体外预应力混凝土梁时变效应下预应力损失及二次效应分析课件.pptx

1、体外预应力混凝土梁时变效应下预应力损失及二次效应分析12345绪论体外预应力筋的有限元模拟体外预应力简支梁时变效应下二次效应分析体外预应力梁时变效应下的预应力损失研究结论与展望绪 论研究的背景国内外体外预应力结构的研究现状本文研究内容1.1 研究背景 随着1936年第一座体外预应力混凝土桥梁的建成以及后来钢筋防锈蚀技术的突破，体外预应力结构凭借其一系列优点被广泛采用。由于构造原因，体外预应力结构会出现二次效应，此外，时变效应或预应力损失与其共同作用下将对结构的承载力、动力特性及极限状态下裂缝的宽度变化产生影响。1.2 国内外体外预应力结构的研究现状 早期研究以试验为主，从对无粘结预应力筋的分析

2、过渡到体外筋，通过跨高比、体外筋的配筋率、有效预应力等相关参数对极限状态下结构的承载力以及体外筋的应力进行研究。现阶段关于体外预应力结构的研究主要集中于体外筋的极限应力、体外筋的张拉方式、结构的极限承载力、二次效应、弯矩重分布、预应力引起的次力矩、预应力损失、转向块的设计与布置等方面。1.4 研究内容体外预应力混凝土梁时变效应下预应力损失及二次效应分析不同体外筋模型的分析比较二次效应分析常规带刚臂杆单元模型多段多节点杆单元模型等效节点荷载模型基于迭代的带刚臂杆单元模型ANSYS模型体外预应力梁时变效应下的预应力损失研究 混凝土的收缩徐变ANSYS中徐变分析方法预应力筋的松弛各项体外预应力损失几

3、何非线性以及ANSYS中几何非线性作用的计入体外预应力筋的有限元模拟体外预应力筋有限元模型不同模型的数值计算结果对比分析2.1 体外预应力筋有限元模型2.1.1 常规带刚臂杆单元模型 分别为杆单元两端节点号，是刚臂与直杆的连接点，为固定不变的结构坐标系。2.1 体外预应力筋有限元模型2.1.2 多段多节点杆单元模型 上述模型为三段四节点杆单元模型，该类模型的主要特点是认为体外筋在转向块位置处可以自由滑移，因而体外筋在其全长范围内为常应变构件2.1 体外预应力筋有限元模型2.1.3 等效节点荷载模型 通过把体外预应力混凝土结构划分为一系列的梁单元，将体外筋的贡献转化为施加在梁单元上的等效节点荷载

4、来模拟。2.1 体外预应力筋有限元模型2.1.4 基于迭代的带刚臂杆单元模型 根据常规的线弹性结构分析，分别得到体外筋不同节段的轴力。取3个轴力的平均值为假定的常数参考值，再分别求出3个轴力值与平均值的差值，然后通过每根杆件在结构坐标系下的转换矩阵得出各杆单元的等效节点荷载，再次进行线弹性求解，求出位移增量后与第一次求解得到的位移相加得到位移总量，再次求解得到体外筋不同节段的轴力，按照上述步骤重复进行，直到计算得到的3个不同轴力值与其平均值之差小于规定的容许值为止，在此基础上得到其他的内力及应力结果。2.1 体外预应力筋有限元模型2.1.5 ANSYS模型 采用Beam188单元来模拟主梁，L

5、ink10单元模拟体外筋，Mpc184-刚性梁单元来模拟体外筋与主梁的连接，Combin14弹簧-阻尼器单元来模拟转向块，在每个转向块左右两侧体外筋连线的角平分线处取一个较小距离建立一个节点，与面向转向块处节点之间建立弹簧单元，与面向主梁节点之间建立刚性梁单元。2.2 不同模型的数值计算结果对比 分别以平面杆系程序为基础，将多段多节点和基于迭代的带刚臂杆单元模型嵌入其中，及通过ANSYS进行建模，对本算例进行分析。再与已有模型的计算结果进行对比。2.2 不同模型的数值计算结果对比位移和内力计算结果 节点节点2挠挠度（度（mm）节点节点1转角转角（度）（度）节点节点2转角转角（度）（度）段轴力段

6、轴力（kN）段轴力段轴力（kN）段轴力段轴力（kN）常规带刚臂杆单元模型-1.924-0.02820.011029.2134.529.2多段多节点杆单元模型-2.123-0.0311-0.013971.371.371.3等效节点荷载模型-2.500-0.0344-0.0172一一一迭代的带刚臂杆单元模型-2.050-0.0301-0.012962.462.462.4ANSYS简支梁模型-2.134一一72.272.272.22.2 不同模型的数值计算结果对比模型误差（单位：%）从上述两个表格中可以看出，无论是跨中位移还是体外筋的轴力，ANSYS简支梁模型的计算精度最高，基于迭代的带刚臂杆单元模

7、型次之，从而验证了使用ANSYS模拟体外预应力结构的可靠性以及迭代模型的可行性。节点节点2挠度挠度节点节点1转角转角节点节点2转角转角段轴力段轴力段轴力段轴力段轴力段轴力常规带刚臂杆单元模型9.49.320.95988.659等效节点荷载模型17.810.623.7一一一迭代的带刚臂杆单元模型3.43.27.212.512.512.5ANSYS简支梁模型0.5一一1.31.31.3体外预应力简支梁时变效应下二次效应分析混凝土的徐变混凝土的收缩及预应力筋的松弛时变效应下二次效应分析3.1 混凝土的徐变3.1.1 混凝土的徐变机理与流变模型 徐变是指在持续荷载作用下，混凝土结构的变形将随时间不断增

8、加的现象。徐变理论：黏弹性理论、渗出理论、黏性流动理论、塑性流动理论、微裂缝理论、内力平衡理论等。徐变系数两种不同的表达方式：流变模型可用于分析和研究徐变的计算方法，流变模型的基本流变元件大体由弹簧、阻尼器和摩擦装置三种组成，基本元件加以组合后可得三种流变基本模型。徐变计算理论是如何将正常载荷下徐变试验结果应用于变应力下的结构构件徐变分析理论，主要包括有效模量法、老化理论（徐变率法）、弹性徐变理论（叠加法）、弹性老化理论（流动率法）和继效流动理论等。我国最新采用的JTGD3362-2018规范中徐变系数根据下列公式进行计算：3.1 混凝土的徐变3.1.2 混凝土徐变的计算理论与数学模型3.1

9、混凝土的徐变3.1.2 混凝土徐变的计算理论与数学模型3.2 混凝土的收缩及预应力筋的松弛 混凝土的收缩是指由于混凝土中水分含量的变化、化学反应和温度降低而导致的体积减小。徐变收缩机理：自发收缩、干燥收缩、碳化收缩。混凝土收缩表达式中常用的三种函数式：3.2.1 混凝土收缩的计算理论与数学模型 双曲线函数式 对数函数式 指数函数式3.2 混凝土的收缩及预应力筋的松弛 JTGD3362-2018标准规范中收缩徐变的数学定义方式3.2.2 混凝土收缩的估算方法3.2 混凝土的收缩及预应力筋的松弛 预应力钢筋的松弛损失具体公式为：3.2.3 预应力筋的松弛 其中公式中的初始应力因为受到混凝土收缩徐变

10、等作用的影响，其值是不断变化的，需要及时修正。3.3 时变效应下二次效应分析3.3.1 ANSYS软件中徐变分析方法 在ANSYS中通过徐变方程来模拟材料的徐变行为，本文选用“隐式Implicit Creep”6号方程。本文选用软件中的应变强化准则和线性徐变理论计算徐变，其假定徐变应变速率仅依赖于徐变过程的开始时间，再考虑每个时间步长，且在各个时间步长内徐变应变速率假定为常数。因此，理论上来说，时间步长越小精度越大，但考虑到运营成本，步长在前期取较小值，后期可逐渐放大。徐变参数具体计算表达式为：3.3 时变效应下二次效应分析3.3.2 数值对比分析 建立直线形体外预应力筋矩形截面简支梁的ANS

11、YS杆系模型，来分析时变效应与二次效应耦合作用的影响，参数分析时的变量为转向块的数量以及不同规范内的徐变系数计算方式。3.3 时变效应下二次效应分析3.3.2 数值对比分析3.3 时变效应下二次效应分析分析小节 以体外预应力简支梁为算例，借助于通用计算程序ANSYS对结构因时变效应对二次效应造成的影响进行了数值分析，在与文献21进行对比后发现，该模型具有良好的计算精度，侧面佐证了文献中给予的结论，此外还发现我国规范关于二次效应的估算是偏保守的，关于体外预应力结构混凝土的收缩徐变计算公式还有待进一步研究。体外预应力梁时变效应下的预应力损失研究预应力损失的理论计算体外预应力的几何非线性分析全预应力

12、损失或时变效应与几何非线性下的体外预应力结构有限元分析4.1 预应力损失的理论计算4.1.1 预应力钢筋的张拉控制应力及有效预应力 张拉控制应力是指对预应力钢筋进行张拉时，预应力必须要达到所控制的最大应力。（1）预应力钢线、钢绞线的张拉控制应力值 体内预应力 体外预应力 （2）预应力螺纹钢筋的张拉控制应力值 预应力筋的有效预应力是指预应力钢筋的张拉控制应力与相应阶段的应力损失的差值。4.1 预应力损失的理论计算4.1.2 钢筋预应力损失的理论计算分析 （1）预应力钢筋与管道壁之间摩擦引起的预应力损失 （2）锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的预应力损失 （3）预应力钢筋与台座之间温差引起的预应力

13、损失 （4）混凝土弹性压缩引起的预应力损失 后张法预应力钢筋构件 先张法预应力钢筋构件4.1 预应力损失的理论计算4.1.2 钢筋预应力损失的理论计算分析 （5）预应力钢筋松弛引起的预应力损失 （6）混凝土收缩、徐变引起的预应力损失4.2 体外预应力几何非线性分析4.2.1 几何非线性 几何非线性是指因为结构发生几何变形引起刚度变化的非线性问题。4.2.2 ANSYS中几何非线性分析方法 （1）工程应变和工程应力 （2）对数应变和真实应力 （3）Green-Lagrange应变和第二Piola-Kirchoff应力4.3 全预应力损失或时变效应与几何非线性下的体外预 应力结构有限元分析4.3.

14、1 几何非线性作用下体外全预应力损失影响分析 4种不同的工况分别为：不考虑预应力损失、只考虑收缩徐变下的预应力损失、考虑全部预应力损失、考虑几何非线性作用下预应力损失，分别命名为工况1、工况2、工况3、工程4。4.3 全预应力损失或时变效应与几何非线性下的体外预 应力结构有限元分析4.3.1 几何非线性作用下体外预应力损失影响分析4.3 全预应力损失或时变效应与几何非线性下的体外预 应力结构有限元分析4.3.2 几何非线性作用下时变效应影响分析 4种不同的工况分别为：线性、线性+时变、几何非线性、几何非线性+时变。针对每一种工况，对横载作用下结构的跨中、左墩顶、右墩顶的水平位移、竖向位移、弯矩

15、、体外筋的轴应力进行对比分析，如下图所示。4.3 全预应力损失或时变效应与几何非线性下的体外预 应力结构有限元分析4.3.2 几何非线性作用下时变效应影响分析4.3 全预应力损失或时变效应与几何非线性下的体外预 应力结构有限元分析4.3.2 几何非线性作用下时变效应影响分析4.3 全预应力损失或时变效应与几何非线性下的体外预 应力结构有限元分析4.3.2 几何非线性作用下时变效应影响分析结论在体外预应力连续刚构桥中，同时考虑几何非线性与时变效应对跨中的竖向位移以及左右墩的水平位移影响明显，对各个关键截面的弯矩和体外筋的轴应力也较为明显分别对两种不同形式的体外预应力桥梁进行了分析，几何非线性和徐

16、变效应对其有较明显的影响，虽然几何非线性的影响要小于时变效应，但在个别计算内容上仍然有较大影响。结论与展望结论展望5.1 结论1基于已有的三种不同体外预应力筋模拟方式的计算原理，提出了基于迭代的带刚臂杆单元模型，此外建立ANSYS模型，通过结构的挠度和应力验证了所提模型的准确性以及ANSYS模型的可行性23改变转向块的布置可以大致消除二次效应带来的影响，国内规范相对于国外规范关于二次效应的估算是偏保守的根据最新的国内规范对预应力损失进行计算，只考虑收缩徐变带来的预应力损失相比于考虑全部预应力损失加大了跨中的挠度，也减小了相应的跨中弯矩，而是否考虑几何非线性的作用会对体外筋的应力产生较大的影响5

17、.2 展望一二三本文所提出的基于迭代的杆单元模型，只是对最基本的简支梁模型进行分析，并没有考虑混凝土收缩徐变的影响，为了使模型有进一步的实用性，还有待于开发其他的计算模块实 际 工 程 中体 外 筋 与 转向 块 之 间 会产 生 摩 擦，并 且 转 向 块作 为 体 外 预应 力 结 构 中重 要 的 环 节之 一，没 有对 其 进 行 具体 的 分 析，忽 略 了 结 构的 剪 切 和 轴向变形本文仅分析了体外预应力结构的部分静力特征，对结构的动力特征没有进行分析，而对动力特征的熟知是进一步抗震研究的基础四在对实桥进行分析时忽略了材料非线性对结构受力性能的影响，此外考虑预应力损失时只包含了时变效应对结构的影响，是否有必要考虑其他项预应力损失有待进一步探究谢谢