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体外预应力混凝土简支梁的动力试验与理论分析

熊辉霞  
【摘要】: 体外预应力混凝土结构是指预应力筋(索)布置在混凝土梁体之外的一种预应力结构。由于具有施工速度快,体外筋易于维修、替换等优点,近年来在新建结构和既有结构加固中得到了广泛运用,有关体外预应力结构的研究成为当前结构工程学科的研究热点。由于开展体外预应力结构动力性能方面的研究相对较少,本文以简支梁为研究对象,主要工作内容如下: (1)设计制作了5根预应力混凝土简支梁,其中3根为常见布筋方式的体外预应力混凝土简支梁,进行了梁的静力动力试验,测得相应的静、动力性能参数,试验结果表明:体内和体外预应力混凝土梁的自振频率随着预应力的增大而增大,这一结论与经典动力学理论所得出的结果是相反的;在此基础上,进行了动力参数敏感性分析,计算结果表明梁的自振频率是对力筋有效预应力变化最敏感的模态参数。 (2)运用已有的体外预应力混凝土简支梁自振频率的计算公式,对试验梁前二阶频率进行了计算,计算结果和试验结果在频率随预应力变化的趋势上是相反的,为此,考虑预应力对混凝土梁刚度的影响,修正梁的刚度和频率公式,计算结果表明:按修正公式计算的频率与试验结果相差较少;同时对试验梁进行有限元建模,将修正的刚度公式运用到混凝土的本构关系中,计算结果和试验结果相吻合。 (3)针对混凝土材料在成型过程中不可避免的存在微裂缝和微孔隙的特点,定义了基于混凝土弹性模量表达的负损伤变量,把负损伤变量引入到损伤本构方程中,采用损伤力学附加荷载有限元法对体外预应力混凝土梁的动力性能进行了分析。结果表明:引入负损伤变量可以很好地模拟混凝土弹性模量的变化,特别是施加预应力阶段,所求得的梁自振频率在变化趋势上是和试验结果相一致,并且误差在可以接受的范围之内。 (4)推导了考虑体外索抗弯刚度的体外索振动方程,对影响体外索振动的因素进行分析,给出体外预应力混凝土结构体外索索力和固有频率的实用关系表达式。运用ANSYS有限元分析软件对体外索的振动进行数值分析,结果表明有限元分析结果和试验结果有较大的出入。文章最后采用BP神经网络对体外索的索力进行了预测,预测结果和试验结果相吻合。


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