體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁時(shí)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(shí)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(shí)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(jiǎn)支梁時(shí)變效應(yīng)下二次效應(yīng)分析體外預(yù)應(yīng)力梁時(shí)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(jiǎn)支梁時(shí)變效緒 論研究的背景國(guó)內(nèi)外體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀本文研究?jī)?nèi)容緒 論研究的背景國(guó)內(nèi)外體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀本文研究?jī)?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(diǎn)被廣泛采用。由于構(gòu)造原因，體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)二次效應(yīng)，此外，時(shí)變效應(yīng)或預(yù)

2、應(yīng)力損失與其共同作用下將對(duì)結(jié)構(gòu)的承載力、動(dòng)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(guó)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(yàn)為主，從對(duì)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(duì)極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的承載力以及體外筋的應(yīng)力進(jìn)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(jì)與布置等方面。1.2 國(guó)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?jī)?nèi)容體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁時(shí)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(diǎn)桿單元模型等效節(jié)點(diǎn)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(shí)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(xiàng)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(jì)入 1.4 研究?jī)?nèi)容體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁時(shí)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(jì)算結(jié)果對(duì)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(diǎn)號(hào)， 是剛臂

4、與直桿的連接點(diǎn)， 為固定不變的結(jié)構(gòu)坐標(biāo)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(diǎn)桿單元模型 上述模型為三段四節(jié)點(diǎn)桿單元模型，該類模型的主要特點(diǎn)是認(rèn)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(zhǎng)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(diǎn)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(diǎn)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?jiǎn)卧瑢Ⅲw外筋的貢獻(xiàn)轉(zhuǎn)化為施加在梁?jiǎn)卧系牡刃Ч?jié)點(diǎn)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(diǎn)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(gè)軸力的平均值為假定的常數(shù)參考值，再分別求出3個(gè)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(biāo)系下的轉(zhuǎn)換矩陣得出各桿單元的等效節(jié)點(diǎn)荷載，再次進(jìn)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(jìn)行，直到計(jì)算得到的3個(gè)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?jiǎn)卧獊砟M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(gè)轉(zhuǎn)向塊左右兩側(cè)體外筋連線的角平分線處取一個(gè)較小距離建立一個(gè)節(jié)點(diǎn)，與面向轉(zhuǎn)向塊處節(jié)點(diǎn)之間建立彈簧單元，與面向主梁節(jié)點(diǎn)之間建立剛性梁?jiǎn)卧?.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(jì)算結(jié)果對(duì)比 分別以平面桿系程序?yàn)榛A(chǔ)，將多段多節(jié)點(diǎn)和基于迭代的帶剛臂桿單元模型嵌入其中，及通過ANSYS進(jìn)行建模，對(duì)本算例進(jìn)行分析。再與已有模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。2.2 不同模型的數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比 分別以平面2.2 不同模型的

7、數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比位移和內(nèi)力計(jì)算結(jié)果節(jié)點(diǎn)2撓度（mm）節(jié)點(diǎn)1轉(zhuǎn)角（度）節(jié)點(diǎn)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(diǎn)桿單元模型-2.123-0.0311-0.013971.371.371.3等效節(jié)點(diǎn)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(jiǎn)支梁模型-2.134一一72.272.272.22.2 不同模型的數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比位移和內(nèi)力計(jì)算結(jié)果節(jié)點(diǎn)22.2 不同模型的數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比模型誤

8、差（單位：%） 從上述兩個(gè)表格中可以看出，無論是跨中位移還是體外筋的軸力，ANSYS簡(jiǎn)支梁模型的計(jì)算精度最高，基于迭代的帶剛臂桿單元模型次之，從而驗(yàn)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(diǎn)2撓度節(jié)點(diǎn)1轉(zhuǎn)角節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(jiǎn)支梁模型0.5一一1.31.31.32.2 不同模型的數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比模型誤差（單位：%） 體外預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支梁時(shí)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(shí)變效應(yīng)下二次效應(yīng)分析體外預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支梁時(shí)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(jī)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(shí)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(dòng)理論、塑性流動(dòng)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(dá)方式： 流變模型可用于分析和研究徐變的計(jì)算方法，流變模型的基本流變?cè)篌w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(jī)理與流變模型 徐變計(jì)算理論是如何將正常載荷下徐變?cè)囼?yàn)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(dòng)率法）和繼效流動(dòng)理論等。 我國(guó)最新采用的JTGD3362-2018規(guī)范中徐變系數(shù)根據(jù)下列公式進(jìn)行計(jì)算：3.1 混凝土的徐變3.1.2 混凝土徐變的計(jì)算理論與數(shù)學(xué)模型 徐變計(jì)算理論是如何將正常載荷下徐變?cè)囼?yàn)結(jié)果應(yīng)3.1 混凝土的徐變3.1.2 混凝土徐變的計(jì)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(jì)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(jī)理：自發(fā)收縮、干燥收縮、碳化收縮。

11、 混凝土收縮表達(dá)式中常用的三種函數(shù)式：3.2.1 混凝土收縮的計(jì)算理論與數(shù)學(xué)模型 雙曲線函數(shù)式 對(duì)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(biāo)準(zhǔn)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?yàn)槭艿交炷潦湛s徐變等作用的影響，其值是不斷變化的，需要及時(shí)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(shí)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(hào)方程。 本文選用軟件中的應(yīng)變強(qiáng)化準(zhǔn)則和線性徐變理論計(jì)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(shí)間，再考慮每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，且在各個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)徐變應(yīng)變速率假定為常數(shù)。因此，理論上來說，時(shí)間步長(zhǎng)越小精度越大，但考慮到運(yùn)營(yíng)成本，步長(zhǎng)在前期取較小值，后期可逐漸放大。徐變參數(shù)具體計(jì)算表達(dá)式為：3.3 時(shí)變效應(yīng)下二次效應(yīng)分析3.3.1 ANSYS軟件中徐3.3 時(shí)變效應(yīng)下二次效應(yīng)分析3.3.2 數(shù)值對(duì)比分析 建立直線形體外預(yù)應(yīng)力筋矩形截面簡(jiǎn)支梁的ANSYS桿系模

13、型，來分析時(shí)變效應(yīng)與二次效應(yīng)耦合作用的影響，參數(shù)分析時(shí)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(jì)算方式。3.3 時(shí)變效應(yīng)下二次效應(yīng)分析3.3.2 數(shù)值對(duì)比分析 3.3 時(shí)變效應(yīng)下二次效應(yīng)分析3.3.2 數(shù)值對(duì)比分析3.3 時(shí)變效應(yīng)下二次效應(yīng)分析3.3.2 數(shù)值對(duì)比分析3.3 時(shí)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(jiǎn)支梁為算例，借助于通用計(jì)算程序ANSYS對(duì)結(jié)構(gòu)因時(shí)變效應(yīng)對(duì)二次效應(yīng)造成的影響進(jìn)行了數(shù)值分析，在與文獻(xiàn)21進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，該模型具有良好的計(jì)算精度，側(cè)面佐證了文獻(xiàn)中給予的結(jié)論，此外還發(fā)現(xiàn)我國(guó)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(jì)算公式還有待進(jìn)一

14、步研究。3.3 時(shí)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(shí)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(jì)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(shí)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(shí)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(jì)算體4.1 預(yù)應(yīng)力損失的理論計(jì)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(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋進(jìn)行張拉時(shí)，預(yù)應(yīng)力必須要達(dá)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(jì)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(jì)算4.1.2 鋼筋預(yù)應(yīng)力損失的理論計(jì)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(tái)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(jì)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(jì)算4.1.2 鋼筋預(yù)應(yīng)力損失的理論計(jì)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(jì)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?yàn)榻Y(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(duì)數(shù)應(yīng)變和真實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)變效應(yīng)影響分析 4種不同的工況分別為：線性、線性+時(shí)變、幾何非線性、幾何非線性+時(shí)變。針對(duì)每一種工況，對(duì)橫載作用下結(jié)構(gòu)的跨中、左墩頂、右墩頂?shù)乃轿灰啤⒇Q向位移、彎矩、體外筋的軸應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析，如下圖所示。4.

18、3 全預(yù)應(yīng)力損失或時(shí)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(shí)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(shí)變效應(yīng)影響分析4.3 全預(yù)應(yīng)力損失或時(shí)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(shí)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(shí)變效應(yīng)影響分析4.3 全預(yù)應(yīng)力損失或時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)考慮幾何非線性與時(shí)變效應(yīng)對(duì)跨中的豎向位移以及左右墩的水平位移影響明顯，對(duì)各個(gè)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(duì)兩種不同形式的體外預(yù)應(yīng)力橋梁進(jìn)行了分析，幾何非線性和徐變效應(yīng)對(duì)其有較明顯的影響，雖然幾何非線性的影響要小于時(shí)變效應(yīng)，但在個(gè)別計(jì)算內(nèi)容上仍然有較大影響。4.3 全預(yù)應(yīng)力損失或時(shí)變效應(yīng)與幾何非線性下的