預(yù)應(yīng)力后張法空心板梁張拉試驗(yàn)仿真分析

隨著現(xiàn)代應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展，鋼筋混凝土的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其是在大型建筑結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)中。而預(yù)應(yīng)力張拉工藝又是影響預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件力學(xué)性能的重要環(huán)節(jié)。為考察預(yù)應(yīng)力張拉次序?qū)炷馏w的影響,采用重慶交通學(xué)院自行研制的同步張拉設(shè)備對(duì)30m跨裝配式后張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁進(jìn)行了多點(diǎn)同步張拉的試驗(yàn)分析。本文采用大型有限元軟件ANSYS建立相應(yīng)的有限元模型進(jìn)行仿真,并計(jì)算分析了在不同張拉次序下空心板的力學(xué)性能。根據(jù)分析的目的,此次分析考慮了鋼筋混凝土材料的非線(xiàn)性、板體的幾何非線(xiàn)性以及接觸非線(xiàn)性等。1空心板梁鋼筋設(shè)計(jì)本次分析的是國(guó)道主干線(xiàn)上重慶——綦江公路(重慶段)上橋至界石段的30m裝配式混凝土空心板梁,梁的幾何形狀及預(yù)應(yīng)力鋼筋布置如圖1示。設(shè)計(jì)混凝土標(biāo)號(hào)為C40,常規(guī)鋼筋按設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)圖集配置。預(yù)應(yīng)力鋼筋采用符合標(biāo)準(zhǔn)ASTMA:416-90a.70級(jí)的15.24mm高強(qiáng)低松弛鋼絞線(xiàn)。其中N1、N6為兩束拋物線(xiàn)筋,N2、N3、N4、N5為四束直線(xiàn)筋。1.1anasas-n--拉壓空心板梁的混凝土單軸抗壓強(qiáng)度取值按照試驗(yàn)得出,取58.33MPa?；炷羻屋S應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系按照文獻(xiàn)中附錄C中的公式采用?；炷敛牧峡赏ㄟ^(guò)選取非線(xiàn)性模型考慮塑性變形和徐變。根據(jù)文獻(xiàn),本文采用多線(xiàn)性隨動(dòng)強(qiáng)化模型(MKIN)作為混凝土材料的非線(xiàn)性模型。該模型可以描述下降段,反映混凝土的軟化?；炷灵_(kāi)裂和壓潰是由失效面決定的。如果任何一個(gè)主應(yīng)力為拉應(yīng)力時(shí),一旦其超過(guò)失效面,混凝土開(kāi)裂;如果所有主應(yīng)力為壓應(yīng)力并超過(guò)失效面時(shí),混凝土壓潰。對(duì)應(yīng)三向受壓時(shí)的失效面由基于Willam-Warnke的五參數(shù)失效準(zhǔn)則確定,對(duì)應(yīng)于受拉失效由最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則確定。ANSYS中有專(zhuān)門(mén)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的Solid65單元及Concrete材料,可以考慮混凝土壓潰和開(kāi)裂。在裂縫出現(xiàn)后,為了考慮混凝土中裂縫的剪切剛度,需要采用兩個(gè)剪力傳遞系數(shù),一個(gè)用于開(kāi)裂時(shí),一個(gè)用于裂縫閉合時(shí)。根據(jù)現(xiàn)行鐵路橋梁的抗剪計(jì)算理論,本次分析中開(kāi)裂的剪力傳遞系數(shù)取0.5,閉合的剪力傳遞系數(shù)取0.95。預(yù)應(yīng)力鋼筋采用雙線(xiàn)性隨動(dòng)強(qiáng)化模型(BKIN),屈服后彈性模量取原始彈性模量的1%。1.2預(yù)應(yīng)力鋼筋模型采用Ansys提供的專(zhuān)門(mén)的混凝土單元—Solid65單元來(lái)模擬混凝土材料。Solid65單元可用于帶有或不帶有鋼筋的三維實(shí)體建模,具有模擬受拉開(kāi)裂和受壓壓潰能力。在模擬鋼筋混凝土?xí)r,這類(lèi)單元的實(shí)體部分,可以用來(lái)模擬混凝土;單元中彌散的鋼筋模型,可以用來(lái)模擬鋼筋。鋼筋可受拉或受壓,但不可受剪。該單元由8個(gè)結(jié)點(diǎn)組成,每個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有x、y和z三個(gè)方向的平移自由度。預(yù)應(yīng)力鋼筋建模采用三維線(xiàn)單元Link10模擬。該單元是一個(gè)兩節(jié)點(diǎn)單軸拉壓?jiǎn)卧?不考慮抗彎、抗剪,每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度,對(duì)應(yīng)x、y、z三個(gè)方向的平動(dòng)自由度。該單元具有塑性變形、徐變、應(yīng)力剛化、超彈和大變形能力。為了防止加載部位出現(xiàn)局部應(yīng)力集中,加載部位的錨具經(jīng)鋼墊板墊在混凝土上。另外,在該板梁張拉前,為防止在重力作用下發(fā)生先期破壞,采用鋼板墊在混凝土板梁下面。上述錨具和鋼板均采用三維結(jié)構(gòu)實(shí)體單元Solid45模擬。該單元有8節(jié)點(diǎn),每節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度,對(duì)應(yīng)x、y、z三個(gè)方向的平動(dòng)自由度。在板體的張拉過(guò)程中,板體在張拉階段前是支撐在鋼板上的,在張拉過(guò)程中,隨著張拉力的加大,板體中部由于反拱逐漸與墊板脫離接觸,這是一個(gè)典型的接觸問(wèn)題。本文采用接觸單元來(lái)模擬該問(wèn)題,接觸目標(biāo)面單元采用Targe170單元,接觸面單元采用Conta173單元。以上兩種單元均為3D、4節(jié)點(diǎn)的低階四邊形單元,可位于Solid45與Solid65等3D單元的表面,也可退化為三節(jié)點(diǎn)的三角形單元。1.3張拉階段預(yù)應(yīng)力荷載預(yù)應(yīng)力鋼筋的預(yù)應(yīng)力荷載通過(guò)等效溫度的方式施加。等效計(jì)算公式為:T=FAEδ(1)Τ=FAEδ(1)式中:T——施加的溫度;F——實(shí)際施加的力;E——鋼筋彈性模量;A——鋼筋面積;δ——鋼筋的線(xiàn)脹系數(shù)。利用上式可將預(yù)應(yīng)力扣除損失之后等效成各種溫度施加到預(yù)應(yīng)力鋼筋上,其中預(yù)應(yīng)力的摩阻與錨具損失通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得。預(yù)應(yīng)力的損失包括短期損失與長(zhǎng)期損失。短期損失主要包括錨具損失及摩擦損失;長(zhǎng)期損失包括混凝土壓縮與徐變、鋼筋松弛等。在張拉階段主要考慮短期損失。另外,根據(jù)本次計(jì)算的目的,假定在各種張拉次序下,摩擦損失和錨具損失等保持一致。因此,分析不同張拉次序時(shí)均采用一致的張拉荷載,只是荷載施加的順序不同。考慮到該空心板梁為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),采用對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)模型,在中部截面施加對(duì)稱(chēng)約束。對(duì)于直線(xiàn)筋,由于在張拉階段時(shí)Z向可以自由滑動(dòng),故將預(yù)應(yīng)力鋼筋與板體的X、Y方向約束耦合,Z方向自由。對(duì)于拋物線(xiàn)筋,則需要旋轉(zhuǎn)相應(yīng)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系,使得預(yù)應(yīng)力筋與板體X、Y方向約束耦合,沿預(yù)應(yīng)力筋拋物線(xiàn)切線(xiàn)方向自由。另外還需要在板體端部耦合支座橡膠墊與板體在豎向的位移。預(yù)應(yīng)力荷載采用荷載步的方式施加,各點(diǎn)同步張拉荷載步如下:1)重力荷載步;2)預(yù)應(yīng)力荷載步一,將N1～N6中3束鋼筋多點(diǎn)同步張拉至極限承載力的30%;3)預(yù)應(yīng)力荷載步二,將N1～N6中3束鋼筋多點(diǎn)同步張拉至極限承載力的50%;4)預(yù)應(yīng)力荷載步三,將N1～N6中3束鋼筋多點(diǎn)同步張拉至極限承載力的75%;5)預(yù)應(yīng)力荷載步四,將N2～N5鋼筋最后一束鋼筋多點(diǎn)同步張拉至設(shè)計(jì)張拉力;2不同張拉順序下的有限元模擬結(jié)果根據(jù)上述模型進(jìn)行有限元分析,得出結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。試驗(yàn)結(jié)果板體中間截面反拱值為6.03mm,計(jì)算結(jié)果為6.18mm。誤差小于3%。板體的橫向變形以及應(yīng)變也較一致,可見(jiàn)上述計(jì)算模型是合理的。因此采用同樣的計(jì)算模型分析了目前實(shí)際工程中的施工順序和理論上最?lèi)毫訌埨涡?順時(shí)針張拉)的板體應(yīng)力及變形情況。鑒于目前的施工方案通?？紤]采用左右對(duì)稱(chēng),先下后上的原則,本次分析中實(shí)際施工張拉順序?yàn)镹2-N5-N1-N6-N4-N3,分別采用不同的荷載步(總共是七個(gè)荷載步)實(shí)現(xiàn)。順時(shí)針張拉的次序?yàn)镹1-N2-N3-N4-N5-N6。在具體的求解過(guò)程中,首先仍然是施加重力荷載步,其次依次對(duì)每束鋼筋施加一個(gè)荷載步,這樣就能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同張拉荷載順序的真實(shí)模擬。數(shù)值結(jié)果能給出不同張拉荷載階段的應(yīng)力應(yīng)變及位移分布情況,以下是各種張拉過(guò)程板體隨荷載步的施加所形成的橫向與豎向變形結(jié)果比較。圖2中,a、b、c分別表示同步張拉、當(dāng)前施工順序以及按順時(shí)針張拉順序的側(cè)彎變形?？梢?jiàn),多點(diǎn)同步張拉時(shí)板體的應(yīng)力及變形的變化比較均勻,且反拱最大,張拉更加有效。順時(shí)針張拉時(shí)側(cè)向彎曲(中間過(guò)程最大)較大,最大值超過(guò)同步張拉十幾倍。隨著荷載的增加,側(cè)向位移的波動(dòng)較大,使得板體易產(chǎn)生裂縫,混凝土板體有可能產(chǎn)生微觀損傷。圖d、e、f分別為同步張拉、當(dāng)前施工順序以及按順時(shí)針張拉隨荷載施加的反拱值。從張拉的過(guò)程可見(jiàn):同步張拉的反拱最大,其次是正常施工順序,順時(shí)針張拉順序下梁體反拱最小,有可能達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。下面對(duì)最后一個(gè)荷載步結(jié)束時(shí)的不同張拉次序下產(chǎn)生的板體位移、應(yīng)力的最大最小值進(jìn)行比較,如表1、2。表1、2中UX、UY、UZ、SX、SY、SZ分別表示板體x、y、z方向的位移(m)及應(yīng)力(N/m2);SXY、SXZ、SXY表示相應(yīng)的剪應(yīng)力(N/m2)。由上表可以看出,由于張拉次序的不同,板體的應(yīng)力應(yīng)變具有很大的差別。同步張拉在Y方向的反拱比正常施工順序和順時(shí)針張拉都大,能夠達(dá)到預(yù)定的設(shè)計(jì)反拱。板體中截面上部的拉應(yīng)力SZ同步張拉最大,這和反拱最大是一致的。而對(duì)于其他各個(gè)方向的位移、正應(yīng)力和剪應(yīng)力同步張拉均為最小。另外,可以求出各種張拉次序下的節(jié)點(diǎn)最大VonMises應(yīng)力,分別為:同步張拉,37.5MPa;當(dāng)前實(shí)際施工順序,44.1MPa;順時(shí)針張拉,45.0MPa。同步張拉的VonMises應(yīng)力最小。可見(jiàn)預(yù)應(yīng)力空心板的合理的張拉次序應(yīng)該依次為同步張拉、當(dāng)前實(shí)際施工順序、順時(shí)針張拉。3張拉順序的確定通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的仿真和計(jì)算分析比較,可以得知,用大型有限元軟件ANSYS分析預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)果是合理