體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁時變效應(yīng)下預(yù)應(yīng)力損失及二次效應(yīng)分析課件

1、體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁時變效應(yīng)下預(yù)應(yīng)力損失及二次效應(yīng)分析體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁時變效應(yīng)下預(yù)應(yīng)力損失及二次效應(yīng)分析12345緒論體外預(yù)應(yīng)力筋的有限元模擬體外預(yù)應(yīng)力簡支梁時變效應(yīng)下二次效應(yīng)分析體外預(yù)應(yīng)力梁時變效應(yīng)下的預(yù)應(yīng)力損失研究結(jié)論與展望12345緒論體外預(yù)應(yīng)力筋的有限元模擬體外預(yù)應(yīng)力簡支梁時變效緒 論研究的背景國內(nèi)外體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀本文研究內(nèi)容緒 論研究的背景國內(nèi)外體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀本文研究內(nèi)1.1 研究背景 隨著1936年第一座體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的建成以及后來鋼筋防銹蝕技術(shù)的突破，體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)憑借其一系列優(yōu)點被廣泛采用。由于構(gòu)造原因，體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)二次效應(yīng)，此外，時變效應(yīng)或預(yù)

2、應(yīng)力損失與其共同作用下將對結(jié)構(gòu)的承載力、動力特性及極限狀態(tài)下裂縫的寬度變化產(chǎn)生影響。1.1 研究背景 隨著1936年第一座體外預(yù)應(yīng)力1.2 國內(nèi)外體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀 早期研究以試驗為主，從對無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的分析過渡到體外筋，通過跨高比、體外筋的配筋率、有效預(yù)應(yīng)力等相關(guān)參數(shù)對極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的承載力以及體外筋的應(yīng)力進行研究?，F(xiàn)階段關(guān)于體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的研究主要集中于體外筋的極限應(yīng)力、體外筋的張拉方式、結(jié)構(gòu)的極限承載力、二次效應(yīng)、彎矩重分布、預(yù)應(yīng)力引起的次力矩、預(yù)應(yīng)力損失、轉(zhuǎn)向塊的設(shè)計與布置等方面。1.2 國內(nèi)外體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀 早期研 1.4 研究內(nèi)容體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁時變效應(yīng)下預(yù)應(yīng)力

3、損失及二次效應(yīng)分析不同體外筋模型的分析比較二次效應(yīng)分析常規(guī)帶剛臂桿單元模型多段多節(jié)點桿單元模型等效節(jié)點荷載模型基于迭代的帶剛臂桿單元模型ANSYS模型體外預(yù)應(yīng)力梁時變效應(yīng)下的預(yù)應(yīng)力損失研究 混凝土的收縮徐變ANSYS中徐變分析方法預(yù)應(yīng)力筋的松弛各項體外預(yù)應(yīng)力損失幾何非線性以及ANSYS中幾何非線性作用的計入 1.4 研究內(nèi)容體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁時變效應(yīng)下預(yù)應(yīng)力損失及二體外預(yù)應(yīng)力筋的有限元模擬體外預(yù)應(yīng)力筋有限元模型不同模型的數(shù)值計算結(jié)果對比分析體外預(yù)應(yīng)力筋的有限元模擬體外預(yù)應(yīng)力筋有限元模型不同模型的數(shù)值2.1 體外預(yù)應(yīng)力筋有限元模型2.1.1 常規(guī)帶剛臂桿單元模型 分別為桿單元兩端節(jié)點號， 是剛臂

4、與直桿的連接點， 為固定不變的結(jié)構(gòu)坐標系。2.1 體外預(yù)應(yīng)力筋有限元模型2.1.1 常規(guī)帶剛臂桿單元模2.1 體外預(yù)應(yīng)力筋有限元模型2.1.2 多段多節(jié)點桿單元模型 上述模型為三段四節(jié)點桿單元模型，該類模型的主要特點是認為體外筋在轉(zhuǎn)向塊位置處可以自由滑移，因而體外筋在其全長范圍內(nèi)為常應(yīng)變構(gòu)件2.1 體外預(yù)應(yīng)力筋有限元模型2.1.2 多段多節(jié)點桿單元模2.1 體外預(yù)應(yīng)力筋有限元模型2.1.3 等效節(jié)點荷載模型 通過把體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)劃分為一系列的梁單元，將體外筋的貢獻轉(zhuǎn)化為施加在梁單元上的等效節(jié)點荷載來模擬。2.1 體外預(yù)應(yīng)力筋有限元模型2.1.3 等效節(jié)點荷載模型 2.1 體外預(yù)應(yīng)力筋有限

5、元模型2.1.4 基于迭代的帶剛臂桿單元模型 根據(jù)常規(guī)的線彈性結(jié)構(gòu)分析，分別得到體外筋不同節(jié)段的軸力。取3個軸力的平均值為假定的常數(shù)參考值，再分別求出3個軸力值與平均值的差值，然后通過每根桿件在結(jié)構(gòu)坐標系下的轉(zhuǎn)換矩陣得出各桿單元的等效節(jié)點荷載，再次進行線彈性求解，求出位移增量后與第一次求解得到的位移相加得到位移總量，再次求解得到體外筋不同節(jié)段的軸力，按照上述步驟重復(fù)進行，直到計算得到的3個不同軸力值與其平均值之差小于規(guī)定的容許值為止，在此基礎(chǔ)上得到其他的內(nèi)力及應(yīng)力結(jié)果。2.1 體外預(yù)應(yīng)力筋有限元模型2.1.4 基于迭代的帶剛臂桿2.1 體外預(yù)應(yīng)力筋有限元模型2.1.5 ANSYS模型 采用Be

6、am188單元來模擬主梁，Link10單元模擬體外筋，Mpc184-剛性梁單元來模擬體外筋與主梁的連接，Combin14彈簧-阻尼器單元來模擬轉(zhuǎn)向塊，在每個轉(zhuǎn)向塊左右兩側(cè)體外筋連線的角平分線處取一個較小距離建立一個節(jié)點，與面向轉(zhuǎn)向塊處節(jié)點之間建立彈簧單元，與面向主梁節(jié)點之間建立剛性梁單元。2.1 體外預(yù)應(yīng)力筋有限元模型2.1.5 ANSYS模型 2.2 不同模型的數(shù)值計算結(jié)果對比 分別以平面桿系程序為基礎(chǔ)，將多段多節(jié)點和基于迭代的帶剛臂桿單元模型嵌入其中，及通過ANSYS進行建模，對本算例進行分析。再與已有模型的計算結(jié)果進行對比。2.2 不同模型的數(shù)值計算結(jié)果對比 分別以平面2.2 不同模型的

7、數(shù)值計算結(jié)果對比位移和內(nèi)力計算結(jié)果節(jié)點2撓度（mm）節(jié)點1轉(zhuǎn)角（度）節(jié)點2轉(zhuǎn)角（度）段軸力（kN）段軸力（kN）段軸力（kN）常規(guī)帶剛臂桿單元模型-1.924-0.02820.011029.2134.529.2多段多節(jié)點桿單元模型-2.123-0.0311-0.013971.371.371.3等效節(jié)點荷載模型-2.500-0.0344-0.0172一一一迭代的帶剛臂桿單元模型-2.050-0.0301-0.012962.462.462.4ANSYS簡支梁模型-2.134一一72.272.272.22.2 不同模型的數(shù)值計算結(jié)果對比位移和內(nèi)力計算結(jié)果節(jié)點22.2 不同模型的數(shù)值計算結(jié)果對比模型誤

8、差（單位：%） 從上述兩個表格中可以看出，無論是跨中位移還是體外筋的軸力，ANSYS簡支梁模型的計算精度最高，基于迭代的帶剛臂桿單元模型次之，從而驗證了使用ANSYS模擬體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的可靠性以及迭代模型的可行性。節(jié)點2撓度節(jié)點1轉(zhuǎn)角節(jié)點2轉(zhuǎn)角段軸力段軸力段軸力常規(guī)帶剛臂桿單元模型9.49.320.95988.659等效節(jié)點荷載模型17.810.623.7一一一迭代的帶剛臂桿單元模型3.43.27.212.512.512.5ANSYS簡支梁模型0.5一一1.31.31.32.2 不同模型的數(shù)值計算結(jié)果對比模型誤差（單位：%） 體外預(yù)應(yīng)力簡支梁時變效應(yīng)下二次效應(yīng)分析混凝土的徐變混凝土的收縮及預(yù)應(yīng)

9、力筋的松弛時變效應(yīng)下二次效應(yīng)分析體外預(yù)應(yīng)力簡支梁時變效應(yīng)下二次效應(yīng)分析混凝土的徐變混凝土的收3.1 混凝土的徐變3.1.1 混凝土的徐變機理與流變模型 徐變是指在持續(xù)荷載作用下，混凝土結(jié)構(gòu)的變形將隨時間不斷增加的現(xiàn)象。 徐變理論：黏彈性理論、滲出理論、黏性流動理論、塑性流動理論、微裂縫理論、內(nèi)力平衡理論等。 徐變系數(shù)兩種不同的表達方式： 流變模型可用于分析和研究徐變的計算方法，流變模型的基本流變元件大體由彈簧、阻尼器和摩擦裝置三種組成，基本元件加以組合后可得三種流變基本模型。3.1 混凝土的徐變3.1.1 混凝土的徐變機理與流變模型 徐變計算理論是如何將正常載荷下徐變試驗結(jié)果應(yīng)用于變應(yīng)力下的結(jié)

10、構(gòu)構(gòu)件徐變分析理論，主要包括有效模量法、老化理論（徐變率法）、彈性徐變理論（疊加法）、彈性老化理論（流動率法）和繼效流動理論等。 我國最新采用的JTGD3362-2018規(guī)范中徐變系數(shù)根據(jù)下列公式進行計算：3.1 混凝土的徐變3.1.2 混凝土徐變的計算理論與數(shù)學(xué)模型 徐變計算理論是如何將正常載荷下徐變試驗結(jié)果應(yīng)3.1 混凝土的徐變3.1.2 混凝土徐變的計算理論與數(shù)學(xué)模型3.1 混凝土的徐變3.1.2 混凝土徐變的計算理論與數(shù)學(xué)模3.2 混凝土的收縮及預(yù)應(yīng)力筋的松弛 混凝土的收縮是指由于混凝土中水分含量的變化、化學(xué)反應(yīng)和溫度降低而導(dǎo)致的體積減小。 徐變收縮機理：自發(fā)收縮、干燥收縮、碳化收縮。

11、 混凝土收縮表達式中常用的三種函數(shù)式：3.2.1 混凝土收縮的計算理論與數(shù)學(xué)模型 雙曲線函數(shù)式 對數(shù)函數(shù)式 指數(shù)函數(shù)式3.2 混凝土的收縮及預(yù)應(yīng)力筋的松弛 混凝土的3.2 混凝土的收縮及預(yù)應(yīng)力筋的松弛 JTGD3362-2018標準規(guī)范中收縮徐變的數(shù)學(xué)定義方式3.2.2 混凝土收縮的估算方法3.2 混凝土的收縮及預(yù)應(yīng)力筋的松弛 JTGD3.2 混凝土的收縮及預(yù)應(yīng)力筋的松弛 預(yù)應(yīng)力鋼筋的松弛損失具體公式為：3.2.3 預(yù)應(yīng)力筋的松弛 其中公式中的初始應(yīng)力因為受到混凝土收縮徐變等作用的影響，其值是不斷變化的，需要及時修正。3.2 混凝土的收縮及預(yù)應(yīng)力筋的松弛 預(yù)應(yīng)力鋼筋的3.3 時變效應(yīng)下二次效應(yīng)

12、分析3.3.1 ANSYS軟件中徐變分析方法 在ANSYS中通過徐變方程來模擬材料的徐變行為，本文選用“隱式Implicit Creep”6號方程。 本文選用軟件中的應(yīng)變強化準則和線性徐變理論計算徐變，其假定徐變應(yīng)變速率僅依賴于徐變過程的開始時間，再考慮每個時間步長，且在各個時間步長內(nèi)徐變應(yīng)變速率假定為常數(shù)。因此，理論上來說，時間步長越小精度越大，但考慮到運營成本，步長在前期取較小值，后期可逐漸放大。徐變參數(shù)具體計算表達式為：3.3 時變效應(yīng)下二次效應(yīng)分析3.3.1 ANSYS軟件中徐3.3 時變效應(yīng)下二次效應(yīng)分析3.3.2 數(shù)值對比分析 建立直線形體外預(yù)應(yīng)力筋矩形截面簡支梁的ANSYS桿系模

13、型，來分析時變效應(yīng)與二次效應(yīng)耦合作用的影響，參數(shù)分析時的變量為轉(zhuǎn)向塊的數(shù)量以及不同規(guī)范內(nèi)的徐變系數(shù)計算方式。3.3 時變效應(yīng)下二次效應(yīng)分析3.3.2 數(shù)值對比分析 3.3 時變效應(yīng)下二次效應(yīng)分析3.3.2 數(shù)值對比分析3.3 時變效應(yīng)下二次效應(yīng)分析3.3.2 數(shù)值對比分析3.3 時變效應(yīng)下二次效應(yīng)分析分析小節(jié) 以體外預(yù)應(yīng)力簡支梁為算例，借助于通用計算程序ANSYS對結(jié)構(gòu)因時變效應(yīng)對二次效應(yīng)造成的影響進行了數(shù)值分析，在與文獻21進行對比后發(fā)現(xiàn)，該模型具有良好的計算精度，側(cè)面佐證了文獻中給予的結(jié)論，此外還發(fā)現(xiàn)我國規(guī)范關(guān)于二次效應(yīng)的估算是偏保守的，關(guān)于體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)混凝土的收縮徐變計算公式還有待進一

14、步研究。3.3 時變效應(yīng)下二次效應(yīng)分析分析小節(jié) 以體體外預(yù)應(yīng)力梁時變效應(yīng)下的預(yù)應(yīng)力損失研究預(yù)應(yīng)力損失的理論計算體外預(yù)應(yīng)力的幾何非線性分析全預(yù)應(yīng)力損失或時變效應(yīng)與幾何非線性下的體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)有限元分析體外預(yù)應(yīng)力梁時變效應(yīng)下的預(yù)應(yīng)力損失研究預(yù)應(yīng)力損失的理論計算體4.1 預(yù)應(yīng)力損失的理論計算4.1.1 預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉控制應(yīng)力及有效預(yù)應(yīng)力 張拉控制應(yīng)力是指對預(yù)應(yīng)力鋼筋進行張拉時，預(yù)應(yīng)力必須要達到所控制的最大應(yīng)力。 （1） 預(yù)應(yīng)力鋼線、鋼絞線的張拉控制應(yīng)力值 體內(nèi)預(yù)應(yīng)力 體外預(yù)應(yīng)力 （2）預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋的張拉控制應(yīng)力值 預(yù)應(yīng)力筋的有效預(yù)應(yīng)力是指預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉控制應(yīng)力與相應(yīng)階段的應(yīng)力損失的差值。4.1

15、 預(yù)應(yīng)力損失的理論計算4.1.1 預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉控制4.1 預(yù)應(yīng)力損失的理論計算4.1.2 鋼筋預(yù)應(yīng)力損失的理論計算分析 （1） 預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道壁之間摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失 （2）錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮引起的預(yù)應(yīng)力損失 （3）預(yù)應(yīng)力鋼筋與臺座之間溫差引起的預(yù)應(yīng)力損失 （4）混凝土彈性壓縮引起的預(yù)應(yīng)力損失 后張法預(yù)應(yīng)力鋼筋構(gòu)件 先張法預(yù)應(yīng)力鋼筋構(gòu)件4.1 預(yù)應(yīng)力損失的理論計算4.1.2 鋼筋預(yù)應(yīng)力損失的理論4.1 預(yù)應(yīng)力損失的理論計算4.1.2 鋼筋預(yù)應(yīng)力損失的理論計算分析 （5）預(yù)應(yīng)力鋼筋松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失 （6）混凝土收縮、徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失4.1 預(yù)應(yīng)力損失的理論計算4.1.2

16、 鋼筋預(yù)應(yīng)力損失的理論4.2 體外預(yù)應(yīng)力幾何非線性分析4.2.1 幾何非線性 幾何非線性是指因為結(jié)構(gòu)發(fā)生幾何變形引起剛度變化的非線性問題。4.2.2 ANSYS中幾何非線性分析方法 （1）工程應(yīng)變和工程應(yīng)力 （2）對數(shù)應(yīng)變和真實應(yīng)力 （3）Green-Lagrange應(yīng)變和第二Piola-Kirchoff應(yīng)力4.2 體外預(yù)應(yīng)力幾何非線性分析4.2.1 幾何非線性 4.3 全預(yù)應(yīng)力損失或時變效應(yīng)與幾何非線性下的體外預(yù) 應(yīng)力結(jié)構(gòu)有限元分析4.3.1 幾何非線性作用下體外全預(yù)應(yīng)力損失影響分析 4種不同的工況分別為：不考慮預(yù)應(yīng)力損失、只考慮收縮徐變下的預(yù)應(yīng)力損失、考慮全部預(yù)應(yīng)力損失、考慮幾何非線性作用

17、下預(yù)應(yīng)力損失，分別命名為工況1、工況2、工況3、工程4。4.3 全預(yù)應(yīng)力損失或時變效應(yīng)與幾何非線性下的體外預(yù) 4.3 全預(yù)應(yīng)力損失或時變效應(yīng)與幾何非線性下的體外預(yù) 應(yīng)力結(jié)構(gòu)有限元分析4.3.1 幾何非線性作用下體外預(yù)應(yīng)力損失影響分析4.3 全預(yù)應(yīng)力損失或時變效應(yīng)與幾何非線性下的體外預(yù) 4.3 全預(yù)應(yīng)力損失或時變效應(yīng)與幾何非線性下的體外預(yù) 應(yīng)力結(jié)構(gòu)有限元分析4.3.2 幾何非線性作用下時變效應(yīng)影響分析 4種不同的工況分別為：線性、線性+時變、幾何非線性、幾何非線性+時變。針對每一種工況，對橫載作用下結(jié)構(gòu)的跨中、左墩頂、右墩頂?shù)乃轿灰?、豎向位移、彎矩、體外筋的軸應(yīng)力進行對比分析，如下圖所示。4.

18、3 全預(yù)應(yīng)力損失或時變效應(yīng)與幾何非線性下的體外預(yù) 4.3 全預(yù)應(yīng)力損失或時變效應(yīng)與幾何非線性下的體外預(yù) 應(yīng)力結(jié)構(gòu)有限元分析4.3.2 幾何非線性作用下時變效應(yīng)影響分析4.3 全預(yù)應(yīng)力損失或時變效應(yīng)與幾何非線性下的體外預(yù) 4.3 全預(yù)應(yīng)力損失或時變效應(yīng)與幾何非線性下的體外預(yù) 應(yīng)力結(jié)構(gòu)有限元分析4.3.2 幾何非線性作用下時變效應(yīng)影響分析4.3 全預(yù)應(yīng)力損失或時變效應(yīng)與幾何非線性下的體外預(yù) 4.3 全預(yù)應(yīng)力損失或時變效應(yīng)與幾何非線性下的體外預(yù) 應(yīng)力結(jié)構(gòu)有限元分析4.3.2 幾何非線性作用下時變效應(yīng)影響分析結(jié)論在體外預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋中，同時考慮幾何非線性與時變效應(yīng)對跨中的豎向位移以及左右墩的水平位移影響明顯，對各個關(guān)鍵截面的彎矩和體外筋的軸應(yīng)力也較為明顯分別對兩種不同形式的體外預(yù)應(yīng)力橋梁進行了分析，幾何非線性和徐變效應(yīng)對其有較明顯的影響，雖然幾何非線性的影響要小于時變效應(yīng)，但在個別計算內(nèi)容上仍然有較大影響。4.3 全預(yù)應(yīng)力損失或時變效應(yīng)與幾何非線性下的