基于特征參量控制的渡槽預(yù)應(yīng)力張拉順序研究

吳澤玉,王東煒

（1.華北水利水電大學土木與交通學院,鄭州 450045；2.北京工業(yè)大學建筑工程學院,北京 100124；3.鄭州大學土木學院,鄭州 450000）

基于特征參量控制的渡槽預(yù)應(yīng)力張拉順序研究

吳澤玉1,2,王東煒3

（1.華北水利水電大學土木與交通學院,鄭州 450045；2.北京工業(yè)大學建筑工程學院,北京 100124；3.鄭州大學土木學院,鄭州 450000）

為了得到合理預(yù)應(yīng)力張拉順序,提出利用特征參量指導(dǎo)預(yù)應(yīng)力張拉的新途徑。分別對矩形帶肋和無肋渡槽及U形渡槽動力特性進行分析。結(jié)果表明：對于U形渡槽,豎向預(yù)應(yīng)力和環(huán)向預(yù)應(yīng)力明顯降低結(jié)構(gòu)整體剛度,但預(yù)應(yīng)力效應(yīng)并不改變振型出現(xiàn)的先后順序；通過對矩形無肋渡槽6種預(yù)應(yīng)力張拉順序進行分析,得到合理的預(yù)應(yīng)力張拉順序為：先張拉40%縱向預(yù)應(yīng)力,再張拉豎向預(yù)應(yīng)力,然后張拉剩余的60%縱向預(yù)應(yīng)力,最后張拉橫向預(yù)應(yīng)力。矩形無肋渡槽的這種張拉順序不僅避免了豎向預(yù)應(yīng)力對結(jié)構(gòu)整體剛度的過大影響,而且能抵消結(jié)構(gòu)早期由于自重產(chǎn)生的不利撓度。研究的渡槽預(yù)應(yīng)力張拉順序?qū)?gòu)件力學性能改變的影響可降低到最小。

特征參量；渡槽；預(yù)應(yīng)力；張拉順序；動力特性

2015,32（12）：125－128

1 特征參量與渡槽

結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型由結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度所決定,且僅與結(jié)構(gòu)的材料特性和幾何尺寸有關(guān),是結(jié)構(gòu)的固有特征參量。結(jié)構(gòu)的自振頻率向量表征了結(jié)構(gòu)總體分布剛度與總體分布質(zhì)量之間的絕對比值關(guān)系；結(jié)構(gòu)的振型向量表征了結(jié)構(gòu)局部分布剛度與局部分布質(zhì)量之間的相對比值關(guān)系[1－5］。振型向量分量的階次描述了在外界環(huán)境作用下,結(jié)構(gòu)最易產(chǎn)生的分解反應(yīng)類型的順序。結(jié)構(gòu)的特征參量分析為結(jié)構(gòu)概念設(shè)計和構(gòu)造設(shè)計提供了強有力的量化分析工具。利用特征參量指導(dǎo)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計和構(gòu)造設(shè)計,進而指導(dǎo)結(jié)構(gòu)性態(tài)設(shè)計,為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一個新的研究方向[6－7］。

作為跨江跨河的重要輸水工程,渡槽起著十分重要的作用。渡槽截面通常采用矩形和U形,矩形渡槽根據(jù)邊側(cè)墻加肋情況又分為帶肋渡槽和無肋渡槽。為了利用高強結(jié)構(gòu)材料,減小結(jié)構(gòu)的撓度,渡槽通常設(shè)計為預(yù)應(yīng)力形式。對于矩形渡槽,預(yù)應(yīng)力包括橫向、豎向和縱向三向預(yù)應(yīng)力形式；對于U形渡槽,預(yù)應(yīng)力包括環(huán)向預(yù)應(yīng)力和縱向預(yù)應(yīng)力形式。又因為結(jié)構(gòu)振型向量分量的階次表述了在外界環(huán)境作用下,結(jié)構(gòu)最易產(chǎn)生的分解反應(yīng)類型的順序,所以擬通過對2種矩形渡槽和U形渡槽不同預(yù)應(yīng)力配置形式的動力特性分析,探求預(yù)應(yīng)力效應(yīng)對不同截面形式的渡槽自振頻率和振型影響的一般規(guī)律；另外,通過對三向預(yù)應(yīng)力張拉順序的分析,尋找較合理預(yù)應(yīng)力張拉順序,用以指導(dǎo)渡槽現(xiàn)場施工。

2 渡槽分析模型

某跨河渡槽,雙聯(lián)四槽,單跨30 m。根據(jù)南水北調(diào)總體規(guī)劃要求,跨河渡槽采用梁式結(jié)構(gòu)。渡槽選用3種結(jié)構(gòu)形式,分別為矩形帶肋渡槽、矩形無肋渡槽和U形渡槽,如圖1所示。

圖1 3種不同結(jié)構(gòu)形式的渡槽Fig.1 Aqueducts with three structural types

矩形渡槽一聯(lián)兩槽通過中墻連接在一起；U形渡槽一聯(lián)兩槽,因為截面的復(fù)雜性,為將2個分別獨立的渡槽靠在一起,渡槽間空隙可由柔性材料填充,防止橫向碰撞。矩形渡槽采用三向預(yù)應(yīng)力形式,U形渡槽采用縱向加環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋形式。矩形渡槽三向預(yù)應(yīng)力筋和U形渡槽預(yù)應(yīng)力筋布置如圖2所示。

圖2 矩形渡槽和U形渡槽預(yù)應(yīng)力筋布置Fig.2 Layout of prestressing bar of rectangular aqueduct and U-shape aqueduct

結(jié)合渡槽靜、動力分析計算結(jié)果,3種截面形式的渡槽均滿足承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)要求。渡槽槽體有限元采用三維八結(jié)點實體單元,每個節(jié)點有3個平動自由度；預(yù)應(yīng)力筋采用空間桿單元,每個結(jié)點也有3個平動自由度,這樣不同單元結(jié)點間自由度相等易保持變形協(xié)調(diào)。預(yù)應(yīng)力施加方式采用初應(yīng)變法,矩形和U形渡槽單元施加初應(yīng)變值如表1所示。支座約束方式采用完全簡支約束,如圖3所示,這樣可避免支座不均勻沉降或溫度變化引起的不利內(nèi)力。

表1 預(yù)應(yīng)力效應(yīng)表Table 1 Prestressing effect in the presence of different locations of steel strand

圖3 完全簡支約束Fig.3 Completely simple constraints

3 3種預(yù)應(yīng)力槽型動力特性分析

由于縱向預(yù)應(yīng)力筋效應(yīng)可有效抵消渡槽自重和水重產(chǎn)生的撓度,在渡槽動力特性分析時,分別取消橫向和豎向預(yù)應(yīng)力筋。

矩形帶肋渡槽、矩形無助渡槽3種工況及U形渡槽2種工況前5階自振頻率和振型如表2所示。

表2 不同結(jié)構(gòu)形式的渡槽在不同類型預(yù)應(yīng)力作用下前5階自振頻率和振型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

從表2可以看出,3種不同截面形式的渡槽動力特性有如下規(guī)律：

（1）對矩形帶肋渡槽3種預(yù)應(yīng)力布筋方式下的動力特性進行分析,結(jié)果表明：豎向預(yù)應(yīng)力筋明顯降低了結(jié)構(gòu)的整體剛度；3種預(yù)應(yīng)力效應(yīng)沒有改變振型的振動順序。

（2）矩形無肋渡槽3種預(yù)應(yīng)力布筋方式下的動力特性分析的結(jié)果也表明：豎向預(yù)應(yīng)力筋效應(yīng)明顯降低了結(jié)構(gòu)的整體剛度；3種預(yù)應(yīng)力效應(yīng)沒有改變振型的振動順序。

（3）U形渡槽2種預(yù)應(yīng)力布筋方式下的動力特性分析結(jié)果表明：環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋降低了結(jié)構(gòu)的整體剛度,2種預(yù)應(yīng)力效應(yīng)對振型順序沒有影響。

4 無肋矩形渡槽預(yù)應(yīng)力張拉順序分析

渡槽三向預(yù)應(yīng)力通常采用后張法,張拉順序直接影響結(jié)構(gòu)施工期整體力學性能,對結(jié)構(gòu)后期使用產(chǎn)生十分重要的影響,許多學者對此進行了深入的研究,并給出了良好的建議[8－10］。由分析知,合理的預(yù)應(yīng)力張拉順序應(yīng)使渡槽力學特性變化穩(wěn)定,同時滿足一般施工需要。對于剛性較大的渡槽結(jié)構(gòu),預(yù)應(yīng)力僅能改變結(jié)構(gòu)頻率的大小,不能改變振型出現(xiàn)的先后順序,故用特征參量指導(dǎo)預(yù)應(yīng)力張拉順序,僅需觀察頻率改變的“輕重緩急”即可。以此為基礎(chǔ),尋求合理的三向預(yù)應(yīng)力張拉順序,即結(jié)構(gòu)頻率改變量較為平緩,同時照顧一般施工要求。用特征參量指導(dǎo)三向預(yù)應(yīng)力張拉順序,使結(jié)構(gòu)分析有了評判依據(jù)。

以矩形無肋渡槽為例,三向預(yù)應(yīng)力張拉編號分別為：①縱向預(yù)應(yīng)力筋；②豎向預(yù)應(yīng)力筋；③橫向預(yù)應(yīng)力筋。加載工況共有6種組合,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種工況前3階自振頻率值如圖4所示。從圖4前3階自振頻率變化趨勢分析可知,方案3的加載順序?qū)Χ刹哿W性能影響最小,即先施加豎向預(yù)應(yīng)力,再加縱向預(yù)應(yīng)力,最后加橫向預(yù)應(yīng)力。但考慮到施工實際情況,拆除模板后需由縱向預(yù)應(yīng)力筋提供一定的抗彎能力,故宜先張拉縱向預(yù)應(yīng)力筋,張拉幅度為40%～50%,且以低值為好。在方案3的基礎(chǔ)上,再討論如下2種預(yù)應(yīng)力張拉方案。

改進方案3－1：40%①→②→60%①→③；

改進方案3－2：40%①→②→③→60%①。

圖4 6種工況下前3階自振頻率變化曲線Fig.4 Curves of the first three order natural frequency vs.loading sequence under 6 working conditions

改進方案3對前3階自振頻率影響曲線如圖5所示。2種加載方案總體上對結(jié)構(gòu)力學性能影響程度大體相當,改進方案3－1的張拉方案略優(yōu)于改進方案3－2的加載方案。

圖5 改進方案3前3階自振頻率變化曲線Fig.5 Curves of the first three order natural frequency vs.loading sequence for modified scheme 3

5 結(jié) 論

通過以上有限元模擬分析,可以得出如下結(jié)論：

（1）由于渡槽整體結(jié)構(gòu)剛度較大,預(yù)應(yīng)力筋不同張拉順序效應(yīng)僅對結(jié)構(gòu)自振頻率有一定的影響,對振型出現(xiàn)的先后順序沒有影響。預(yù)應(yīng)力效應(yīng)對剛性渡槽力學性能的影響小于對柔性渡槽的影響。

（2）預(yù)應(yīng)力張拉時,不宜先把縱向預(yù)應(yīng)力一次張拉完畢,否則易造成構(gòu)件力學性能過度改變。但又需考慮到縱向預(yù)應(yīng)力筋提供拆除模板后的抗彎能力,故以先張拉40%～50%的縱向預(yù)應(yīng)力為主,且以低值為好。

（3）縱向分階段張拉后應(yīng)先拆除模板,再張拉豎向預(yù)應(yīng)力,再張拉剩余50%～60%的縱向預(yù)應(yīng)力,最后張拉橫向預(yù)應(yīng)力,以使預(yù)應(yīng)力張拉對構(gòu)件力學性能改變影響最小。

[1]TAKABATAKE H.Effects of Dead Loads in Dynamic Plates[J］.Structural Engineering,1990,118（1）：34－51.

[2]TAKABATAKE H.Effects of Dead Loads in Static Beams[J］.Structural Engineering,1989,116（4）：1102－1120.

[3]TAKABATAKE H.Effects of Dead Loads on Natural Frequencies of Beams[J］.Structural Engineering,1991,117（4）：1039－1120.

[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.

[6]季三榮,王東煒,趙 騫.基于模態(tài)分析的鋼管腳手架平面支撐剛度研究[J］.鄭州大學學報（工學版）,2010,31（4）：31－35.（JI San-rong,WANG Dong-wei,ZHAO Qian.Stiffness Study of Pipe Scaffold Planar Support System by the Model Analysis[J］.Journal of Zhengzhou University（Engineering Science）,2010,31（4）：31－35.（in Chinese））

[7]王東煒,張奇?zhèn)?王用中.基于模態(tài)分析的鄄城黃河公路大橋優(yōu)化設(shè)計[J］.鄭州大學學報（工學版）,2010, 31（6）：1－5.（WANG Dong-wei,ZHANG Qi-wei,WANG Yong-zhong.Optimization Design of the Yellow River Main Bridge in Juancheng Based on the Researches on the Dynamic Characteristics[J］.Journal of Zhengzhou University（Engineering Science）,2010,31（6）：1－5.（in Chinese））

[8]張社榮,祝 青,李 升.大型渡槽數(shù)值分析中預(yù)應(yīng)力的模擬方法[J］.水利發(fā)電學報,2009,28（3）：97－100.（ZHANG She-rong,ZHU Qing,LI Sheng.Simulation Methods of Prestress in Numerical Analysis of Large Aqueduct[J］.Journal of Hydroelectric Engineering,2009,28（3）：97－100.（in Chinese））

[9]夏富洲,王長德,曹為民,等.大流量預(yù)應(yīng)力渡槽設(shè)計與施工技術(shù)研究[J］.南水北調(diào)與水利科技,2009,7（6）：47－49.（XIA Fu-zhou,WANG Chang-de,CAO Weimin,et al.Research on Design and Construction Technology for Large Flow Prestressed Concrete Aqueduct[J］.South-to-North Water Transfers and Water Science＆Technology,2009,7（6）：47－49.（in Chinese））

[10］李俊宏,何淑媛,袁勤國.大型渡槽槽身施工技術(shù)進展[J］.中國農(nóng)村水利水電,2005,（10）：61－63.（LI Junhong,HE Shu-yuan,YUAN Qin-guo.Development of Construction Technique of Large-sized Aqueduct Body[J］.China Rural Water and Hydropower,2005,（10）：61－63.（in Chinese））

（編輯：趙衛(wèi)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

國家自然科學基金項目（50978232）；河南省教育廳項目（14B560029）

吳澤玉（1976－）,男,河南固始人,講師,博士,主要從事復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系選型與振動控制研究,（電話）13598437507（電子信箱）13598437507＠163.com。