異形薄壁預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的施工方法探討

陳力康　徐可　陳宇

摘要：文章針對(duì)有特定不規(guī)則形狀的薄壁預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的施工方法提出了一套切實(shí)可行的方法，并通過(guò)制造一艘混凝土輕舟對(duì)該方法進(jìn)行了實(shí)際檢驗(yàn)，獲得了預(yù)期的效果，為工程中的異形薄壁混凝土的制造及預(yù)應(yīng)力的施加提供了理論基礎(chǔ)和示范案例。

關(guān)鍵詞：異形混凝土；薄壁構(gòu)件；預(yù)應(yīng)力；混凝土輕舟；水工；橋梁 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TU37 文章編號(hào)：1009-2374（2016）15-0110-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.15.052

由于結(jié)構(gòu)在進(jìn)入中震或大震后，勢(shì)必要部分進(jìn)入彈塑性，因此建造高層建筑時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行彈塑性分析，以此保證高層建筑達(dá)到塑性標(biāo)準(zhǔn)要求。但是高層建筑結(jié)構(gòu)的彈塑性分析并不簡(jiǎn)單，需要進(jìn)行比較復(fù)雜的計(jì)算。目前針對(duì)于此項(xiàng)工作，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研發(fā)了相應(yīng)的軟件程序，但是一大部分軟件的實(shí)用性都不是很強(qiáng)，特別是前后處理功能不夠完善，無(wú)法達(dá)到現(xiàn)實(shí)需求?，F(xiàn)階段，我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性分析方法主要有兩種：一種是靜力分析法；另一種是動(dòng)力時(shí)程分析法。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性影響因素分析

地震發(fā)生時(shí)，若高層建筑結(jié)構(gòu)依然保持在彈性狀態(tài)下，此時(shí)建筑材料滿足于虎克定律，在這一情況下，建筑結(jié)構(gòu)就會(huì)引起彈性地震反應(yīng)。若地震作用較大時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段，即結(jié)構(gòu)變形無(wú)法滿足于虎克定律，此時(shí)建筑結(jié)構(gòu)所引起的反應(yīng)即為彈塑性反應(yīng)。這兩者之間有很大的不同，現(xiàn)表述如下：

1.1 結(jié)構(gòu)剛度和阻尼

圖1 彈性體系下的位移 圖2 彈塑性體系下的位移

與力之間的關(guān)系 與力之間的關(guān)系

彈性地震反應(yīng)需要運(yùn)用剛度矩陣，也就是常量矩陣，計(jì)算時(shí)需要依照相應(yīng)的積分來(lái)逐步完成。其位移與力之間的關(guān)系如圖1。但彈塑性地震反應(yīng)中，力與位移并不滿足于線性規(guī)律，若使用雙線性恢復(fù)力模型，只有位移同處一個(gè)直線段時(shí)，剛度矩陣才能夠是常量，但是如果兩個(gè)位移并不在同一直線，剛度矩陣就會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)生影響。阻尼矩陣是由剛度矩陣構(gòu)成，因此阻尼矩陣與剛度矩陣的變形趨勢(shì)基本上相同。

1.2 彈塑性反應(yīng)的特殊性

在特殊的情況下，彈性地震反應(yīng)可以等同于彈塑性反應(yīng)。如果地震所產(chǎn)生的作用力并不非常強(qiáng)烈，同時(shí)結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度已經(jīng)超過(guò)了一定限度，地震作用并沒(méi)有對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)彈性造成非常明顯的影響，其所引起的振動(dòng)范圍應(yīng)該是如圖2。圖中的AD線段整個(gè)區(qū)域都屬于內(nèi)震動(dòng)，此時(shí)彈性地震反應(yīng)與彈塑性地震反應(yīng)所求得的解完全一致，因此可以將彈性地震反應(yīng)當(dāng)作是彈塑性反應(yīng)。

1.3 地震力與位移反應(yīng)

正常情況下，地震作用與彈性變形成正比，即地震越強(qiáng)烈，變形也會(huì)越大，而且這種變形沒(méi)有任何的限制。但彈塑性體系與之有很大的不同，若地震力已經(jīng)能夠讓結(jié)構(gòu)屈服，彈塑性變形能力增長(zhǎng)就會(huì)越來(lái)越慢，達(dá)到一定程度時(shí)，就不會(huì)再增長(zhǎng)，但結(jié)構(gòu)變形卻不會(huì)因此而停止，會(huì)一直持續(xù)。因此基本上同一個(gè)結(jié)構(gòu)，在受到同一個(gè)地震力影響，并不能簡(jiǎn)單對(duì)塑性體系和彈性體系加以分析比較，再加之，塑性變形本身特殊性，沒(méi)有地震力減小得快，就會(huì)導(dǎo)致雖然地震力變小，但是變形能力卻因此增強(qiáng)（如圖2中的AD線段）。

1.4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與延性

通常而言，高層建筑結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度有所提升后，就會(huì)在一定程度上延遲高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)入到塑性狀態(tài)的時(shí)間。工作人員可以借助提升強(qiáng)度方法來(lái)使得高層建筑結(jié)構(gòu)擁有更強(qiáng)大的抗震能力。這是由于彈性地震反應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)是強(qiáng)度。再加之強(qiáng)度增大，就會(huì)提升建筑物剛度，這就會(huì)使得建筑結(jié)構(gòu)地震力會(huì)進(jìn)一步加大，所以要想高層建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度超過(guò)地震作用力，既要花費(fèi)多余的經(jīng)濟(jì)成本，同時(shí)還需要克服技術(shù)上的難關(guān)。

高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性地震反應(yīng)與彈性反應(yīng)有很大的差別，如地震反應(yīng)未能達(dá)到高層建筑結(jié)構(gòu)屈服標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)就會(huì)進(jìn)入到彈性狀態(tài)中，而若地震反應(yīng)力已經(jīng)符合高層建筑結(jié)構(gòu)屈服標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，此時(shí)地震力就不會(huì)再提高，即便是提高速度也非常緩慢，而高層建筑結(jié)構(gòu)則主要是依賴于塑性變形來(lái)抵消地震發(fā)生產(chǎn)生的作用力。所以如果能夠有方法提升建筑延性，就能夠在提升高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性，在這種情況下，即使高層建筑結(jié)構(gòu)損耗比較嚴(yán)重，也會(huì)保持挺立，基本上不會(huì)倒塌。

我國(guó)對(duì)于此已經(jīng)有明確的規(guī)定，即對(duì)于不規(guī)則形式的高層建筑結(jié)構(gòu)或者是結(jié)構(gòu)中存在著明顯薄弱環(huán)節(jié)，或者是超高層建筑結(jié)構(gòu)都必須要進(jìn)行彈塑性變形分析，否則視為不合格，設(shè)計(jì)圖紙不給予通過(guò)。由于影響高層建筑物結(jié)構(gòu)彈塑性變形能力因素非常多，因此整個(gè)計(jì)算工作非常復(fù)雜，需要工程人員非常細(xì)心和耐心，以免出現(xiàn)比較嚴(yán)重的錯(cuò)誤。雖然世界上已經(jīng)研發(fā)了比較多的計(jì)算程序來(lái)對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的彈塑性進(jìn)行分析，但需要解決的一個(gè)非常重要的問(wèn)題就是所選擇的計(jì)算模型要合適，同時(shí)還要選擇適宜的應(yīng)用程序。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性分析的結(jié)構(gòu)模型

2.1 層模型

該模型主要是將層靜力依照相應(yīng)的方法看作是彈簧串，而后對(duì)其展開(kāi)相應(yīng)的分析。該模型分析過(guò)程中需要對(duì)兩大方面進(jìn)行計(jì)算：一方面是對(duì)層靜力特性展開(kāi)來(lái)進(jìn)行計(jì)算，通常是運(yùn)用兩種方法，分別為增量法和能量法，將整個(gè)高層建筑結(jié)構(gòu)用全曲線來(lái)進(jìn)行表述，而后再一層層進(jìn)行計(jì)算，而后再將其看作是骨架曲線，之后再運(yùn)用三個(gè)點(diǎn)來(lái)進(jìn)一步簡(jiǎn)化骨架曲線，將其看作是剛度變化控制點(diǎn)；另一方面，動(dòng)力時(shí)程響應(yīng)計(jì)算，主要是在集中質(zhì)量、串聯(lián)彈簧模型描述的層模型基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算。針對(duì)平面有偏心的結(jié)構(gòu)，可以將每層設(shè)置一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，從而構(gòu)成串聯(lián)剛片系。而針對(duì)多塔下有裙樓結(jié)構(gòu)，可以在裙樓取一主節(jié)點(diǎn)，塔樓各取一主節(jié)點(diǎn)，從而形成串—并聯(lián)拐把模型。

2.2 平面模型

平面模型主要應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)的一個(gè)局部“榀”，對(duì)一榀框架進(jìn)行時(shí)程分析。結(jié)構(gòu)離散成“榀”這一模型化的過(guò)程決定了這種模型的精度。如果高層建筑結(jié)構(gòu)的剛度分布得比較均勻，那么幾何的布置就相對(duì)來(lái)說(shuō)比較規(guī)則，即正交或者與正交相接近，此時(shí)結(jié)構(gòu)各榀之間影響不大，可以采用平面模型進(jìn)行彈塑性動(dòng)力反應(yīng)分析。相反，如果建筑結(jié)構(gòu)的剛度分布不均勻，幾何的布置就顯得很不規(guī)則所以很難分成“榀”，就算勉強(qiáng)可以分成“榀”，但是由于結(jié)構(gòu)各榀之間相互影響比較大，此時(shí)不宜采用平面模型。

2.3 空間模型

空間模型主要是針對(duì)結(jié)構(gòu)的整體，這種模型在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體的彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析時(shí)的精度很高。但是由于沒(méi)有對(duì)整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)做比較大的簡(jiǎn)化，因此造成了計(jì)算的工作量比較大，所需要的時(shí)間也因此而增加。特別是隨著結(jié)構(gòu)自由的增加，計(jì)算時(shí)間會(huì)更大。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性分析方法的具體應(yīng)用

3.1 空間計(jì)算模型的具體應(yīng)用

由于科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，尤其值得一提的是計(jì)算機(jī)技術(shù)與計(jì)算數(shù)值技術(shù)進(jìn)步幅度非常大，這對(duì)工程計(jì)算奠定了技術(shù)支持?，F(xiàn)如今，高層結(jié)構(gòu)彈塑性分析中大部分工作內(nèi)容已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)用計(jì)算機(jī)，只是某些方面還不夠完善，但是不能否認(rèn)的是計(jì)算機(jī)的應(yīng)用前景非常好。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)值計(jì)算技術(shù)的崛起，傳統(tǒng)的層模型與平面模型已經(jīng)逐步被取代，現(xiàn)如今工程人員絕大多數(shù)都會(huì)選擇應(yīng)用空間計(jì)算模型，而且在應(yīng)用時(shí)通常與圖形分析技術(shù)相聯(lián)系，這樣不僅使得工程設(shè)計(jì)形象，也非常逼真，大大提升了高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性的分析效率與精確度。

3.2 計(jì)算程序的選擇

有些情況下，盡管應(yīng)用了大量的時(shí)間分析高層建筑結(jié)構(gòu)的彈塑性，但卻未能取得良好效果，這可能是因?yàn)橛?jì)算機(jī)分析軟件選擇不合理。因此為保證彈塑性分析順利進(jìn)行，選擇一個(gè)合理適用的計(jì)算機(jī)分析軟件非常必要。目前，我國(guó)主要應(yīng)用三種軟件來(lái)對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性展開(kāi)相應(yīng)的分析：第一，ABAQUS三維有限元彈塑性分析程序。該計(jì)算程序分兩個(gè)求解模塊，可用于線性和非線性的靜力和動(dòng)力求解。優(yōu)異的分析能力和二次開(kāi)發(fā)能力使得在高層彈塑性分析中應(yīng)用最廣泛：第二，SAP2000三維有限元彈塑性分析程序，此計(jì)算軟件有別于其他一般結(jié)構(gòu)有限元程序的最大特點(diǎn)就在于它的強(qiáng)大的分析功能，它基本上集成了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)分析中經(jīng)常遇到方法，如時(shí)程分析、地震動(dòng)輸入、動(dòng)力分析以及Push-over分析等，且前后處理功能也非常強(qiáng)大，工程應(yīng)用非常方便；第三，MIDAS系列三維有限元彈塑性分析程序，此軟件是目前唯一全部中文化的土木專用彈塑性及細(xì)部分析軟件，此款軟件因其入手快、界面簡(jiǎn)潔、操作方便，在高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性分析領(lǐng)域應(yīng)用也很廣泛。當(dāng)然應(yīng)用于高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性分析的計(jì)算程序還有很多，只是其他類型軟件應(yīng)用的比較少，所以在此對(duì)上述三種計(jì)算程序進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，可知高層建筑彈塑性分析比較復(fù)雜，其影響因素非常多，因此分析結(jié)果是否準(zhǔn)確很難確定。正是因?yàn)槿绱耍邔咏ㄖY(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員都非常關(guān)注彈塑性分析問(wèn)題，也時(shí)常會(huì)進(jìn)行多次計(jì)算分析。本文所進(jìn)行的方法適用于大多數(shù)的高層建筑結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員只要依照上述理論與方法展開(kāi)工作，選擇合適的彈塑性計(jì)算模型和軟件，基本上都能夠確保高層彈塑性分析的正確性。當(dāng)然，隨著彈塑性分析理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性分析方法不僅限于此，設(shè)計(jì)人員需要不斷從實(shí)踐中汲取經(jīng)驗(yàn)、總結(jié)規(guī)律，以便尋找到更有效的分析方法。

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（責(zé)任編輯：小 燕）