大跨装配式弦支砼组合楼盖结构初始预应力有限元分析.pdf

148析2023年5月规划设计与勘察江西建材跨装配式弦支砼组合楼盖结构初始预应力有限元分高国军，张国泰，刘少杰，乔文涛，何磊1.中国建筑第四工程局有限公司，广东广州510630;2.石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄050043摘要：装配式弦支混凝土组合结构是一种典型的弦支结构，拉索在张拉力的作用下对中间撑杆起到弹性支撑作用，上部结构在撑杆的支撑作用下向上起拱变形，通过施加预应力，结构的变形和受力得到改善，充分发挥索的抗拉性能以及混凝土楼盖的抗压性能。为了计算弦支结构拉索的初始预应力，文中在ANSYS中建立弦支结构有限元模型，求解在满足结构跨度及材料性能要求下，达到最大起拱高度时拉索施加初始预应力的大小。结果显示，在自重作用下，弦支结构跨中位移满足最大限值要求，对拉索施加预应力后，在施加38 0 0 kN拉力时达到最大起拱高度。这表明，在ANSYS中通过APDL语言选代求解初始预应力，相较于传统计算方法更准确快捷。关键词：弦支结构；有限元分析；初始预应力中图分类号：TU393.3文献标识码：B文章编号：10 0 6-2 8 9 0（2 0 2 3）0 5-0 148-0 4Finite Element Analysis of Initial Prestress of Large Span FabricatedCable-supported Concrete Composite Floor StructureGao Guojun,Zhang Guotai,Liu Shaojie,Qiao Wentao,He Lei1.China Construction Fourth Engineering Division Corp.Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510630;2.School of Civil Engineering,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang,Hebei 050043Abstract:The fabricated cable-supported concrete composite floor structure is a typical cable-supported structure.Under the action oftensile force,the cable provides elastic support to the middle brace strut,and the superstructure arches upward under the support of the bracestrut.By applying prestress,the deformation and stress of the structure are improved to exert fully the tensile abilities of the cable and thecompressive abilities of the concrete floor.In order to calculate the initial prestress of cable-supported structure,a finite element model ofcable-supported structure is established in ANSYS to solve the initial prestress in the cable when the maximum camber height is reachedunder the requirement of span and material properties.The results show that the maximum displacement in the midspan of cable-supportedstructures under the action of gravity meets the requirements of the maximum limit value,and the maximum camber height is reached when3800kN tension is applied to the cable.The results show that the APDL language is used to solve the initial prestress iteratively in ANSYS,which is more accurate and faster than the traditional calculation method.Key words:Cable-supported structure;Finite element analysis;Initial prestress0引言弦支结构体系，也称为张弦结构体系，是将柔性的预应力拉索引入刚性结构而形成的“刚柔杂交”结构体系，引人了预应力拉索并施加一定预应力，使得结构的受力性能得到了优化，从而实现更大的结构跨度1-2 。陈志华等3 提出弦支混凝土集成屋盖结构并研究了其基本静、动力学特性。乔文涛等4分析了弦支混凝土集成屋盖结构各参数影响。以上研究表明，弦支混凝土集成楼盖是一种能够实现中大跨度、力学性能优良的结构，但仍存在楼板自重较大、刚度较小、撑杆构造复杂等问题，且因存在较多的后浇带，其施工装配化程度降低。针对弦支组合楼盖存在的缺点，装配式弦支轻质混凝土组合楼盖结构被提出来5。对于装配式弦支混凝土组合结构，在其下部拉索中施加预应力，拉索预应力是整个装配式弦支轻质作者简介：高国军（19 8 5-），男，河北邯郸人，本科，高级工程师，主要研究方向为房屋建筑工程。混凝土组合结构设计的关键，在结构正常使用阶段，拉索内力的变化直接决定整个结构的安全。张海影5 采用静力平衡法，借助MIDAS/GEN有限元分析软件计算出拉索初始预应力的大小。本文以装配式弦支组合结构为研究对象，建立结构有限元模型并对其进行初始预应力计算，采用ANSYS的送代方法求解初始预应力。1引弦支结构的构造装配式弦支混凝土组合结构主要由上部预制轻质混凝土板（钢筋桁架叠合板）、板间连接件（H型钢短梁）、索撑系统（由拉索和撑杆构成）以及各连接节点构成。上部预制轻质混凝土板主要承受弯矩，为了改善结构体系的整体刚度以及提高结构本身的承载能力，采用槽型板，即四周带肋梁的钢筋桁架叠合板（如图1所示）。带肋钢筋桁架混凝土叠合楼板是一种新型叠合结构，将肋梁中的顶部钢筋与钢筋桁架相连构成钢筋笼，且叠合板的钢筋桁架上部钢筋裸露，149.2023年5月江西建材规划设计与勘察下部钢筋与四周肋梁由混凝土浇筑为一体，形成带肋钢筋桁架混凝土预制叠合板，待吊装就位后，浇筑叠合层混凝土制作而成预制混凝土板之间的连接不但要有一定的变形协调能力，还要具备足够的抗弯、抗剪承载能力和抗局压破坏能力，保证结构在拼装完成后进行预应力张拉时结构的整体性，故采用间隔布置的H型短钢梁作为板间连接件（如图1所示）进行连接，将其代替传统的钢筋连接。在叠合板肋梁侧面预留孔洞，然后通过螺栓连接，将H型短钢的翼缘固定到肋梁上，最后将腹板垂直焊接固定在两侧翼缘上，使相邻的两块叠合板连接成整体7-8 预制叠合板肋梁板间连接件图1预制轻质混凝土板单元及板件连接件图索撑系统包括拉索和撑杆，通过拉索和撑杆将上部结构连接到一起组成整体结构。每四块带肋梁的预制板下方，通过预埋螺栓连接一块方钢板，方钢板上焊接有连接钢板与加劲板，撑杆上端通过销轴进行连接（如图2 所示）；撑杆下端设置有连接盖板，并且使拉索穿过连接盖板的圆形孔洞，上、下连接盖板通过高强螺栓连接；在结构两端的预制板下方设置连接拉索的钢板，连接钢板通过螺栓与上方预制板肋梁连接，在连接钢板上设置有加劲肋，拉索端部与连接钢板进行连接。螺栓连接销轴连接撑杆图2撑杆及其连接件图施工阶段，结构完成拼装后，向拉索施加预应力，而后撑杆将产生一定的顶升，上部楼盖结构会在撑杆顶升作用下产生一定的上拱；在叠合板浇筑完成后，由于增加了混凝土的重量，其结构又会产生向下的挠曲变形，施加预应力后对结构进行二次浇筑，浇筑前后变化如图3所示。浇筑后浇筑前图3弦支结构构造示意图2弦支结构在ANS中的计算分析2.1构件的单元属性肋梁和撑杆采用BEAM188单元，它是一个二节点的三维线性梁单元，每个单元有6 个自由度，分别沿x、y、z 轴平动和转动，当KEYOPT（1）=1时，会添加第7 个翘曲自由度。该单元特别适合线性、大转动、大应变等问题，还包含应力刚度，使得单元可进行弯曲、侧倾和扭转等稳定分析，特征值屈曲分析或破坏分析，这时则需要用到梁的三维特性及非线性分析，还需要通过SECTYPE、SECD A T A、SECO FFSET 等设置截面形状。拉索采用的LINK180单元，是3D有限应变杆单元，它每个节点有3个自由度，即沿节点坐标系x、y 和z方向的平动位移。通过该单元，可承受轴向拉压，但不能承受弯矩，可以模拟桁架、连杆、索和弹簧等。该单元具有塑性、蠕变、旋转、大变形、大应变等功能。钢筋混凝土板采用SHELL181单元，它是4节点有限应变壳单元，适用于模拟薄壳至中等厚度壳结构，单元有6 个自由度，即沿节点坐标系x、y 和z方向的平动位移和绕各轴的转动位移，它非常适用于线性分析及大转动、大应变的非线性分析。2.2构件的参数构件的截面参数以及材料参数如表1和表2 所示。表1构件截面参数试件类型宽度B/mm高度H/mm长度L/mm截面形状肋梁2507004000矩形板4000804000矩形撑杆1681682400/1600圆环索100100圆形注：索为圆形截面，宽度与高度相等，索单元长度可随预应力增加拉伸；撑杆为圆环形截面，圆环壁厚为8 mm。表2构件材料参数试件类型弹性模量/GPa泊松比材质肋梁18.80.2LC30板18.80.2LC30撑杆2060.25Q345索1950.3钢绞线2.3模型的建立在ANSYS进行模拟分析时，忽略板间连接件，肋梁和板分开设置。弦支结构跨度为32 m，沿宽度方向长8 m，钢筋混凝土肋梁沿宽度和跨度方向，每间隔4m布置一道，将平面结构划分为4m4m的网格，将钢筋混凝土板布置在肋梁上面。撑杆采用钢材材质，选用两根1.6 m的撑杆和一根2.4m的撑杆。将两根1.6m的撑杆沿跨度方向布置在距离支座处8 m的位置，撑杆与钢筋混凝土肋梁交点连接，将2.4m的撑杆布置在距离1.6 m撑杆8 m的位置，使三根撑杆沿跨度方向在一条直线上。将拉索从支座一端位置出发，穿过三根撑杆下端，与另一端支座连接，通过拉索将弦支结构组成一个整体。分别给各个结构部件赋予截面属性，建立几何模型，如图4所示。图4弦支结构轴侧图2.4施加约束以及划分网格在沿弦支结构宽度的方向上，给左侧最外层肋梁施加x轴、y轴和z轴三个方向平动约束，施加沿x轴方向转动自由度约束；给右侧最外层肋梁施加y轴和z轴两个方向的平动约束，施加沿x轴方向转动自由度约束。约束施加完成后，给弦支结构划分网格，将几何模型转化为有限元模型。2.5施加荷载150：2023年5月规划设计与勘察江西建材施加荷载时，计算钢筋混凝土梁和钢筋混凝土板的自重，将梁和板的自重转化为均布荷载，施加在钢筋混凝土板的上表面。由于肋梁和板浇筑在一起，所以计算肋梁高度时，需要减去板厚度，而且需要删去梁和梁交界处的重叠部分。梁的体积为Vi，板的体积为Vz，总体积为V。混凝土容重为2 350 kg/m，将混凝土质量转化为重力，然后转换成均布荷载施加在面上。V=323+9(8-0.5)x(0.250.62)=25.3425mV,=3280.08=20.48m3V=V,+V,=25.3425+20.48=45.8225m345.822523509.8q=4122N/m328将梁和板的重力转化为均布荷载后，在全部面上施加4122N/m的荷载。3在自重作变形形态分析荷载施加完成后，观察弦支结构在自重作用下的变形情况，三根撑杆从左往右依次为撑杆1、撑杆2 和撑杆3，弦支结构撑杆竖向位移如表3所示。表3自重作用下弦支结构撑杆竖向位移表撑杆类型竖向位移/mm撑杆146.2撑杆265.5撑杆345.9由竖向位移表可以看出，施加荷载后，弦支结构向下发生竖向位移。作用到板上的荷载传递到肋梁上，然后传递给撑杆，撑杆对上端肋梁和板提供向上的支撑力，同时对拉索施加向下压力，然后传递到整个拉索上，整个拉索产生拉力。从弦支结构位移表可以看出，两端位移较小，由于跨中部位弯矩最大，在跨中位置产生了最大位移。根据轻质混凝土材料性能要求，上部预制轻质混凝土板采用的是混凝土材料，所以在施工及使用过程中，必须考虑对裂缝的控制，此外，设计的预应力应尽可能地减小整体结构的竖向变形（包括向上位移和向下位移），使结构跨中的最大竖向变形不超过跨度的1/40 0。因此，要保证跨中竖向位移小于0.0 8 m，在表中可以看出，竖向最大位移为0.0 6 55m，满足位移限值要求。4施加初始预应力计算分析弦支结构为了承担自重作用下的荷载以及上部外荷载，需要在拉索位置，通过千斤顶施加初始预应力，根据跨中位置最大位移是跨度的1/40 0 可以得出，跨中位置最大位移为0.0 8 m，此时，为了更好地承担荷载，需要用千斤顶施加初始预应力，使得跨中位置向上拱起0.0 8 m。在ANSYS中建出模型，分析模型在自重作用下引起竖向位移以及索的内力，然后对索单元施加初始预应力。在自重作用下，拉索产生的拉力为12 0 0 kN，因此，先对拉索施加12 0 0 kN的初始预应力，弦支结构撑杆竖向位移大小如表4所示。表4施加12 0 0 kN弦支结构撑杆竖向位移表撑杆类型竖向位移/mm撑杆113.5撑杆219.8撑杆313.2接下来采用迭代分析，随着荷载值不断增大，竖向位移从负值变化到正值，不断加大拉索初始预应力，使得跨中位置竖向位移达到0.0 8 m。在达到38 0 0 kN时，跨中位移达到最大值，此时，弦支结构撑杆竖向位移大小如表5所示。表5施加38 0 0 kN弦支结构撑杆竖向位移表撑杆类型竖向位移/mm撑杆157.1撑杆279.0撑杆357.7在不断增大初始预应力的过程中，产生的对应的跨中位移和索的内力如表6 所示（四段拉索从左往右依次为索1、索2、索3和索4），跨中位移随初始预应力大小变化曲线如图5所示。表6跨中位移及索拉力跨中位移索1拉力索2 拉力索3拉力索4拉力预应力/kN/mm/kN/kN/kN/kN1200-19.8341401.61386.91386.31397.11500-10.9651450.81433.71433.21446.1200010.5771532.71511.81511.21527.8250029.5921614.71589.91589.31609.4300048.6081696.71668.01667.31691.1350067.6231778.71746.01745.41772.8360071.4261795.11761.61761.01789.1370075.2291811.51777.31777.61805.5380079.0321827.91792.91792.21821.8注：跨中位移向上为正值，向下为负值。907560/4530150-15-301000150020002500300035004000初始预应力/kN图5初始预应力一跨中位移曲线图通过ANSYS计算得出，预应力达到38 0 0 kN时，跨中位移最大值7 9 mm，与实际要求8 0 mm接近，此时，达到了轻质混凝土材料允许范围内的最大值，索的内力约为18 0 0 kN，通过ANSYS求解得出最后结果，初始预应力值为38 0 0 kN。5结语本文通过ANSYS计算分析得出初始预应力，从自重作用下结构变形，到初始预应力施加后结构变形，整个计算得出如下结论。（1）随着初始预应力不断增大，跨中最大位移不断增大，而且近似线性变化。（2）跨中位置竖向位移较大，两端支座处位移较小；拉索被撑杆划分成4段，每段内力大小不完全相等，但差别较小。（3）使用ANSYS求解初始预应力，通过命令流设置参数、建出模型、施加荷载、施加初始预应力，完成整个过程，更加高效、快捷、准确。参考文献1陈志华，荣彬，孙国军弦支结构体系概念与分类【J】，工业建（下转第153页）153，上接第150 页）规划设计与勘察江西建材2023年5月大跨空间结构由于跨度过大，在地震作用下，结构的竖向响应也是不容忽视的一个问题，设计出同时具有水平方向和竖向隔震的隔震支座十分重要。由蝶形弹簧组成的复合三维隔震支座对竖向的隔震能力有限，其竖向隔震周期较短，一些大跨空间结构对竖向隔震要求高，往往通过增加弹簧的高度来延长竖向的隔震周期，这样做会导致隔震支座过高，并产生稳定性不足的问题。一般的三维隔震支座竖向隔震周期较单一，适应性不强。刘宏睿6 设计的变刚度三维隔震装置由水平摩擦摆支座和液压缸组成，液压缸由主缸、增压缸、减压缸及转换缸组成。调整液压缸中增压缸和减压缸可以改变支座提供的竖向隔震周期，并且，液压缸可以水平放置，故该支座的竖向高度不会特别高，稳定性较好。本文对一个单层球面网壳结构进行了数值模拟分析，研究了这个变刚度三维隔震支座的隔震性能。结果表明，在考虑行波作用下，该三维支座对结构杆件轴力和结构加速度的隔震效率分别达到55%和8 6%，隔震效果较好。基于改变液压缸的组成实现变刚度的三维隔震装置，还有由铅芯橡胶支座和液压缸组成的橡胶支座液压缸变刚度三维隔震支座，该支座简图如图5所示。12381：上连接板；9：上部活塞：2：铅芯橡胶支座：10：油腔：93：中连接板；11：减压腔活510塞；64：竖向导轨；12：液压腔弹111315簧；5：液压缸侧壁；13：主腔活塞；6：限位挡块；14：主腔弹簧；121416图5橡胶支座一液压缸变刚度三维隔震支座简图在地震作用下，铅芯橡胶支座产生的变形减小结构受到的地震作用力，组合液压缸在竖向的变形起到竖向隔震的效果。组合液压缸由减压腔、增压腔及主腔组成。当地震作用引起的筑，2 0 10，40（8）：1-5，2 6.2陈志华.弦支结构体系研究进展【J】.建筑结构，2 0 11，41（12）：24-313陈志华，乔文涛.弦支混凝土集成屋盖结构及其基本特性分析J.建筑结构，2 0 10，40（11）：2 2-2 5.4乔文涛，陈志华.弦支混凝土集成屋盖结构特性分析及其参数讨论J】.建筑结构，2 0 10，40（11）：2 6-2 8，53.55张海影.装配式弦支轻质混凝土组合结构的应用研究【D.石家竖向振动位移较小时，仅主腔起到限制结构的竖向振动；当竖向振动位移较大时，液压缸中的增压腔、减压腔和主腔一起工作，以延长结构的竖向振动周期，减小结构的竖向地震作用力。本文通过建立某大跨空间结构的有限元模型研究这种竖向变刚度隔震支座的隔震性能，该竖向变刚度三维隔震支座的减震效果与非变刚度三维隔震支座接近，但这种变刚度三维隔震支座可以很好地限制隔震层的竖向位移，防止结构的倾覆角过大。3结语目前，摩擦摆隔震支座和橡胶隔震支座在实际工程中的应用比较广泛，但竖向隔震效果不佳，抗拉能力不足，难以适应当前发展的需要，如将这两种支座与其他性能优越的材料进行组合，可以提高支座的隔震性能。未来，新型隔震体系的有效性还需检验，促进隔震技术的发展，进一步研究出高性能、耐久性强及低成本的隔震支座材料。参考文献【1】薛素铎，周乾.SMA-橡胶复合支座的设计与隔震性能J.世界地震工程，2 0 0 3（4）：34-38.2李党.I型SMA-橡胶支座及其在大跨空间结构中的隔震研究D.北京：北京工业大学，2 0 0 6.3 Dewen Kong,Feng Fan,Xudong Zhi.Seismic performance of single-layer lattice shells with VF-FPB J.International Journal of SteelStructures,2014（4):2 33-2 43.4康宁娟.空间网架结构复合隔震理论和应用方法研究D】.西安：西安建筑科技大学，2 0 0 7.5薛素铎，李雄彦，潘克君.大跨空间结构隔震支座的应用研究J.建筑结构学报，2 0 10，31（S2）：56-6 1.6刘宏睿.变刚度三维隔震大跨空间结构支座研发与隔震性能研究D.天津：天津大学，2 0 19.7陈兆涛，丁阳，石运东，等.大跨空间结构竖向变刚度三维隔震装置及其隔震性能研究【J】.建筑结构学报，2 0 19，40（10）：35-42.庄：石家庄铁道大学，2 0 19.6宁宁俊超.基于ANSYS大跨度张弦梁结构预应力模拟研究D.成都：西南交通大学，2 0 13.7王新敏，李义强，许宏伟.ANSYS结构分析单元与应用M.北京：人民交通出版社，2 0 11.8王新敏.ANSYS工程结构数值分析【M】.北京：人民交通出版社，2019.