陳淌坪渡槽預(yù)應(yīng)力筋張拉順序優(yōu)化數(shù)值模擬研究

張 航，雷 倩，龔子榮，潘青松

（三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

陳淌坪渡槽預(yù)應(yīng)力筋張拉順序優(yōu)化數(shù)值模擬研究

張 航，雷 倩，龔子榮，潘青松

（三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

以陳淌坪渡槽為例，根據(jù)陳淌坪渡槽在完建期預(yù)應(yīng)力筋的張拉方案，提出兩種預(yù)應(yīng)力筋張拉順序方案，運(yùn)用分析軟件ANSYS對(duì)預(yù)應(yīng)力渡槽的兩種張拉順序方案進(jìn)行分析，在渡槽預(yù)應(yīng)力筋的張拉順序方面為設(shè)計(jì)者提供理論依據(jù)，以期能為類似工程的施工提供參考。

渡槽；有限元分析；預(yù)應(yīng)力混凝土；張拉順序；數(shù)值模擬

1 陳淌坪渡槽基本概況

陳淌坪渡槽位于湖北省宜昌市東山運(yùn)河之上，是宜昌市的備用水源。渡槽有輸送農(nóng)田澆灌的作用，也是電廠引水的建筑物。陳淌渡槽的設(shè)計(jì)引水流量26m3/s，工程等別Ⅲ等，主要建筑物級(jí)別3級(jí)，次要建筑物級(jí)別4級(jí)，臨時(shí)建筑物5級(jí)。環(huán)境類別三類。陳淌坪渡槽工程以6°地震烈度設(shè)防。

2 渡槽槽身有限元建模

陳淌坪渡槽槽身模型的支撐為簡(jiǎn)支梁式，由于整個(gè)模型結(jié)構(gòu)與荷載都具有對(duì)稱性，故對(duì)該渡槽1/4槽身結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，利用對(duì)稱性來(lái)完成渡槽整體的建模。本次建模利用有限元分析軟件ANSYS，渡槽槽身使用Solid65單元進(jìn)行模擬；預(yù)應(yīng)力鋼筋通過(guò)Link180進(jìn)行模擬。

陳淌坪渡槽槽身長(zhǎng)41m，槽寬6m。在有限元模型網(wǎng)格劃分完成后，其中Solid65混凝土單元個(gè)數(shù)共10.6896萬(wàn)個(gè)，Link180預(yù)應(yīng)力筋單元共3600個(gè)。陳淌坪渡槽混凝土模型單元網(wǎng)格劃分如圖1。預(yù)應(yīng)力筋模型單位網(wǎng)格劃分如圖2。

圖1 渡槽混凝土模型單元網(wǎng)格劃分

圖2 渡槽鋼絞線模型單元網(wǎng)格劃分

3 渡槽槽身預(yù)應(yīng)力筋張拉順序優(yōu)化數(shù)值模擬

3.1 優(yōu)化張拉方案選擇

選取基礎(chǔ)張拉方案（如圖3），即先對(duì)稱張拉豎向曲線預(yù)應(yīng)力筋，以此張拉順序?yàn)榛A(chǔ)，提出兩種優(yōu)化張拉方案，對(duì)基礎(chǔ)張拉方案進(jìn)行優(yōu)化。

圖3 基礎(chǔ)張拉方案

圖4 基礎(chǔ)張拉順序

（1）優(yōu)化張拉方案1（如圖5）張拉順序?yàn)镕6→D2里→F5→D2外→F4→D1里→F3→D1外→F2→F1。

圖5 優(yōu)化張拉方案1

（2）優(yōu)化張拉方案2（如圖6）張拉順序?yàn)镕6→F5→D2里→F4→F3→D2外→F2→D1里→F1→D1外。

圖6 優(yōu)化張拉方案2

以上兩種張拉方案均在對(duì)稱張的原則下進(jìn)行。圖4～圖6中數(shù)字1～10表示對(duì)應(yīng)的預(yù)應(yīng)力筋張拉順序。

3.2 兩種優(yōu)化方案模擬計(jì)算

3.2.1 渡槽槽身主應(yīng)力分析

以渡槽在完建期為基準(zhǔn)，即在工況1的基礎(chǔ)上，對(duì)基礎(chǔ)預(yù)應(yīng)力筋張拉方案和兩種優(yōu)化張拉方案中的每一步張拉通過(guò)有限元模擬進(jìn)行計(jì)算。取1/8跨截面、1/4跨截面和跨中截面為典型斷面進(jìn)行分析，分別分析其主應(yīng)力與豎向位移的變化規(guī)律。每一種張拉順序按其張拉的過(guò)程依次計(jì)算出各個(gè)步驟的應(yīng)力值及位移值，主應(yīng)力值如表1～表3。

表1 1/8跨截面主應(yīng)力值 單位：MPa

表2 1/4跨截面主應(yīng)力值 單位：MPa

表3 跨中截面主應(yīng)力值 單位：MPa

對(duì)1/8跨截面、1/4跨截面和跨中截面的最大主應(yīng)力值進(jìn)行分析，依照表1～表3的數(shù)據(jù)，渡槽槽身結(jié)構(gòu)中的壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求；優(yōu)化張拉方案1最大主拉應(yīng)力3．42MPa，大于規(guī)定的拉應(yīng)力最值2．64MPa，即在這些張拉順序下，渡槽槽身結(jié)構(gòu)可能會(huì)出現(xiàn)裂縫，對(duì)結(jié)構(gòu)的使用會(huì)產(chǎn)生不利影響；優(yōu)化張拉方案2的最大主拉應(yīng)力值發(fā)生在跨中截面工況1中，其拉應(yīng)力3．26MPa，大于規(guī)定的拉應(yīng)力最值，但工況1是在完建期，此時(shí)的實(shí)際狀態(tài)是渡槽槽身坐落在張拉支座上，因此此時(shí)的最大拉應(yīng)力值只是理論取值。可見(jiàn)優(yōu)化張拉方案1相對(duì)于優(yōu)化張拉方案2，渡槽槽身結(jié)構(gòu)中的最大主應(yīng)力超過(guò)了規(guī)定值，方案2是最優(yōu)的張拉方案。

依照表1～表3，首先對(duì)優(yōu)化張拉方案1和優(yōu)化張拉方案2兩張拉順序得到的最大主應(yīng)力值進(jìn)行分析，比較表1和表2，可知兩方案的主應(yīng)力值大小相同，所以只取表1進(jìn)行分析，即對(duì)1/8跨截面的主應(yīng)力值進(jìn)行分析。分析方法采用與擬合曲線的比較法，如圖7。

圖7 1/8跨截面主應(yīng)力值變化

然后根據(jù)表3，對(duì)兩種張拉方案的跨中截面主應(yīng)力進(jìn)行比較，如圖8。

圖8 跨中截面主應(yīng)力值變化

從圖7和圖8對(duì)比可以看出：①優(yōu)化張拉方案2的每一步的主應(yīng)力值均小于等于優(yōu)化張拉方案1的主應(yīng)力值，即渡槽槽身在優(yōu)化張拉方案2中的張拉順序下張拉，其結(jié)構(gòu)中的主應(yīng)力值都小于等于優(yōu)化張拉方案1的張拉順序下的主應(yīng)力，渡槽結(jié)構(gòu)相對(duì)更加偏于安全；②優(yōu)化張拉方案2的主應(yīng)力值變化趨勢(shì)比優(yōu)化張拉方案1的變化趨勢(shì)較緩，即渡槽槽身在優(yōu)化張拉方案2中的張拉順序下張拉，每?jī)刹街g的主應(yīng)力差值較小，渡槽槽身結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)局部應(yīng)力突變。

兩種張拉方案下的主應(yīng)力變化總體呈現(xiàn)出反復(fù)波動(dòng)的現(xiàn)象，其原因是槽身受力上，豎向筋均為曲線預(yù)應(yīng)力筋，在每張拉一根曲線預(yù)應(yīng)力筋時(shí)，預(yù)應(yīng)力筋中所產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)拉力等效在渡槽槽身結(jié)構(gòu)上是豎直向上的均布荷載，隨著每一根曲線預(yù)應(yīng)力筋張拉，槽身的內(nèi)力狀態(tài)變化是槽身底部慢慢的由受拉變?yōu)槭軌?，槽身頂部由受壓狀態(tài)慢慢變?yōu)槭芾?；?dāng)?shù)刃Ш奢d大于槽身重力后，槽身出現(xiàn)反拱現(xiàn)象，此時(shí)張拉橫向預(yù)應(yīng)力筋，會(huì)對(duì)槽身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生等效豎直向下的均布荷載，在優(yōu)化張拉方案下張拉預(yù)應(yīng)力筋，就使槽身在兩種等效力反復(fù)作用下出現(xiàn)主應(yīng)力反復(fù)波動(dòng)。

3.2.2 渡槽槽身豎向位移結(jié)果分析

豎向位移值如表4。

表4 兩種優(yōu)化張拉的豎向位移值 單位：mm

依照表4對(duì)方案1和方案2的豎向位移值進(jìn)行分析比較，分別對(duì)1/8跨截面、1/4跨截面和跨中截面的位移值的變化與進(jìn)行分析。分析方法采用與擬合曲線的比較法，如圖9～圖11。

圖9 1/8跨截面豎向位移值

圖10 1/4跨截面豎向位移值

圖11 跨中截面豎向位移值

從圖9～圖11可知，方案1和優(yōu)方案2的豎向位移值的走向趨勢(shì)是大致相同的，這也驗(yàn)證了渡槽槽身順槽向豎向位移值的相關(guān)性。由圖9～圖11可知：①方案1在第3步和第4步之間的豎向位移值出現(xiàn)了波動(dòng)，在1/8跨中截面該波動(dòng)較大，在跨中截面上該波動(dòng)較小，而在1/4跨截面并未出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象，說(shuō)明方案1的第4步張拉對(duì)結(jié)構(gòu)的豎向位移的影響是1/8跨截面影響最大，跨中截面次之，對(duì)1/4跨截面基本沒(méi)有影響；②方案2并未出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象，所以從豎向位移值的變化上，可以判斷方案2比方案1的張拉順序安排好。

綜上所述，對(duì)某基礎(chǔ)張拉方案的優(yōu)化張拉，結(jié)合主應(yīng)力值和豎向位移的變化規(guī)律，方案2均優(yōu)于方案1。

4 結(jié)語(yǔ)

以陳淌坪渡槽槽身預(yù)應(yīng)力鋼絞線后張法施工工藝下的某張拉方案為基礎(chǔ)，提出的兩種優(yōu)化張拉方案，通過(guò)大型有限元分析軟件ANSYS建模，對(duì)比分析兩種優(yōu)化張拉方案過(guò)程中典型截面的主應(yīng)力及豎向位移的變化情況，從而得到優(yōu)化方案2要優(yōu)于優(yōu)化方案1，可為類似工程設(shè)計(jì)及施工時(shí)提供參考。

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（責(zé)任編輯：尹健婷）

Numerical simulation of sequence optimization of Chentangping aqueduct prestressing tendons

ZHANG Hang,LEI Qian,GONG Zi-rong,PAN Qin-song
（College of Civil Engineering and Architecture,China Three Gorges University,Yichang 443002,China）

According to the tensioning sequence of Chentangping aqueduct prestressing tendons in the construction period, the study proposed two sequence schemes of prestressing tendons.Analysis of two sequence schemes by software ANSYS. The results show that the scheme 2 is reasonable.This paper provides theoretical basis for the designer in this area and offers a reference for similar engineering construction.

aqueduct;finite element analysis;prestressed concrete;tensioning sequence;numerical simulation

TV672.3

：B

：1672-9900（2017）02-0077-04

2017-02-21

張 航（1992-），男（漢族），湖北宜昌人，碩士，主要從事結(jié)構(gòu)工程方面的研究，（Tel）18972527334。