双撑杆智能预应力钢桁梁承载性能参数分析

徐伟炜　　陈樑明

(1东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室, 南京 210096)(2厦门合道工程设计集团有限公司, 厦门 361004)



双撑杆智能预应力钢桁梁承载性能参数分析

徐伟炜1陈樑明2

(1东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室, 南京 210096)(2厦门合道工程设计集团有限公司, 厦门 361004)

运用ANSYS软件计算分析了双撑杆智能预应力钢桁梁跨中挠度约束范围、杆件应力约束范围、钢桁梁跨度、撑杆数量以及荷载形式5个因素对双撑杆智能预应力钢桁梁承载性能的影响,并将相同约束条件下双撑杆智能预应力钢桁梁与普通预应力钢桁梁的承载性能进行了对比.结果表明:挠度约束范围越小、应力约束范围越宽、钢桁梁跨度越大,则智能预应力钢桁梁与普通预应力钢桁梁的最大约束承载力之比就越大;双撑杆智能预应力钢桁梁的承载性能优于单撑杆智能预应力钢桁梁;智能预应力钢桁梁在逐次增多荷载工况下的承载性能优于移动集中荷载工况下的承载性能.

钢桁梁;智能预应力;承载性能;约束条件;参数分析

U448.35;TU378.2

A

1001-0505(2016)04-0831-05

智能预应力技术可以根据结构自身反应自动调整结构中的预应力,能够达到提高结构承载性能的目的[1-9].装配式钢桁梁既能用于突发事件中桥梁的应急抢修,又能用于修建半永久性或永久性桥梁.装配式钢桁梁可用作桥梁、施工支架、移动模架、起重机架或滑移轨道梁等[10].这类结构通常对钢梁重量和钢梁变形有严格限制,可变荷载与永久荷载的比值也较高,因此将智能预应力技术率先应用于装配式钢桁梁，发展一种轻型重载智能预应力钢桁梁具有重要意义.

本文将利用ANSYS软件对多约束条件下双撑杆智能预应力钢桁梁的承载性能进行分析,并与相同约束条件下的普通预应力钢桁梁承载性能进行对比,最后详细讨论各约束条件对智能预应力钢桁梁承载性能的影响.

1　数值计算模型

双撑杆智能预应力简支钢桁梁的计算模型如图1所示,钢桁梁跨度为32 m,梁高为1 m;撑杆布置于梁跨的1/4和3/4处[7],高度取1 m.钢桁梁的上下弦杆采用10#工字钢,截面面积为14.33 cm2,截面惯性矩为245 cm4,弹性模量为210 GPa,密度为7 850 kg/m3;钢桁梁的腹杆采用8#工字钢,截面面积为10.37 cm2,截面惯性矩为114.38 cm4,弹性模量为210 GPa,密度为7 850 kg/m3;预应力拉索截面面积为314 mm2,弹性模量为190 GPa,密度为7 850 kg/m3.系统采用开关控制算法且忽略不计动力效应,钢桁梁和撑杆采用Beam3单元模拟,预应力索采用Link10(仅受拉)单元模拟,热膨胀系数取1.2×10-5/℃,智能预应力索的张拉及放松采用降温法和升温法进行模拟.

2　承载性能对比

本节将对多约束条件下普通预应力钢桁梁和智能预应力钢桁梁的承载性能进行对比分析,荷载工况为移动集中荷载,考虑如下约束条件:① 钢桁梁跨中挠度不超出设定范围[-10, 20] mm,其中负值表示梁上拱;② 钢桁梁杆件应力不超出设定范围[-80, 80] MPa,其中负值表示杆件受压;③ 预应力索拉应力不超过1 395 MPa;④ 活荷载作用方向与恒载一致,且最小为零.

1) 计算各种可行初始预应力状态下普通预应力钢桁梁的移动集中荷载承载性能,结果如图2所示.区域ABDA是普通预应力梁的活荷载-挠度可行域,其中，点A对应于活荷载为零时梁达到挠度上拱限值;线段AB是初始状态为最大上拱度时普通预应力梁的活荷载-挠度关系曲线,且在移动集中荷载为7.8kN时达到点B;线段BD是多种初始预应力状态下梁达到跨中下挠限值时的边界线;

图2　普通预应力梁的活荷载-挠度可行域

线段DA对应于最小活荷载限值；与点A相对应,点D是活荷载为零时梁所能达到的最大下挠值.

沿着线段DA从点D移动到点A的过程中,普通预应力钢桁梁的初始预应力逐渐增加.点E对应于恒载作用下梁挠度为零时的初始状态,此时对应的初始预应力值为35.0kN.线段EC是相应初始状态下梁的活荷载-挠度关系曲线.对比线段AB和EC可知,普通预应力钢桁梁的刚度和初始预应力刚度之间存在很小的正相关性.

2) 计算各种可行初始预应力状态下智能预应力钢桁梁的移动集中荷载承载性能,结果如图3所示.区域ABCDEA是智能预应力梁的活荷载-挠度可行域,其中:点A对应于活荷载为零时梁达到挠度上拱限值;线段AB是梁达到跨中上拱限值时的边界线;线段BC是有下弦杆件达到其允许压应力时的边界线;线段CD是有上弦杆件达到其允许压应力时的边界线;线段DE是梁达到跨中下挠限值时的边界线;线段EA对应于最小活荷载限值.

图3　智能预应力梁的活荷载-挠度可行域

由图3可见,普通预应力钢桁梁活荷载-挠度可行域AFEA是包含在智能预应力钢桁梁活荷载-挠度可行域ABCDEA内的,即在同样约束条件下,智能预应力梁更能发挥结构潜在的承载能力.在本节约束条件下,智能预应力钢桁梁所能承受的最大移动集中荷载为22.3kN,而普通预应力钢桁梁所能承受的最大移动集中荷载为7.8kN,两者比值为2.86.可见,在普通预应力钢桁梁中引入智能预应力系统,可以使结构承载性能得到较大提高.

3　模型参数分析

第2节是在特定约束条件下进行的普通预应力钢桁梁和智能预应力钢桁梁承载性能对比分析,当约束条件发生变化时,智能预应力钢桁梁的承载性能也会随之发生变化,定义β为智能预应力钢桁梁与普通预应力钢桁梁最大约束承载力之比.本节将对智能预应力钢桁梁的跨中挠度约束范围、杆件应力约束范围、钢桁梁跨度、撑杆数量以及荷载形式等约束条件进行逐一分析.

3.1跨中挠度约束范围

3.1.1挠度约束范围上限

不同挠度约束范围上限时梁的活荷载-挠度可行域如图4所示,当挠度约束范围上限大于4.88mm时,智能预应力钢桁梁的活荷载-挠度可行域为ABCIJA,且在点C达到最大约束承载力;当挠度约束范围上限小于4.88mm时,智能预应力钢桁梁的活荷载-挠度可行域为ABGHA,且在点G达到最大约束承载力.从图4还可以看出,普通预应力钢桁梁的最大约束承载力和挠度约束范围上限成正比关系.

图4　不同约束上限时梁的活荷载-挠度可行域

智能预应力钢桁梁与普通预应力钢桁梁的最大约束承载力之比如图5所示.可见,挠度约束范围上限越小,智能预应力钢桁梁与普通预应力钢桁梁最大约束承载力的比值就越高.

3.1.2挠度约束范围下限

当挠度约束范围下限分别为-5和-20mm时智能预应力梁的活荷载-挠度可行域如图6中的区域 ABCDEA 所示, 而区域 AFEA 表示普通预应力梁的活荷载-挠度可行域.可见,挠度约束范围下限越大,智能预应力钢桁梁与普通预应力钢桁梁最大约束承载力的比值就越高,如表1所示.

图5　最大约束承载力之比

(a) 挠度下限-5 mm

(b) 挠度下限-20 mm

挠度约束范围/mm最大约束承载力/kN智能预应力钢桁梁普通预应力钢桁梁β[-5,20]22.36.53.43[-10,20]22.37.82.86[-20,20]22.310.42.14

综上,跨中挠度约束范围越小,智能预应力钢桁梁与普通预应力钢桁梁的最大约束承载力之比就越大.

3.2杆件应力约束范围

不同应力约束条件下智能预应力钢桁梁的活荷载-挠度可行域如图7所示,其中区域AIJKEA、区域ABCDEA和区域AFGHEA分别是应力约束范围[-70, 70] MPa,[-80, 80] MPa和[-90, 90] MPa时智能预应力钢桁梁的活荷载-挠度可行域.显然,应力约束范围越宽,智能预应力钢桁梁的活荷载-挠度可行域越大,智能预应力钢桁梁与普通预应力钢桁梁的最大约束承载力之比也越大,如表2所示.

图7　不同应力约束范围时梁的活荷载-挠度可行域

应力约束范围/MPa最大约束承载力/kN智能预应力钢桁梁普通预应力钢桁梁β[-70,70]18.77.82.40[-80,80]22.37.82.65[-90,90]25.97.83.32

3.3钢桁梁跨度

不同跨度的智能预应力钢桁梁活荷载-挠度可行域如图8所示,其中区域AFGHEA、区域ABCDEA和区域AIJKEA分别为跨度24,32和40 m时智能预应力钢桁梁的活荷载-挠度可行域.显然,钢桁梁跨度越大,智能预应力钢桁梁的活荷载-挠度可行域越小,但智能预应力钢桁梁与普通预应力钢桁梁的最大约束承载力之比反而越大,如表3所示.

图8　不同跨度时梁的活荷载-挠度可行域

跨度/m最大约束承载力/kN智能预应力钢桁梁普通预应力钢桁梁β2433.718.01.873222.37.82.864014.84.23.52

3.4撑杆数量

不同撑杆数量的智能预应力钢桁梁活荷载-挠度可行域如图9所示,其中区域ABCDEA和区域AFGHEA分别为单撑杆和双撑杆智能预应力钢桁梁的活荷载-挠度可行域.显然,双撑杆式智能预应力钢桁梁的承载性能优于单撑杆智能预应力钢桁梁的承载性能.

图9　不同撑杆数量时梁的活荷载-挠度可行域

线段AI是初始状态为最大上拱度时单撑杆普通预应力梁的活荷载-挠度关系曲线.从图9可以看出,单撑杆智能预应力梁的最大约束承载力为19.0 kN,单撑杆普通预应力梁的最大约束承载力为7.3 kN,两者比值为2.6.可见,在单撑杆普通预应力钢桁梁中引入智能系统,其承载性能得到了较大的提高.

3.5荷载形式

本节将采用逐次增多的集中荷载来模拟智能预应力架桥机顶推滑移施工的荷载工况,如图10所示,荷载从开始加载到完成加载共计33步.

图10荷载施加过程示意图

图11中区域ABCDEGA为智能预应力梁的活荷载-挠度可行域,其中，线段AB为梁达到跨中上拱限值时的边界线;线段BC为有下弦杆件达到其允许压应力时的边界线;线段CD对应于预应力索达到其允许拉应力时的边界线;线段DE为有上弦杆件达到其允许压应力时的边界线;线段EG为梁达到跨中下挠限值时的边界线;线段GA对应于最小活荷载限值.

图11　荷载逐次增多时梁的活荷载-挠度可行域

线段AF为初始状态为最大上拱度时普通预应力梁的活荷载-挠度关系曲线.从图11可以看出,智能预应力钢桁梁所能承受的最大单个集中荷载为1.7 kN,而普通预应力钢桁梁所能承受的最大单个集中荷载为0.4 kN,两者比值为4.25.显然,智能预应力钢桁梁在逐次增多荷载工况下的承载性能优于移动集中荷载工况下的承载性能.

4　结论

1) 跨中挠度约束范围越小,智能预应力钢桁梁与普通预应力钢桁梁的最大约束承载力之比就越大.

2) 杆件应力约束范围越宽,智能预应力钢桁梁的活荷载-挠度可行域越大,智能预应力钢桁梁与普通预应力钢桁梁的最大约束承载力之比也越大.

3) 钢桁梁跨度越大,智能预应力钢桁梁的活荷载-挠度可行域越小,但智能预应力钢桁梁与普通预应力钢桁梁的最大约束承载力之比越大.

4) 双撑杆智能预应力钢桁梁的承载性能优于单撑杆智能预应力钢桁梁的承载性能.

5) 智能预应力钢桁梁在逐次增多荷载工况下的承载性能优于移动集中荷载工况下的承载性能.

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Parameter analysis of bearing capacity of smart prestressed steel truss with two struts

Xu Weiwei1Chen Liangming2

(1Key Laboratory of Reinforced Concrete and Prestressed Concrete Structure of Ministry of Education,Southeast University, Nanjing 210096, China) (2Xiamen Hordor Architecture and Engineering Design Group Co., Ltd., Xiamen 361004, China)

The impacts of the deflection constrain range, stress constrain range, truss span, strut number and load form on the bearing capacity of a smart prestressed steel truss with two struts were analyzed by using the ANSYS software, and the bearing capacity is compared with that of the conventional prestressed truss under the same constrain conditions. The results show that with the smaller deflection constrain range, wider stress constrain range, and longer truss span, the ratio of the constrain bearing capacity of the smart prestressed truss to that of the conventional prestressed truss is higher. The bearing capacity of the smart prestressed steel truss with two struts is better than that with single strut. The bearing capacity of the smart prestressed steel truss under the successive incremental load condition is better than that under concentrated load condition.

steel truss;smart prestressing;bearing capacity;constrain conditions;parameter analysis

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.04.026

2015-12-21.作者简介: 徐伟炜(1979—)，男，博士，副教授，seuxww@163.com.

国家自然科学基金资助项目(51208094)、江苏省自然科学基金资助项目(BK2012342)、江苏高等优势学科建设工程资助项目(CE01-3-05).

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.04.026.

引用本文: 徐伟炜，陈樑明.双撑杆智能预应力钢桁梁承载性能参数分析[J].东南大学学报(自然科学版),2016,46(4):831-835.