基于直接约束法的预应力构件张拉全过程分析方法

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1、基于直接约束法的预应力构件张拉全过程分析方法梁天福69基于直接约束法的预应力构件张拉全过程分析方法梁天福(武汉地铁集团有限公司，湖北武汉430030)摘要：为准确模拟预应力构件张拉过程中预应力筋与混凝土之间的相互作用，引入一种基于直接约束法的张拉全过程分析方法。该方法运用MSC．MARC软件建立预应力构件模型，混凝土和预应力筋采用三维实体单元模拟，定义库仑双线性模型为混凝土和预应力筋之间的摩擦本构关系，利用直接约束法描述接触关系，进行预应力张拉全过程分析。采用该方法对2个预应力构件模型进行预应力构件张拉全过程分析，将模拟计

2、算值、试验实测值和按设计规范计算的理论值进行对比，结果表明该方法模拟的有效预应力值与实测值、理论值吻合较好，验证了该方法的准确性。关键词：预应力混凝土结构；有效预应力；库仑双线性摩擦模型；直接约束法；接触分析；摩擦损失；数值模拟中图分类号：U448．35；U441．5文献标志码：A文章编号：1671—7767(2015)04—0069—051引言预应力构件模型，混凝土和预应力筋均采用实体单准确模拟预应力张拉的实际效果是合理设计预元模拟；通过CONTACT将预应力筋和混凝土单元应力桥梁结构的一项基础工作。在旧桥加固、补张定义

3、为可变形接触体；运用CONTACTTABLE指预应力或补充体外预应力时，更需要对结构进行准定预应力筋与混凝土单元接触形式为TOUCH—确有效的张拉模拟分析。但预应力建立和预应力损ING；定义混凝土与预应力筋之间的摩擦形式为库失主要受摩擦和材料瞬时及长期变形特征控制，其仑双线性摩擦；基于直接约束的接触算法进行预应中摩擦分析一直是非线性分析的难点之一，必须引力张拉全过程接触摩擦分析。入合理的接触摩擦模型，解决摩擦模型的算法收敛库仑双线性摩擦模型假定粘性摩擦和滑动摩擦性、数值稳定性问题。由于该类问题分析较复杂且分别对应于可逆相对

4、位移(弹性)“；和不可逆相对低效，因而通常将其作为一种边界条件或初始条件位移(塑性)，摩擦滑移准则用函数表示]：施加在计算模型上，如常见的等效荷载法、降温法和一lI，fIl一≤0初始应变法Ll]。这些方法中预应力筋单元与混凝式中，为剪切力；为法向接触作用力；为摩擦土单元往往共节点或耦合，回避直接描述摩擦现象系数。和模拟摩擦作用，不能准确分析预应力筋在张拉、放库仑双线性摩擦模型如图1所示。其中，为张锚固和结构受荷时的实际应力发展情况。MSC．摩擦滑移阈值；当△<、<0时，为粘性摩擦；当MARC是常用的非线性分析程序，提供了多

5、种接触Au≥、一0时，为滑动摩擦。摩擦模型，但尚未见其应用于预应力筋张拉这种高直接约束法是单元之间接触对的空间位置约束应力、大位移的工程分析中。算法。接触约束示意如图2所示，当接触单元E的本文基于MSC．MARC软件，引人一种基于直节点P与目标单元T产生接触时，将节点P在A—接约束法的预应力构件张拉全过程分析方法；采用B—C—D面上的法向位移函数表达为该面节点位该方法对2个预应力构件模型进行张拉全程接触摩移的插值函数，并在方程中消去这一独立自由度，从擦分析模拟，并与现场实测值和理论值对比分析。而把该对接触单元“耦合”在一起

6、，如下式所示]：r[K]0]f1f12预应力构件张拉全过程分析方法L0rrK]J【JIJ本文引入的方法采用MSC．MARC软件建立式中，K、K分别为耦合后单元E、T在t时刻的收稿日期：2015—01—22基金项目：国家自然科学基金面上项目(51078298)作者简介：梁天福(1980一)，男，工程师，2003年毕业于武汉理工大学土木工程专业，工学学士，2009年毕业于武汉理工大学土木工程专业，工程硕士(E—mail：lf1020@163．com)。70世界桥梁2015，43(4)参数按弹性性质取用(也可按混凝土塑性模型分析

7、)，位移边界和力的边界条件按实际设置。系统求解时将张拉过程分成若干荷载子步进行增量分析。l＼△U该方法可计算预应力筋在张拉及放张锚固各阶段的有效预应力，并推算出沿程应力损失，数值稳定性6

8、}好，收敛速度快。}I．．．．．．．．．．．．．．．．．．．一3实例分析图1库仑双线性摩擦模型以一个单曲线布筋的矩形截面预应力构件和一个三直两曲布筋的T形截面预应力构件为例，根据实际物理模型建立分析模型，模拟张拉过程、放张锚固过程，计算预应力筋的应力变化，通过对比沿程应力试验实测值、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD6

9、2—2004)(简称《桥规》)_9理论计算值和本文方法模拟计算值，验证该方法对张拉过程分析的有效性。3．1模型试验3．1．1矩形截面预应力混凝土简支梁试验模型矩形截面预应力混凝土简支梁试验模型的混凝图2接触约束示意土为C50，弹性模量为34．5GPa；预应力筋选用低切线刚度矩阵，、分别为单元E、T的位移