徐偉煒　　陳樑明

(1東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室, 南京 210096)(2廈門合道工程設(shè)計集團有限公司, 廈門 361004)

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雙撐桿智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁承載性能參數(shù)分析

徐偉煒1陳樑明2

(1東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室, 南京 210096)(2廈門合道工程設(shè)計集團有限公司, 廈門 361004)

運用ANSYS軟件計算分析了雙撐桿智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁跨中撓度約束范圍、桿件應(yīng)力約束范圍、鋼桁梁跨度、撐桿數(shù)量以及荷載形式5個因素對雙撐桿智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁承載性能的影響,并將相同約束條件下雙撐桿智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁與普通預(yù)應(yīng)力鋼桁梁的承載性能進行了對比.結(jié)果表明:撓度約束范圍越小、應(yīng)力約束范圍越寬、鋼桁梁跨度越大,則智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁與普通預(yù)應(yīng)力鋼桁梁的最大約束承載力之比就越大;雙撐桿智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁的承載性能優(yōu)于單撐桿智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁;智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁在逐次增多荷載工況下的承載性能優(yōu)于移動集中荷載工況下的承載性能.

鋼桁梁;智能預(yù)應(yīng)力;承載性能;約束條件;參數(shù)分析

U448.35;TU378.2

A

1001-0505(2016)04-0831-05

智能預(yù)應(yīng)力技術(shù)可以根據(jù)結(jié)構(gòu)自身反應(yīng)自動調(diào)整結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力,能夠達到提高結(jié)構(gòu)承載性能的目的[1-9].裝配式鋼桁梁既能用于突發(fā)事件中橋梁的應(yīng)急搶修,又能用于修建半永久性或永久性橋梁.裝配式鋼桁梁可用作橋梁、施工支架、移動模架、起重機架或滑移軌道梁等[10].這類結(jié)構(gòu)通常對鋼梁重量和鋼梁變形有嚴(yán)格限制,可變荷載與永久荷載的比值也較高,因此將智能預(yù)應(yīng)力技術(shù)率先應(yīng)用于裝配式鋼桁梁，發(fā)展一種輕型重載智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁具有重要意義.

本文將利用ANSYS軟件對多約束條件下雙撐桿智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁的承載性能進行分析,并與相同約束條件下的普通預(yù)應(yīng)力鋼桁梁承載性能進行對比,最后詳細(xì)討論各約束條件對智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁承載性能的影響.

1　數(shù)值計算模型

雙撐桿智能預(yù)應(yīng)力簡支鋼桁梁的計算模型如圖1所示,鋼桁梁跨度為32 m,梁高為1 m;撐桿布置于梁跨的1/4和3/4處[7],高度取1 m.鋼桁梁的上下弦桿采用10#工字鋼,截面面積為14.33 cm2,截面慣性矩為245 cm4,彈性模量為210 GPa,密度為7 850 kg/m3;鋼桁梁的腹桿采用8#工字鋼,截面面積為10.37 cm2,截面慣性矩為114.38 cm4,彈性模量為210 GPa,密度為7 850 kg/m3;預(yù)應(yīng)力拉索截面面積為314 mm2,彈性模量為190 GPa,密度為7 850 kg/m3.系統(tǒng)采用開關(guān)控制算法且忽略不計動力效應(yīng),鋼桁梁和撐桿采用Beam3單元模擬,預(yù)應(yīng)力索采用Link10(僅受拉)單元模擬,熱膨脹系數(shù)取1.2×10-5/℃,智能預(yù)應(yīng)力索的張拉及放松采用降溫法和升溫法進行模擬.

2　承載性能對比

本節(jié)將對多約束條件下普通預(yù)應(yīng)力鋼桁梁和智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁的承載性能進行對比分析,荷載工況為移動集中荷載,考慮如下約束條件:① 鋼桁梁跨中撓度不超出設(shè)定范圍[-10, 20] mm,其中負(fù)值表示梁上拱;② 鋼桁梁桿件應(yīng)力不超出設(shè)定范圍[-80, 80] MPa,其中負(fù)值表示桿件受壓;③ 預(yù)應(yīng)力索拉應(yīng)力不超過1 395 MPa;④ 活荷載作用方向與恒載一致,且最小為零.

1) 計算各種可行初始預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下普通預(yù)應(yīng)力鋼桁梁的移動集中荷載承載性能,結(jié)果如圖2所示.區(qū)域ABDA是普通預(yù)應(yīng)力梁的活荷載-撓度可行域,其中，點A對應(yīng)于活荷載為零時梁達到撓度上拱限值;線段AB是初始狀態(tài)為最大上拱度時普通預(yù)應(yīng)力梁的活荷載-撓度關(guān)系曲線,且在移動集中荷載為7.8kN時達到點B;線段BD是多種初始預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下梁達到跨中下?lián)舷拗禃r的邊界線;

圖2　普通預(yù)應(yīng)力梁的活荷載-撓度可行域

線段DA對應(yīng)于最小活荷載限值；與點A相對應(yīng),點D是活荷載為零時梁所能達到的最大下?lián)现?

沿著線段DA從點D移動到點A的過程中,普通預(yù)應(yīng)力鋼桁梁的初始預(yù)應(yīng)力逐漸增加.點E對應(yīng)于恒載作用下梁撓度為零時的初始狀態(tài),此時對應(yīng)的初始預(yù)應(yīng)力值為35.0kN.線段EC是相應(yīng)初始狀態(tài)下梁的活荷載-撓度關(guān)系曲線.對比線段AB和EC可知,普通預(yù)應(yīng)力鋼桁梁的剛度和初始預(yù)應(yīng)力剛度之間存在很小的正相關(guān)性.

2) 計算各種可行初始預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁的移動集中荷載承載性能,結(jié)果如圖3所示.區(qū)域ABCDEA是智能預(yù)應(yīng)力梁的活荷載-撓度可行域,其中:點A對應(yīng)于活荷載為零時梁達到撓度上拱限值;線段AB是梁達到跨中上拱限值時的邊界線;線段BC是有下弦桿件達到其允許壓應(yīng)力時的邊界線;線段CD是有上弦桿件達到其允許壓應(yīng)力時的邊界線;線段DE是梁達到跨中下?lián)舷拗禃r的邊界線;線段EA對應(yīng)于最小活荷載限值.

圖3　智能預(yù)應(yīng)力梁的活荷載-撓度可行域

由圖3可見,普通預(yù)應(yīng)力鋼桁梁活荷載-撓度可行域AFEA是包含在智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁活荷載-撓度可行域ABCDEA內(nèi)的,即在同樣約束條件下,智能預(yù)應(yīng)力梁更能發(fā)揮結(jié)構(gòu)潛在的承載能力.在本節(jié)約束條件下,智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁所能承受的最大移動集中荷載為22.3kN,而普通預(yù)應(yīng)力鋼桁梁所能承受的最大移動集中荷載為7.8kN,兩者比值為2.86.可見,在普通預(yù)應(yīng)力鋼桁梁中引入智能預(yù)應(yīng)力系統(tǒng),可以使結(jié)構(gòu)承載性能得到較大提高.

3　模型參數(shù)分析

第2節(jié)是在特定約束條件下進行的普通預(yù)應(yīng)力鋼桁梁和智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁承載性能對比分析,當(dāng)約束條件發(fā)生變化時,智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁的承載性能也會隨之發(fā)生變化,定義β為智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁與普通預(yù)應(yīng)力鋼桁梁最大約束承載力之比.本節(jié)將對智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁的跨中撓度約束范圍、桿件應(yīng)力約束范圍、鋼桁梁跨度、撐桿數(shù)量以及荷載形式等約束條件進行逐一分析.

3.1跨中撓度約束范圍

3.1.1撓度約束范圍上限

不同撓度約束范圍上限時梁的活荷載-撓度可行域如圖4所示,當(dāng)撓度約束范圍上限大于4.88mm時,智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁的活荷載-撓度可行域為ABCIJA,且在點C達到最大約束承載力;當(dāng)撓度約束范圍上限小于4.88mm時,智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁的活荷載-撓度可行域為ABGHA,且在點G達到最大約束承載力.從圖4還可以看出,普通預(yù)應(yīng)力鋼桁梁的最大約束承載力和撓度約束范圍上限成正比關(guān)系.

圖4　不同約束上限時梁的活荷載-撓度可行域

智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁與普通預(yù)應(yīng)力鋼桁梁的最大約束承載力之比如圖5所示.可見,撓度約束范圍上限越小,智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁與普通預(yù)應(yīng)力鋼桁梁最大約束承載力的比值就越高.

3.1.2撓度約束范圍下限

當(dāng)撓度約束范圍下限分別為-5和-20mm時智能預(yù)應(yīng)力梁的活荷載-撓度可行域如圖6中的區(qū)域 ABCDEA 所示, 而區(qū)域 AFEA 表示普通預(yù)應(yīng)力梁的活荷載-撓度可行域.可見,撓度約束范圍下限越大,智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁與普通預(yù)應(yīng)力鋼桁梁最大約束承載力的比值就越高,如表1所示.

圖5　最大約束承載力之比

(a) 撓度下限-5 mm

(b) 撓度下限-20 mm

撓度約束范圍/mm最大約束承載力/kN智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁普通預(yù)應(yīng)力鋼桁梁β[-5,20]22.36.53.43[-10,20]22.37.82.86[-20,20]22.310.42.14

綜上,跨中撓度約束范圍越小,智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁與普通預(yù)應(yīng)力鋼桁梁的最大約束承載力之比就越大.

3.2桿件應(yīng)力約束范圍

不同應(yīng)力約束條件下智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁的活荷載-撓度可行域如圖7所示,其中區(qū)域AIJKEA、區(qū)域ABCDEA和區(qū)域AFGHEA分別是應(yīng)力約束范圍[-70, 70] MPa,[-80, 80] MPa和[-90, 90] MPa時智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁的活荷載-撓度可行域.顯然,應(yīng)力約束范圍越寬,智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁的活荷載-撓度可行域越大,智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁與普通預(yù)應(yīng)力鋼桁梁的最大約束承載力之比也越大,如表2所示.

圖7　不同應(yīng)力約束范圍時梁的活荷載-撓度可行域

應(yīng)力約束范圍/MPa最大約束承載力/kN智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁普通預(yù)應(yīng)力鋼桁梁β[-70,70]18.77.82.40[-80,80]22.37.82.65[-90,90]25.97.83.32

3.3鋼桁梁跨度

不同跨度的智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁活荷載-撓度可行域如圖8所示,其中區(qū)域AFGHEA、區(qū)域ABCDEA和區(qū)域AIJKEA分別為跨度24,32和40 m時智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁的活荷載-撓度可行域.顯然,鋼桁梁跨度越大,智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁的活荷載-撓度可行域越小,但智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁與普通預(yù)應(yīng)力鋼桁梁的最大約束承載力之比反而越大,如表3所示.

圖8　不同跨度時梁的活荷載-撓度可行域

跨度/m最大約束承載力/kN智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁普通預(yù)應(yīng)力鋼桁梁β2433.718.01.873222.37.82.864014.84.23.52

3.4撐桿數(shù)量

不同撐桿數(shù)量的智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁活荷載-撓度可行域如圖9所示,其中區(qū)域ABCDEA和區(qū)域AFGHEA分別為單撐桿和雙撐桿智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁的活荷載-撓度可行域.顯然,雙撐桿式智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁的承載性能優(yōu)于單撐桿智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁的承載性能.

圖9　不同撐桿數(shù)量時梁的活荷載-撓度可行域

線段AI是初始狀態(tài)為最大上拱度時單撐桿普通預(yù)應(yīng)力梁的活荷載-撓度關(guān)系曲線.從圖9可以看出,單撐桿智能預(yù)應(yīng)力梁的最大約束承載力為19.0 kN,單撐桿普通預(yù)應(yīng)力梁的最大約束承載力為7.3 kN,兩者比值為2.6.可見,在單撐桿普通預(yù)應(yīng)力鋼桁梁中引入智能系統(tǒng),其承載性能得到了較大的提高.

3.5荷載形式

本節(jié)將采用逐次增多的集中荷載來模擬智能預(yù)應(yīng)力架橋機頂推滑移施工的荷載工況,如圖10所示,荷載從開始加載到完成加載共計33步.

圖10荷載施加過程示意圖

圖11中區(qū)域ABCDEGA為智能預(yù)應(yīng)力梁的活荷載-撓度可行域,其中，線段AB為梁達到跨中上拱限值時的邊界線;線段BC為有下弦桿件達到其允許壓應(yīng)力時的邊界線;線段CD對應(yīng)于預(yù)應(yīng)力索達到其允許拉應(yīng)力時的邊界線;線段DE為有上弦桿件達到其允許壓應(yīng)力時的邊界線;線段EG為梁達到跨中下?lián)舷拗禃r的邊界線;線段GA對應(yīng)于最小活荷載限值.

圖11　荷載逐次增多時梁的活荷載-撓度可行域

線段AF為初始狀態(tài)為最大上拱度時普通預(yù)應(yīng)力梁的活荷載-撓度關(guān)系曲線.從圖11可以看出,智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁所能承受的最大單個集中荷載為1.7 kN,而普通預(yù)應(yīng)力鋼桁梁所能承受的最大單個集中荷載為0.4 kN,兩者比值為4.25.顯然,智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁在逐次增多荷載工況下的承載性能優(yōu)于移動集中荷載工況下的承載性能.

4　結(jié)論

1) 跨中撓度約束范圍越小,智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁與普通預(yù)應(yīng)力鋼桁梁的最大約束承載力之比就越大.

2) 桿件應(yīng)力約束范圍越寬,智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁的活荷載-撓度可行域越大,智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁與普通預(yù)應(yīng)力鋼桁梁的最大約束承載力之比也越大.

3) 鋼桁梁跨度越大,智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁的活荷載-撓度可行域越小,但智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁與普通預(yù)應(yīng)力鋼桁梁的最大約束承載力之比越大.

4) 雙撐桿智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁的承載性能優(yōu)于單撐桿智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁的承載性能.

5) 智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁在逐次增多荷載工況下的承載性能優(yōu)于移動集中荷載工況下的承載性能.

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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.作者簡介: 徐偉煒(1979—)，男，博士，副教授，seuxww@163.com.

國家自然科學(xué)基金資助項目(51208094)、江蘇省自然科學(xué)基金資助項目(BK2012342)、江蘇高等優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目(CE01-3-05).

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.04.026.

引用本文: 徐偉煒，陳樑明.雙撐桿智能預(yù)應(yīng)力鋼桁梁承載性能參數(shù)分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,46(4):831-835.