有限元分析， 并选出了最优方案。 1 工程背景介绍 安徽巢湖大型火力发电厂， 其采用的工业厂房为重载下的 多层单跨后张有黏结预应力混凝土框架结构， 由于特殊的工艺 要求， 结构设计成强梁弱柱型式， 第 l 、 3 层梁截面尺寸 8 0 0 r i L r n x 2 5 0 0 n l n l ， 第 2 层梁尺寸为 8 0 0 mx 3 4 0 0 1 1 3 1 1 1 ， 第 4 层梁为 8 0 0 mx l 4 0 0 r f l n l ， 第 1 3 层柱为 8 0 0 m x l 8 0 0 m i n ， 第 4 层柱为 8 0 0 m 1 4 0 0 m m 。 框架结构共4 层， 其中第 1 层梁和第 2 层梁采用后张有 黏结预应力混凝土结构 ， 第 3 层梁、 第 4 层梁和所有的柱采用 钢筋混凝土结构。 跨度为 1 8 m， 混凝土等级为 C 5 0 ， 预应力筋采 用 1 8 6 0 级高强低松弛预应力钢绞线， 第 1 层梁采用 2 x 1 3 1 5 2 4 钢绞线， 第 2 层梁采用 4 x 1 9 1 5 2 4 钢绞线 ， 其抗拉强度标准值 为 1 8 6 0 MP a ， 抗拉强度设计指为厶= 1 3 9 5 MP a 。 索道布置采 用 3 段光滑连接的抛物线。 结构承受很大的恒载和活载 ， 活载主 收稿 日期 ：2 0 1 1 _ J D 5 _ 2 5 1 3 2- 要集中在第 2层梁上( 煤斗层) 。 煤仓在空仓与满仓时的活载变 化较大， 满载时活载与恒载在第 2 层梁跨中所产生的弯矩比约为 3 ： 1 ， 故对于该结构而言， 第 2层预应力梁端和跨中是控制部位。 2 施 工方案 预应力混凝土框架在施工过程中， 预应力梁的浇筑和预应 力筋的张拉是其中的两道关键工序， 它将直接影响到工程施工 质量的好坏 ， 是决定张拉实际效果与设计值是否吻合或接近的 重要环节， 也对结构的使用和维护产生重大影响。 根据施工顺序的不同 ， 通常有“ 逐层浇筑、 逐层张拉” 、 “ 数 层浇筑、 顺向张拉” 和“ 数层浇筑、 逆向张拉” 等三种施工方案踊 。 2 1 方案一 ： 逐层浇筑、 逐层张拉 逐层浇筑、 逐层张拉是每浇筑完一层混凝土梁柱， 待混凝 土强度达到设计要求后即进行该层预应力筋的张拉 ， 此后按此 模式从下往上逐层进行浇筑张拉。 这种施工方案思路清晰， 在 实际中采用的较多。 其施工方案如图 1 所示。 圈 1 逐层浇筑、 逐层张拉施工示意图 2 2 方案二： 数层浇筑、 顺 向张拉 数层浇筑、 顺向张拉是浇筑 2 层混凝土梁柱， 待混凝土强 度达到设计要求后即进行第一层预应力筋的张拉， 同时浇筑上 层混凝土， 此后按次模式从下往上进行浇筑和张拉。 这种方案在 实际工程中也应用较多， 它能较好地保障施工的连续性。 其施工 方案如图 2 所 示。 图 2 数层浇筑、 顺向张拉施工示意图 2 3 方案三 ： 数层浇筑、 逆向张拉 数层浇筑 、 逆向张拉是浇筑 2 3层混凝土梁柱后， 待混凝 土强度达到设计要求后即从上往下进行每一层预应力筋的张 拉。 采用这种施工方案时，因为预应力施加时框架已经承受了 较大的 自重 ， 会产生一定的变形或裂缝 ， 一般适用于层数较低 的结构。 其施工方案如图 3 所示。 图 3 数层浇筑 、 逆向张拉施工示意图 分析结果证明， “ 逐层浇筑、 逐层张拉” 、 “ 数层浇筑、 顺向张 拉” 方案比“ 数层浇筑、 逆向张拉” 更优 ， 且“ 数层浇筑 、 逆向张 拉” 仅适用于层数和高度较小的结构中。 因此， 施工时应优先考 虑“ 逐层浇筑、 逐层张拉” 或“ 数层浇筑、 顺向张拉” 方案。 对于强 梁目 弓 柱型的后张有黏结预应力混凝土框架， 如何选择最优施工 方案， 将是本文的研究内容。 3 分析过程介绍 结合工程实际， 利用有限元软件 A NS YS 来模拟后张预应力 框架的施工过程 ， 考虑各因素对施工过程的影响 ， 从中选择最 优施工方案。 3 1 材料模型 框架结构的混凝土单轴抗压强度取为 3 2 4 MP a ， 混凝土单轴 应力 应变关系按 G B 5 0 0 1 0 - - 2 0 0 2 ( ( 混凝土结构设计规范 附录 C 中的建议公式计算得到。 混凝土材料模型采用随动强化( K I N H) 的非 线 漠型。 对应三向受压时的失效面由基于Wi l l a m Wa r n k e 的五参 数失效准则确定， 对应于受拉失效由最大拉应力准则确定。 A NS Y S 中有专门用于钢筋混凝土结构的 S o l i d 6 5 单元及 C o n c r e t e 材料 ， 可以考虑混凝土压溃和开裂。 在裂缝出现后， 为了考虑混凝土中 裂缝的剪切刚度 ， 需要采用两个剪力传递系数 ， 一个用于开裂 时， 一个用于裂缝闭合时。 根据现行的抗剪计算理论， 本次分析 中开裂的剪力传递系数取 0 7 ， 闭合的剪力传递系数取 0 9 5 。 采用分离式钢筋模型， 普通钢筋选用 L i n k 8 单元， 预应力筋 采用 L i n k l 0单元。 钢筋单元的应力一 应变关系采用双折线的理 想弹塑性应力一 应变关系。 为了避免在张拉端处的混凝土局部单元压溃， 同时能更真 实地模拟实际施工过程， 在梁的两张拉端处设置一刚性块， 模拟 锚具对梁端混凝土的影响 冈 f生块采用 S o l i d 4 5 单元。 有限元框架模型如图 4 所示。 图 4 有限元模型 3 2 预 应 力的施 加 在 A N S Y S 中对预应力钢筋的模拟方式有等效荷载法、 降 温法、 初始应变法和初始应力法等同 。 等效荷载法是不建立预应 力筋模型， 而把预应力作为一种荷载加到有限元模型上； 降温 法、 初始应变法和初始应力法则要建立预应力筋实体单元， 将混 凝土和预应力筋在建模时划分为不同的单元进行考虑 ， 其中降 温法是通过预应力筋降温收缩来模拟其对结构的预压力， 同时 可以模拟预应力的损失， 其计算式： D A T =- 一 ( 1 ) n E E 式中： 模拟预应力筋的降低温度； P 有效预拉力； o 预应力筋截面积； 占 有效预应力， 取 O 1 3 0 2 MP a ； E预应力筋弹性模量， 取 1 9 5 x 1 0 “ P a ； 预应力筋的线膨胀系数， 取 2 l O _ 5 。 由式( 1 ) 可求得 A T = 3 3 4。 在本工程中将采用降温法来施 加预应 力。 4 结果分析 张拉过程中结构的响应即位移、 应力和应变如表 1 、 2 所示。 从表 1 和表 2可以看出， 采用方案一即逐层浇筑、 逐层张拉的施 工方案所产生的第 1 层和第 2层梁的反拱值最大， 分别为 1 4 2 、 7 9 1 n ff r l ， 反拱与计算长度之比分别为 1 l 1 4 8 9和 1 2 2 7 6 ， 满足 表 1 第 1 层梁计算结果 1 3 3 表2 第2层梁计算结果 挠度限值要求； 其次是数层浇筑 、 顺向张拉， 反拱最小的是数层 浇筑 、 逆向张拉方案 ， 其中方案一所产生的反拱比方案二和方 案三大了近 3 l 和 3 7 ，张拉效果最为显著。 方案二和方案三 对第 1 层梁所产生的反拱很接近，原因是第 1 层梁相对于第 2 层梁处于次要地位， 荷载和界面尺寸都比较小， 预应力筋配置 的较少 ， 顺向和逆向施工所带来的弯矩影响不大。 从三种方案在梁跨中产生的应力应变来看 ， 第 2层梁跨中 拉应力和拉应变在三种方案时是方案一最大； 第 1 层梁具有类 似的规律。 这和反拱的变化规律是一致的。 而方案二和方案三 产生 的压 应力压应变很 接近 。 1 4 跨 和梁端截 面的应力应 变在 三种方案时相差不大。 由于跨中截面混凝土的拉应力和拉应变 都不大， 均小于 C 5 0 混凝土的开裂应力和开裂应变， 因此 ， 在施 工过程中不会出现拉裂缝。 但由于梁柱交接的节点处容易产生 应力集中， 且存在负弯矩， 故局部混凝土可能被拉裂， 应采取适 当加强配筋或加腋等方式以消除不利影响。 由表 3可以看出， 不同的施工方案对于预应力损失的影响 也是不同的。 方案一下的预应力损失最小， 而方案二下第 1 层预 应力筋的损失比方案三的要大 ， 第 2层预应力损失则是方案二 比方案三的要小， 这反映了张拉顺序对预应力损失的影响。 由于 第 2 层梁起主要的控制作用， 因此认为， 方案二比方案三要更优。 因此 ， 综合考虑， 逐层浇筑、 逐层张拉方案下的预应力损失 最小 ， 张拉效果最好 ， 属于最优的施工方案。 其次是数层浇筑、 顺向张拉， 数层浇筑、 逆向张拉方案效果最差。 5结论 针对三种不同的施工方案 ， 经有限元分析可知 ， 对于多层 单跨后张有黏结预应力混凝土框架， 逐层浇筑、 逐层张拉的施 工方案在控制截面所产生的反拱、 应力和应变最大 ， 预应力损 失也最小， 属于最优的施工方案 ， 该分析结果可为其他类似结 构的施工提供参考。 而该结果对于多层多跨的预应力混凝土框 架的施工是否也是最优方案， 还有待进一步研究。 参考文献 ： ( 1 G B 5 0 0 1 0 -2 0 0 2 ， 混凝土结构设计规范( s 2 1 傅日荣， 逄鲁峰， 等 现浇预应力混凝土框架结构常用施工顺序对结 构的适应性分析【 J 】 工业建筑， 1 9 9 9 ， 2 9 ( 1 ) ： 4 9 5 1 【 3 13 喻员林， 李云贵 预应力荷载作用下的混凝土结构施工模拟计算I J 1 _ 建筑科学， 2 0 0 6 ， 2 2 ( 5 ) ： 1 5 1 9 1 4 14 邓志恒 ， 唐光暹 ， 潘峰， 等 预应力框架在不同的施工方案下考虑施 工过程的分析 j J 广西大学学报， 2 0 0 4 ， 2 9 ( 2 ) ： 1 5 1 9 5 郝文化AN S Y S 土木工程应用实 M E 京： 中国水利水电出版社， 2 0 0 6 作者简介： 夏训 l 成( 1 9 8 1 一 ) ， 男， 博士， 主要从事结构设计与研究。 联系地址： 武汉市四唯路 8 号 武汉市建筑设计院( 4 3 0 0 1 4 ) 联系电话 ： 1 5 8 0 2 7 6 1 2 2 8 t E ss、 - s 、 _ 墓 盟 盈 四 武 汉市 制 计划 定目 标 将预 拌砂浆 推到 底 2 0 1 1 年， 湖北省武汉市商混站在武汉市城建委的领导下， 坚持以科学发展观为指导， 认真贯彻落实全市建设 、 建管工作会议精 神， 以宣传贯彻 武汉市预拌混凝土和预拌砂浆管理办法 为契机 ， 全面推进预拌混凝土和预拌砂浆推广应用工作。 2 0 1 1 年预拌砂浆稳步发展， 其推广进程有待加强， 2 0 1 1 年预拌砂浆的推广发展给 2 0 1 2年的砂浆发展带来了许多经验， 武汉市 商混站针对 2 0 1 1 年预拌砂浆的工作中的问题与经验 ， 做了详细的计划与总结。据商混站相关人员介绍， 对于预拌砂浆的使用推广 率， 计划在 2 0 1 2年武汉市中心城区( 含市级开发区) 的建筑工程达到当年单位工程竣工验收( 综合管理) 项 目数的 7 0 ， 预拌砂浆使 用量达到 1 5万 t 。武汉市商混站还将加强对远城区预拌混凝土使用市场的监管， 加大对远城区预拌砂浆市场宣传力度 ， 力争远城区 预拌混凝土使用含量达到 9 8 。为了实现这一目标 ， 武汉市商混站将从四个方面来推进和扩大预拌砂浆的运用与发展： 一 、加大宣传力度。充分利用报纸、 电台、 网络等媒体平台开展社会对预拌砂浆“ 禁现” 工作的宣传， 提高“ 禁现” 的社会认知度， 争取社会监督 ； 加大施工现场的宣传力度， 编制 、 发放预拌砂浆的宣传使用手册和施工指南。 二 、 完善合同备案管理制度， 重点加强对市政建设工程项 目 使用预拌混凝土的跟踪管理 ， 提高合同备案率； 严格 申请现场搅拌 的审批程序， 对确需在施工现场搅拌和未全部使用的项目确保其报批备案率达 1 0 0 。 三、 加强质量监督巡查， 确保对生产企业质量监督巡查覆盖率达到 1 0 0 。 同时 ， 认真做好全市预拌混凝NN拌砂浆使用数据 的收集、 统计工作， 分析每阶段预拌混凝土和预拌砂浆市场推广工作情况， 并根据市场异动情况适时进行工作调整。 四、 严格执法检查， 治理规范管理。加强预拌砂浆使用市场的执法检查 ， 采取集中检查与随机抽查相结合的监管手段， 重点加大 对政府投资项目和重大项目的“ 禁现” 工作的跟踪管理。严格查处违法 、 违规行为， 坚持做到发现一起处理一起。 1 3 4