陈淌坪渡槽预应力筋张拉顺序优化数值模拟研究

张 航，雷 倩，龚子荣，潘青松

（三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002）

陈淌坪渡槽预应力筋张拉顺序优化数值模拟研究

张 航，雷 倩，龚子荣，潘青松

（三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002）

以陈淌坪渡槽为例，根据陈淌坪渡槽在完建期预应力筋的张拉方案，提出两种预应力筋张拉顺序方案，运用分析软件ANSYS对预应力渡槽的两种张拉顺序方案进行分析，在渡槽预应力筋的张拉顺序方面为设计者提供理论依据，以期能为类似工程的施工提供参考。

渡槽；有限元分析；预应力混凝土；张拉顺序；数值模拟

1 陈淌坪渡槽基本概况

陈淌坪渡槽位于湖北省宜昌市东山运河之上，是宜昌市的备用水源。渡槽有输送农田浇灌的作用，也是电厂引水的建筑物。陈淌渡槽的设计引水流量26m3/s，工程等别Ⅲ等，主要建筑物级别3级，次要建筑物级别4级，临时建筑物5级。环境类别三类。陈淌坪渡槽工程以6°地震烈度设防。

2 渡槽槽身有限元建模

陈淌坪渡槽槽身模型的支撑为简支梁式，由于整个模型结构与荷载都具有对称性，故对该渡槽1/4槽身结构进行建模，利用对称性来完成渡槽整体的建模。本次建模利用有限元分析软件ANSYS，渡槽槽身使用Solid65单元进行模拟；预应力钢筋通过Link180进行模拟。

陈淌坪渡槽槽身长41m，槽宽6m。在有限元模型网格划分完成后，其中Solid65混凝土单元个数共10.6896万个，Link180预应力筋单元共3600个。陈淌坪渡槽混凝土模型单元网格划分如图1。预应力筋模型单位网格划分如图2。

图1 渡槽混凝土模型单元网格划分

图2 渡槽钢绞线模型单元网格划分

3 渡槽槽身预应力筋张拉顺序优化数值模拟

3.1 优化张拉方案选择

选取基础张拉方案（如图3），即先对称张拉竖向曲线预应力筋，以此张拉顺序为基础，提出两种优化张拉方案，对基础张拉方案进行优化。

图3 基础张拉方案

图4 基础张拉顺序

（1）优化张拉方案1（如图5）张拉顺序为F6→D2里→F5→D2外→F4→D1里→F3→D1外→F2→F1。

图5 优化张拉方案1

（2）优化张拉方案2（如图6）张拉顺序为F6→F5→D2里→F4→F3→D2外→F2→D1里→F1→D1外。

图6 优化张拉方案2

以上两种张拉方案均在对称张的原则下进行。图4～图6中数字1～10表示对应的预应力筋张拉顺序。

3.2 两种优化方案模拟计算

3.2.1 渡槽槽身主应力分析

以渡槽在完建期为基准，即在工况1的基础上，对基础预应力筋张拉方案和两种优化张拉方案中的每一步张拉通过有限元模拟进行计算。取1/8跨截面、1/4跨截面和跨中截面为典型断面进行分析，分别分析其主应力与竖向位移的变化规律。每一种张拉顺序按其张拉的过程依次计算出各个步骤的应力值及位移值，主应力值如表1～表3。

表1 1/8跨截面主应力值 单位：MPa

表2 1/4跨截面主应力值 单位：MPa

表3 跨中截面主应力值 单位：MPa

对1/8跨截面、1/4跨截面和跨中截面的最大主应力值进行分析，依照表1～表3的数据，渡槽槽身结构中的压应力均满足规范要求；优化张拉方案1最大主拉应力3．42MPa，大于规定的拉应力最值2．64MPa，即在这些张拉顺序下，渡槽槽身结构可能会出现裂缝，对结构的使用会产生不利影响；优化张拉方案2的最大主拉应力值发生在跨中截面工况1中，其拉应力3．26MPa，大于规定的拉应力最值，但工况1是在完建期，此时的实际状态是渡槽槽身坐落在张拉支座上，因此此时的最大拉应力值只是理论取值。可见优化张拉方案1相对于优化张拉方案2，渡槽槽身结构中的最大主应力超过了规定值，方案2是最优的张拉方案。

依照表1～表3，首先对优化张拉方案1和优化张拉方案2两张拉顺序得到的最大主应力值进行分析，比较表1和表2，可知两方案的主应力值大小相同，所以只取表1进行分析，即对1/8跨截面的主应力值进行分析。分析方法采用与拟合曲线的比较法，如图7。

图7 1/8跨截面主应力值变化

然后根据表3，对两种张拉方案的跨中截面主应力进行比较，如图8。

图8 跨中截面主应力值变化

从图7和图8对比可以看出：①优化张拉方案2的每一步的主应力值均小于等于优化张拉方案1的主应力值，即渡槽槽身在优化张拉方案2中的张拉顺序下张拉，其结构中的主应力值都小于等于优化张拉方案1的张拉顺序下的主应力，渡槽结构相对更加偏于安全；②优化张拉方案2的主应力值变化趋势比优化张拉方案1的变化趋势较缓，即渡槽槽身在优化张拉方案2中的张拉顺序下张拉，每两步之间的主应力差值较小，渡槽槽身结构不会出现局部应力突变。

两种张拉方案下的主应力变化总体呈现出反复波动的现象，其原因是槽身受力上，竖向筋均为曲线预应力筋，在每张拉一根曲线预应力筋时，预应力筋中所产生的预应拉力等效在渡槽槽身结构上是竖直向上的均布荷载，随着每一根曲线预应力筋张拉，槽身的内力状态变化是槽身底部慢慢的由受拉变为受压，槽身顶部由受压状态慢慢变为受拉；当等效荷载大于槽身重力后，槽身出现反拱现象，此时张拉横向预应力筋，会对槽身结构产生等效竖直向下的均布荷载，在优化张拉方案下张拉预应力筋，就使槽身在两种等效力反复作用下出现主应力反复波动。

3.2.2 渡槽槽身竖向位移结果分析

竖向位移值如表4。

表4 两种优化张拉的竖向位移值 单位：mm

依照表4对方案1和方案2的竖向位移值进行分析比较，分别对1/8跨截面、1/4跨截面和跨中截面的位移值的变化与进行分析。分析方法采用与拟合曲线的比较法，如图9～图11。

图9 1/8跨截面竖向位移值

图10 1/4跨截面竖向位移值

图11 跨中截面竖向位移值

从图9～图11可知，方案1和优方案2的竖向位移值的走向趋势是大致相同的，这也验证了渡槽槽身顺槽向竖向位移值的相关性。由图9～图11可知：①方案1在第3步和第4步之间的竖向位移值出现了波动，在1/8跨中截面该波动较大，在跨中截面上该波动较小，而在1/4跨截面并未出现波动现象，说明方案1的第4步张拉对结构的竖向位移的影响是1/8跨截面影响最大，跨中截面次之，对1/4跨截面基本没有影响；②方案2并未出现波动现象，所以从竖向位移值的变化上，可以判断方案2比方案1的张拉顺序安排好。

综上所述，对某基础张拉方案的优化张拉，结合主应力值和竖向位移的变化规律，方案2均优于方案1。

4 结语

以陈淌坪渡槽槽身预应力钢绞线后张法施工工艺下的某张拉方案为基础，提出的两种优化张拉方案，通过大型有限元分析软件ANSYS建模，对比分析两种优化张拉方案过程中典型截面的主应力及竖向位移的变化情况，从而得到优化方案2要优于优化方案1，可为类似工程设计及施工时提供参考。

［1］张社荣，祝青，李升.大型渡槽数值分析中预应力的模拟方法［J］.水力发电学报，2009，28（3）：97-100，90.

［2］王宽.预应力渡槽结构三维参数化配筋方法及实现［D］.天津：天津大学，2014.

［3］李书群，秀芬，杨锋.超大型渡槽预应力施加顺序设计研究［J］.河北水利，2012（9）：16.

［4］李冬，吴乔一.混凝土梁预应力筋张拉顺序的仿分析及优化［J］.土木建筑与环境工程，2013，35（S2）：53-55.

［5］陈军，周安，詹炳根，等.曲线箱梁桥预应力筋张拉顺序的数值模拟及优化［J］.工程与建设，2011，25（1）：1-3.

［6］赵伟，金风清，黄国生.大型渡槽后张法三向预应力施工技术［J］.河南水利与南水北调，2012，22（9）：34-37.

［7］黎旦.浅谈后张法预应力混凝土施工工艺［J］.企业技术开发，2013，32（16）：48-50.

［8］WM Slater.Stage post-tensioning-A versatileE and economic construction technique ［J］.Precast/prestressed Concrete Institute Journal，1975，20（1）：14-27.

［9］李晓克，赵顺波，刘树玉，等.大型倒虹吸结构预应力钢筋张拉施工顺序研究［J］.水利水电技术，2005，36（6）：68-71.

［10］张民，孙宝忠，张长虹，等.后张法预应力混凝土梁的张拉控制浅析［J］.山东水利，2005，24（1）：37-38.

（责任编辑：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

张 航（1992-），男（汉族），湖北宜昌人，硕士，主要从事结构工程方面的研究，（Tel）18972527334。