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无粘结预应力梁的有限元建模与性能分析研究

楼铁炯  
【摘要】:无粘结预应力混凝土梁按照预应力布束方式的不同具有两种形式:体内无粘 结预应力混凝土梁和体外预应力混凝土梁。无粘结预应力技术具有施工简单、结 构可靠、造价经济等优点,在各种新建的大型土木工程结构中得到广泛的应用; 同时,大量的在役工程特别是桥梁,由于结构老化、钢筋锈蚀以及超载等因素的 影响,结构产生损伤或疲劳,采用体外预应力技术加固这些损伤或疲劳结构是十 分有效的手段。 无粘结预应力混凝土梁的分析要比有粘结混凝土梁复杂得多。对于有粘结混 凝土梁,一般认为钢筋和混凝土之间理想粘结,从而可基于平截面假定进行分析。 对于体内无粘结或体外预应力混凝土梁,预应力束和周围混凝土之间的应变不相 容,其精确分析必须基于结构整体平衡条件通过迭代方法实现。本文基于大变形 非线性有限元理论,建立了考虑材料和几何非线性的体内无粘结和体外预应力混 凝土梁的分析模型。体内无粘结或体外预应力筋的效应转化为梁单元的等效节点 荷载,由此可按普通有粘结混凝土梁进行分析。首次提出按截面纤维积分法处理 任意形状的混凝土梁单元截面并导出截面切线刚度矩阵,极大地提高了计算效 率,文中同时利用常规条带法导出相应的截面切线刚度矩阵,在此基础上利用平 面非线性梁单元建立标准有限元公式。通过两个算例验证了该模型的适用性。 同时,本文解决了商用有限元程序难以按常规方法分析无粘结预应力梁的问 题。通过商用有限元程序ABAQUS建立了体内无粘结和体外预应力混凝土梁的 分析模型。该有限元模型由两类主单元组成,即混凝土梁单元和体内无粘结或体 外预应力筋桁架单元;主单元的端部节点用ABAQUS的内在约束MPC连接; 在体外预应力梁的转向块处,或沿体内无粘结预应力梁全跨并以比较小的间隔设 置刚度足够大的弹簧单元。利用修正的Riks算法实现无粘结预应力混凝土梁从 开始加载直到失效的全过程结构响应。通过对典型试验梁的分析比较验证了该模 型的可靠性。 本文设计了8个系列共76根体内无粘结预应力梁,以及2个系列共21根体 外预应力梁和3根体内无粘结预应力对比梁,利用提出的有限元模型对这些梁进 行非线性全过程分析,详细研究了各种参数诸如非预应力筋配筋率、无粘结预应


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