23. 大跨度大吨位预应力桁架拉索预应力 - 图文

大跨度大吨位预应力桁架拉索预应力

张拉虚拟仿真过程研究

[摘要]：为解决大跨预应力钢桁架拉索预紧力施加的精确控制问题，采用有限元数值计算的方法研究拉索张拉的模拟施工过程，该方法结合具体的工程案例并通过精细化的有限元建模，计算预应力拉索张拉过程中不同阶段的拉索内力分布及相互关系，最终建立反映代表性的18榀大跨预应力钢桁架结构二次循环加载的仿真施工过程，并确定了预应力拉索的最大内力值及对应的位置并与工程实际结果相比较，其误差率不超过1%，与拉索自身结构与所处的区域相关。大跨预应力钢桁架结构拉索张拉过程仿真与工程实际结果比较表明，该施工过程仿真精度高是工程具体实施的科学指导依据。

[关键词]：大跨预应力钢桁架 拉索张拉 施工仿真技术 二次循环加载 拉索内力分布

1.前言

预应力拉索张拉施工是预应力技术的重点与难点，国内外研究的热点主要集中在利用有限元仿真技术针对不同复杂程度的预应力结构施工过程进行模拟，其中在仿真技术理论方面，刘学武等人在研究中给出了预应力张拉过程中的力学模型，为精细化仿真奠定基础；崔晓强和郭彦林等人提出了一种大跨度钢结构施工过程的结构分析方法，为提高虚拟仿真的精度奠定基础，Moallem M和hetif E T等人

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相继提出了适用于预应力张拉的有限元修

正的方法，有效提高了施工仿真过程的计算精度；在预应力拉索张拉施工仿真研究方面，陈亮等人在文献中以大型复杂钢结构为对象，对预应力张拉的过程进行了全过程的仿真模拟，获得较好的工程应用效果；唐兴国等以北京电视中心高层钢结构为对象采用LS-DYNA软件详细仿真了张拉过程，证明了张拉过程中的力学规律；葛家琪等人对支穹顶预应力施工过程仿真分析，对工程的顺利实施提供了科学的指导；张国军和秦杰等人分析了弦支穹顶结构预应力施工过程中结构位移、环索内力和径向拉杆内力变化规律进行了研究确认了张拉施工过程的安全性，同时对其进行实时的检测研究，两者具有较好的吻合度人

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；董石麟等

对弦支穹顶施工张拉全过程实施监测，监测数据表明张拉的顺序对拉索的应力变化值影

响明显。因此，综合国内外研究情况表明模拟值与实测值变化规律存在差异，但由于工程的特殊性计算精度存在明显的误差。

本文结合某具体工程的大跨度大吨位预应力钢结构，研究预应力钢结构张拉过程中的仿真计算结果与监测张拉后拉索及转换器关键节点应力实际结果的误差值，最终证明有限元数

值计算的精确性与该结构的可靠性。

2.工程概况及拉索张拉施工工艺

2.1 工程概况

河海大学体育馆工程整个屋盖由18榀预应力主桁架结构作为承载力体系，在主桁架上弦和下弦穿入1860级φ15.2无粘结环氧喷涂钢绞线，钢绞线抗拉强度标准值fptk=1860MPa，弹性模量Es=1.95X10 MPa，直径d=15.2mm，单根截面面积为139mm，其性能满足《预应力混凝土用钢绞线》GB/T 5224-2003及《无粘结预应力钢绞线》JG161-2004的规定，张拉端锚具采用“OVM”专利技术的防松夹片锚具并符合相关技术规程置如下图1所示：

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，预应力钢桁架及拉索布

图1 大跨度大吨位预应力钢桁架及拉索布置图

2.2 预应力拉索施工工艺

本工程共有18榀大跨预应力桁架，其中预应力索的编号如下图2所示。

图2 18榀大跨度大吨位预应力桁架拉索布置

预应力索的编号为：K、J、H、G、E、D、C、5、6、7、8、9、11、12、13、14、15和16，其中索K到C与X坐标轴平行，索5到16与X坐标轴垂直。分为两个循环进行，即第一个循环按从索K到C、再从索16到5进行张拉，对所有的预应力索施加数值为最终张拉控制力一半的预应力；第二个循环仍按从索K到C、再从索16到5进行张拉，施加另外一半的预应力，使18根预应力索在最后一个施工阶段结束时达到最终张拉控制力，其施工过

程如下：⑴混凝土、钢骨混凝土及钢桁架结构成形就位；⑵按从索K到C、再从索16到5的顺序进行第一个循环的预应力索张拉，第一循环结束时，所有18根预应力索达到目标索力的50%；⑶按从索K到C、再从索16到5的顺序进行第二个循环的预应力索张拉，第二循环结束时所有预应力索达到目标索力。

该工程的难点主要体现对张拉预应力大小精度的控制，其根本原因在于预应力钢桁架具有大跨度、大吨位对荷载敏感的特点，采用施工仿真手段确定精细化的荷载作用模型以保证不同张拉顺序情况下桁架结构的安全、稳定，同时高精度的预应力张拉数值仿真过程是实现桁架结构节点转换器深化设计的前提，其创新体现在基于工程现场实际与施工工艺循环张拉精细化高精度张拉计算过程。

3.有限元数值计算模型的建立

预应力拉索张拉施工仿真计算采用有限元分析软件ANSYS10.0有限元软件进行分析，混凝土筒体结构采用墙单元进行模拟；钢桁架构件及钢骨混凝土构件采用梁单元进行模拟；预应力拉索采用桁架单元进行模拟

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，。混凝土采用C40、C50和C60混凝土，其特征值满足：

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C40的弹性模量为3.26×10MPa，泊松比为0.2，温度膨胀系数为1.0×10；C50的弹性模量为3.46×10MPa;C60的弹性模量为3.60×10MPa。钢桁架钢材采用Q345钢，弹性模量为2.06×10MPa，泊松比为0.3，温度膨胀系数为1.2×10；钢骨混凝土中钢材采用Q345钢，混凝土采用C40混凝土；预应力拉索钢材采用Strand1860钢，弹性模量为1.95×10MPa，泊松比为0.3，温度膨胀系数为1.2×10。荷载的选择按照以下标准，即⑴施工分析荷载根据施工过程考虑结构自重及各层恒载；⑵混凝土构件的容重为2.5×10N/m；⑶钢构件的容重为7.698×10N/m；⑷预应力索构件的容重为7.85×10N/m；坐标轴方向的设定满足：X坐标轴正向与轴线5垂直，指向轴线16；Y坐标轴正向与轴线5平行，由轴线C指向轴线K方向；Z坐标轴正向为竖直向上

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。

4.张拉施工仿真的数值计算结果

基于施工工艺流程的预应力拉索张拉内力如下所示，其中图3～图11是在第一循环结束时各施工段各预应力拉索的内力分布，图12～图20是在第二循环结束时各施工段个预应力拉索的内力分布。

图3 K1施工阶段预应力索内力分布 图4 H1施工阶段预应力索内力分布

图5 E1施工阶段预应力索内力分布 图6 C1施工阶段预应力索内力分布

图7 151施工阶段预应力索内力分布 图8 131施工阶段预应力索内力分布

图9 111施工阶段预应力索内力分布 图10 81施工阶段预应力索内力分布

图11 61施工阶段预应力索内力分布 图12 K2施工阶段预应力索内力分布

图13 H2施工阶段预应力索内力分布 图14 E2施工阶段预应力索内力分布

图15 C2施工阶段预应力索内力分布 图16 152施工阶段预应力索内力分布

图17 132施工阶段预应力索内力分布 图18 112施工阶段预应力索内力分布

图19 82施工阶段预应力索内力分布 图20 62施工阶段预应力索内力分布

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/nih2.html