基于特征参量控制的渡槽预应力张拉顺序研究

吴泽玉,王东炜

（1.华北水利水电大学土木与交通学院,郑州 450045；2.北京工业大学建筑工程学院,北京 100124；3.郑州大学土木学院,郑州 450000）

基于特征参量控制的渡槽预应力张拉顺序研究

吴泽玉1,2,王东炜3

（1.华北水利水电大学土木与交通学院,郑州 450045；2.北京工业大学建筑工程学院,北京 100124；3.郑州大学土木学院,郑州 450000）

为了得到合理预应力张拉顺序,提出利用特征参量指导预应力张拉的新途径。分别对矩形带肋和无肋渡槽及U形渡槽动力特性进行分析。结果表明：对于U形渡槽,竖向预应力和环向预应力明显降低结构整体刚度,但预应力效应并不改变振型出现的先后顺序；通过对矩形无肋渡槽6种预应力张拉顺序进行分析,得到合理的预应力张拉顺序为：先张拉40%纵向预应力,再张拉竖向预应力,然后张拉剩余的60%纵向预应力,最后张拉横向预应力。矩形无肋渡槽的这种张拉顺序不仅避免了竖向预应力对结构整体刚度的过大影响,而且能抵消结构早期由于自重产生的不利挠度。研究的渡槽预应力张拉顺序对构件力学性能改变的影响可降低到最小。

特征参量；渡槽；预应力；张拉顺序；动力特性

2015,32（12）：125－128

1 特征参量与渡槽

结构的自振频率和振型由结构的质量和刚度所决定,且仅与结构的材料特性和几何尺寸有关,是结构的固有特征参量。结构的自振频率向量表征了结构总体分布刚度与总体分布质量之间的绝对比值关系；结构的振型向量表征了结构局部分布刚度与局部分布质量之间的相对比值关系[1－5］。振型向量分量的阶次描述了在外界环境作用下,结构最易产生的分解反应类型的顺序。结构的特征参量分析为结构概念设计和构造设计提供了强有力的量化分析工具。利用特征参量指导结构概念设计和构造设计,进而指导结构性态设计,为结构设计提供了一个新的研究方向[6－7］。

作为跨江跨河的重要输水工程,渡槽起着十分重要的作用。渡槽截面通常采用矩形和U形,矩形渡槽根据边侧墙加肋情况又分为带肋渡槽和无肋渡槽。为了利用高强结构材料,减小结构的挠度,渡槽通常设计为预应力形式。对于矩形渡槽,预应力包括横向、竖向和纵向三向预应力形式；对于U形渡槽,预应力包括环向预应力和纵向预应力形式。又因为结构振型向量分量的阶次表述了在外界环境作用下,结构最易产生的分解反应类型的顺序,所以拟通过对2种矩形渡槽和U形渡槽不同预应力配置形式的动力特性分析,探求预应力效应对不同截面形式的渡槽自振频率和振型影响的一般规律；另外,通过对三向预应力张拉顺序的分析,寻找较合理预应力张拉顺序,用以指导渡槽现场施工。

2 渡槽分析模型

某跨河渡槽,双联四槽,单跨30 m。根据南水北调总体规划要求,跨河渡槽采用梁式结构。渡槽选用3种结构形式,分别为矩形带肋渡槽、矩形无肋渡槽和U形渡槽,如图1所示。

图1 3种不同结构形式的渡槽Fig.1 Aqueducts with three structural types

矩形渡槽一联两槽通过中墙连接在一起；U形渡槽一联两槽,因为截面的复杂性,为将2个分别独立的渡槽靠在一起,渡槽间空隙可由柔性材料填充,防止横向碰撞。矩形渡槽采用三向预应力形式,U形渡槽采用纵向加环向预应力筋形式。矩形渡槽三向预应力筋和U形渡槽预应力筋布置如图2所示。

图2 矩形渡槽和U形渡槽预应力筋布置Fig.2 Layout of prestressing bar of rectangular aqueduct and U-shape aqueduct

结合渡槽静、动力分析计算结果,3种截面形式的渡槽均满足承载能力极限状态和正常使用极限状态要求。渡槽槽体有限元采用三维八结点实体单元,每个节点有3个平动自由度；预应力筋采用空间杆单元,每个结点也有3个平动自由度,这样不同单元结点间自由度相等易保持变形协调。预应力施加方式采用初应变法,矩形和U形渡槽单元施加初应变值如表1所示。支座约束方式采用完全简支约束,如图3所示,这样可避免支座不均匀沉降或温度变化引起的不利内力。

表1 预应力效应表Table 1 Prestressing effect in the presence of different locations of steel strand

图3 完全简支约束Fig.3 Completely simple constraints

3 3种预应力槽型动力特性分析

由于纵向预应力筋效应可有效抵消渡槽自重和水重产生的挠度,在渡槽动力特性分析时,分别取消横向和竖向预应力筋。

矩形带肋渡槽、矩形无助渡槽3种工况及U形渡槽2种工况前5阶自振频率和振型如表2所示。

表2 不同结构形式的渡槽在不同类型预应力作用下前5阶自振频率和振型Table 2 Natural frequency and mode of vibration of first five order affected by prestresses in longitudinal,transverse and vertical directions for aqueducts with three structural types

从表2可以看出,3种不同截面形式的渡槽动力特性有如下规律：

（1）对矩形带肋渡槽3种预应力布筋方式下的动力特性进行分析,结果表明：竖向预应力筋明显降低了结构的整体刚度；3种预应力效应没有改变振型的振动顺序。

（2）矩形无肋渡槽3种预应力布筋方式下的动力特性分析的结果也表明：竖向预应力筋效应明显降低了结构的整体刚度；3种预应力效应没有改变振型的振动顺序。

（3）U形渡槽2种预应力布筋方式下的动力特性分析结果表明：环向预应力筋降低了结构的整体刚度,2种预应力效应对振型顺序没有影响。

4 无肋矩形渡槽预应力张拉顺序分析

渡槽三向预应力通常采用后张法,张拉顺序直接影响结构施工期整体力学性能,对结构后期使用产生十分重要的影响,许多学者对此进行了深入的研究,并给出了良好的建议[8－10］。由分析知,合理的预应力张拉顺序应使渡槽力学特性变化稳定,同时满足一般施工需要。对于刚性较大的渡槽结构,预应力仅能改变结构频率的大小,不能改变振型出现的先后顺序,故用特征参量指导预应力张拉顺序,仅需观察频率改变的“轻重缓急”即可。以此为基础,寻求合理的三向预应力张拉顺序,即结构频率改变量较为平缓,同时照顾一般施工要求。用特征参量指导三向预应力张拉顺序,使结构分析有了评判依据。

以矩形无肋渡槽为例,三向预应力张拉编号分别为：①纵向预应力筋；②竖向预应力筋；③横向预应力筋。加载工况共有6种组合,分述如下。

方案1：①→②→③；方案2：①→③→②；

方案3：②→①→③；方案4：②→③→①；

方案5：③→①→②；方案6：③→②→①。

6种工况前3阶自振频率值如图4所示。从图4前3阶自振频率变化趋势分析可知,方案3的加载顺序对渡槽力学性能影响最小,即先施加竖向预应力,再加纵向预应力,最后加横向预应力。但考虑到施工实际情况,拆除模板后需由纵向预应力筋提供一定的抗弯能力,故宜先张拉纵向预应力筋,张拉幅度为40%～50%,且以低值为好。在方案3的基础上,再讨论如下2种预应力张拉方案。

改进方案3－1：40%①→②→60%①→③；

改进方案3－2：40%①→②→③→60%①。

图4 6种工况下前3阶自振频率变化曲线Fig.4 Curves of the first three order natural frequency vs.loading sequence under 6 working conditions

改进方案3对前3阶自振频率影响曲线如图5所示。2种加载方案总体上对结构力学性能影响程度大体相当,改进方案3－1的张拉方案略优于改进方案3－2的加载方案。

图5 改进方案3前3阶自振频率变化曲线Fig.5 Curves of the first three order natural frequency vs.loading sequence for modified scheme 3

5 结 论

通过以上有限元模拟分析,可以得出如下结论：

（1）由于渡槽整体结构刚度较大,预应力筋不同张拉顺序效应仅对结构自振频率有一定的影响,对振型出现的先后顺序没有影响。预应力效应对刚性渡槽力学性能的影响小于对柔性渡槽的影响。

（2）预应力张拉时,不宜先把纵向预应力一次张拉完毕,否则易造成构件力学性能过度改变。但又需考虑到纵向预应力筋提供拆除模板后的抗弯能力,故以先张拉40%～50%的纵向预应力为主,且以低值为好。

（3）纵向分阶段张拉后应先拆除模板,再张拉竖向预应力,再张拉剩余50%～60%的纵向预应力,最后张拉横向预应力,以使预应力张拉对构件力学性能改变影响最小。

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[4]TAKABATAKE H.Cantilevered and Linearly Tapered Thin-walled Members[J］.Engineering Mechanics,1988,116（4）：733－750.

[5]CLOUGH R W,PENZIEN J.Dynamics of Structures[M］.Berkeley,California：Computers and Structures,1995：201－202.

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（编辑：赵卫兵）

Research on Sequence of Prestressing Tension in Aqueduct Based on Characteristic Parameters

WU Ze-yu1,2,WANG Dong-wei3
（1.School of Civil Engineering and Communication,North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou 450045,China；2.College of Architecture＆Civil Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China；3.School of Civil Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou 450000,China）

In order to obtain reasonable sequence of prestressing tension,we put forward a new way by using characteristic parameters to guide prestressing tension.Dynamic characteristics of rectangular aqueducts with rib and without rib,and U-shape aqueduct are respectively analyzed.The results show that,as for U-shape aqueduct,the vertical prestress and the circumferential prestress can obviously reduce the overall stiffness of the structure,but the prestressing effect does not change the order of mode of vibration.Through analyzing 6 kinds of sequence of prestressing tension for rectangular aqueduct without rib,we obtain a reasonable sequence：Firstly,prestress in the longitudinal direction is tensioned up to 40%of the maximum.Secondly,we tension the prestress in the vertical direction.Then,the rest of prestress in the longitudinal direction is tensioned.Finally,we tension the prestress in the transverse direction.This sequence of prestressing tension of rectangular aqueduct without rib can not only avoid the excessive influence of vertical prestress on the overall rigidity of the aqueduct,but also counteract the negative deflection due to gravity of the structure at early stage.Influence of this sequence of prestressing tension on mechanical properties of aqueduct is the smallest in comparison with other sequences.

characteristic parameter；aqueduct；prestress；tension sequence；dynamic properties

TV312

A

1001－5485（2015）12－0024－04

10.11988/ckyyb.20140546

2014－07－03；

2014－08－13

国家自然科学基金项目（50978232）；河南省教育厅项目（14B560029）

吴泽玉（1976－）,男,河南固始人,讲师,博士,主要从事复杂结构体系选型与振动控制研究,（电话）13598437507（电子信箱）13598437507＠163.com。