CN102622491B - 钢筋混凝土结构预应力施工至使用全过程分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢筋混凝土结构预应力施工至使用全过程分析方法，涉及结构工程技术领域，可得到结构施工至使用的全过程中的结构内力变形效应，为结构设计的安全性提供保障。所述方法包括：对钢筋混凝土结构进行整体结构施工至使用阶段全过程模拟；对预应力锚夹具及索体松弛进行全过程分析模拟，计算某一时刻t时松弛效应引起的第一预应力损失值；对混凝土的徐变、收缩效应进行全过程分析模拟，计算所述时刻t时混凝土徐变、收缩效应分别引起的第二预应力损失值和第三预应力损失值；根据第一、第二预应力损失值和第三预应力损失值，及张拉预应力，算出时刻t的实际预应力，结构内力以及产生的结构变形量。
Description
技术领域
本发明涉及结构工程技术领域，尤其涉及一种钢筋混凝土结构预应力施工至使用全过程分析方法。
背景技术
预应力混凝土结构(以下简称：结构)的工作原理是在承受外荷载之前，预先合理布置预应力筋并张拉，在混凝土结构内部形成一种压应力状态，该压应力将与使用阶段产生的拉应力抵消一部分或全部，以减小或避免混凝土裂缝的出现和开展，从而提高构件的抗裂性能和刚度。
现有钢筋混凝土结构的预应力仿真分析方法一般采用“构件法”，即从整体模型中抽取单根预应力构件或局部构件，施加预应力进行分析。有的预应力仿真分析方法中，还会考虑施工中预应力构件的张拉顺序即预应力构件张拉批次对钢筋混凝土结构的预应力的影响。另外，预应力仿真分析还需要考虑预应力损失的问题，即外加的预应力与结构内实际获得的预应力(结构的实际预应力)并不相等，存在差值。引起预应力损失的原因主要有：张拉端锚具变形和预应力筋的应力松弛，混凝土的徐变、收缩效应。现有方法中，对预应力的损失大都采用对总预应力损失进行整体估算的方法，即考虑到上述预应力损失因素的综合影响后，把外加的预应力即施工张拉控制张力的75％(或其它值)，作为结构的实际预应力。
在上述过程中，发明人发现现有技术至少存在如下问题：
现有钢筋混凝土结构预应力分析方法，从整体模型中抽取单根预应力构件进行分析，施工模拟中也仅考虑到预应力构件张拉批次等的影响，考虑不全面，使得结构的实际预应力的计算结果与真实值偏差较大，容易给结构设计带来安全隐患。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种钢筋混凝土结构预应力施工至使用全过程分析方法，提高了结构的实际预应力的计算精度，可为结构设计提供安全性保障。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
一种钢筋混凝土结构的预应力施工至使用全过程分析方法，包括：
按所述钢筋混凝土结构的施工进度及使用时间，对所述钢筋混凝土结构进行整体结构施工至使用阶段的全过程模拟，所述全过程模拟包括：根据所述施工进度及使用时间进行的整体结构模拟，重力荷载模拟，预应力施工张拉模拟；
在所述全过程模拟的基础上，对预应力锚夹具及索体松弛进行全过程分析模拟，根据所述全过程模拟中的索体内力、索体变形结果计算某一时刻t时松弛效应引起的第一预应力损失值，
对混凝土的徐变、收缩效应进行全过程分析模拟，根据所述全过程模拟中的结构内力、结构变形结果计算所述时刻t时混凝土徐变、收缩效应分别引起的第二预应力损失值和第三预应力损失值；
根据计算出的所述第一预应力损失值、所述第二预应力损失值和所述第三预应力损失值，以及所述预应力施工张拉模拟中施加的张拉预应力，计算所述时刻t时所述钢筋混凝土结构的实际预应力，并根据所述实际预应力计算结构内力及结构变形量。
所述张拉预应力为在所述预应力施工张拉模拟中，对所述钢筋混凝土结构中的预应力构件施加的预应力。
所述全过程为所述钢筋混凝土结构施工过程及施工完成后使用的全部过程。
所述时刻t为所述钢筋混凝土结构在施工过程中或者施工完成后的使用过程中的某一时刻。
本发明实施例所述的钢筋混凝土结构预应力施工至使用阶段的全过程分析方法，按钢筋混凝土结构的施工进度以及使用时间对整体结构进行全过程模拟，在此基础上，针对施工及使用全过程中的某一时刻，计算松弛效应和混凝土徐变、收缩效应分别引起的预应力损失值，进而获得结构在该时刻的实际预应力、结构内力以及结构变形量。本发明实施例所述预应力分析方法可获得施工过程及使用全过程中任一时刻的结构内力以及变形效应，计算精度高，可为结构设计提供安全性保障。
附图说明
图1为本发明实施例中钢筋混凝土结构的预应力施工至使用全过程分析方法的流程图；
图2为本发明实施例中一种钢筋混凝土结构的平面示意图；
图3为本发明实施例中一种钢筋混凝土结构的侧面示意图；
图4为本发明实施例中对一种钢筋混凝土结构进行整体结构施工至使用阶段的全过程模拟的示意图一；
图5为本发明实施例中的预应力平衡示意图；
图6为本发明实施例中对一种钢筋混凝土结构进行整体结构施工至使用阶段的全过程模拟的示意图二；
图7为本发明实施例中对一种钢筋混凝土结构进行整体结构施工至使用阶段的全过程模拟的示意图三；
图8为本发明实施例中一种钢筋混凝土结构的实际预应力产生的结构变形效应的示意图。
标记说明
11-竖向构件，12-混凝土梁构件，13-混凝土板构件，
gi-第i层结构自重，pi-第i层施工荷载。
具体实施方式
本发明实施例提供一种钢筋混凝土结构预应力施工至使用全过程分析方法，可得到结构施工至使用的全过程中任一时刻的实际预应力和结构内力及变形，为结构设计提供安全性保障。
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
本发明实施例提供一种钢筋混凝土结构预应力施工至使用全过程分析方法，如图1所示，包括：
步骤101、按所述钢筋混凝土结构的施工进度及使用时间，对所述钢筋混凝土结构进行整体结构施工至使用阶段的全过程模拟，所述全过程模拟包括：根据所述施工进度及使用时间进行的整体结构模拟，重力荷载模拟，预应力施工张拉模拟。
本步骤的全过程模拟中，基于上述的整体结构模拟、重力荷载模拟和预应力施工张拉模拟的结果，还可得出结构内力、结构变形和索体内力、索体变形。所述索体为预先布置在结构内部的预应力筋，张拉后在结构内部形成一种拉压平衡的应力状态。
一种常见于楼层施工的钢筋混凝土结构，如图2和图3所示，该结构共n层，包括竖向构件11，混凝土梁构件12，混凝土板构件13，对混凝土梁构件12施加预应力T，使得混凝土结构受压，形成钢筋混凝土预应力结构。以这种常见的预应力钢筋混凝土结构为例，步骤101中的整体结构的全过程模拟如下：
首先根据施工进度逐层进行整体结构模拟、重力荷载模拟和预应力施工张拉模拟；然后根据上述的整体结构模拟、重力荷载模拟和预应力施工张拉模拟的结果，计算结构内力、结构变形和索体内力、索体变形。钢筋混凝土结构随施工进度逐层形成，与此同时，大部分的重力荷载随着主体结构(钢筋混凝土结构)的施工也逐层加到主体结构上，同时按预应力张拉施工的实际情况进行预应力施工张拉模拟。其中，所述的重力荷载包括结构自重和施工荷载。对于预应力施工张拉模拟，考虑到预应力施工张拉时，张拉部分的混凝土需要有足够的强度，故预应力张拉施工一般要滞后于主体结构施工进度。可选地，预应力张拉施工滞后主体结构施工进度2层，即主体结构施工到i(i＝3，4，...，n)层时，同时张拉第i-2层的预应力T，而顶层主体结构完成后需等待产生足够的强度后，再张拉顶层的预应力T。
如图4所示，施工第1层结构时，进行1层结构构成模拟(整体结构模拟)，1层结构的自重g1随之同时进入模型，然后再把第1层施工荷载p1施加到1层结构上；施工第2层结构时，在此基础上，进行2层结构构成模拟，2层结构的自重g2随之同时进入模型，然后再把第2层施工荷载p2施加到2层结构上；从第3层结构开始，除进行3层结构构成模拟、将第3层结构自重g3和第3层施工荷载p3的施加到主体结构上进行重力荷载模拟外，还需要同时进行预应力施工张拉模拟。
如图5所示，当主体结构施工到i(i＝3，4，...，n)层，张拉第i-2层时，下面以此为例详细叙述在前一施工进度(施工i-1层，张拉第i-3层)的模拟结果的基础上如何进行整体结构全过程模拟。在前一施工进度所模拟的整体结构上添加第i层，完成整体结构模拟；然后进行重力荷载模拟，将第i层结构自重gi和第i层施工荷载pi施加到所模拟的主体结构上；同时对第i-2层的混凝土梁构件12施加预应力T，进行预应力施工张拉模拟，预应力T由竖向构件11、混凝土梁构件12和混凝土板结构13分担，具体为预应力T等于竖向构件剪力V1与梁、板轴向压力N1之和，即：
T＝V1+N1
根据预应力施工张拉模拟中施加的预应力T及预应力平衡原理计算结构内力及结构变形，得到结构内力及结构变形以及索体内力和索体变形。本步骤中的结构内力指构成钢筋混凝土结构的各结构构件如梁、板、柱等受到的力。
如图6所示，若按施工进度，进行到主体结构施工i+1层，张拉第i-1层，在图5所示模拟结果的基础上，类似地，按照上述方式添加第i+1层完成整体结构模拟，进行重力荷载模拟，再对第i-1层施加预应力T，进行预应力施工张拉模拟，然后根据上述模拟结果以及预应力平衡原理，在上一施工进度(主体结构施工i层，张拉第i-2层)的模拟结果的基础上，可得到结构内力、结构变形以及索体内力、索体变形。如图7所示，以此类推进行模拟，可得到施工过程中整体结构任一时刻在重力荷载、预应力荷载作用下的梁、板、柱结构内力及索体内力和变形。
对于钢筋混凝土结构在使用过程中的整体结构全过程模拟，只要在施工模拟完成的基础上，即图7所示的张拉第n层(顶层)的模拟结果的基础上，考虑结构的使用时间对整体结构的影响，具体模拟过程在此不再详述。
步骤102、在所述全过程模拟的基础上，对预应力锚夹具及索体松弛进行全过程分析模拟，根据所述全过程模拟中的索体内力、索体变形结果计算某一时刻t时松弛效应引起的第一预应力损失值，对混凝土的徐变、收缩效应进行全过程分析模拟，根据所述全过程模拟中的结构内力、结构变形结果计算所述时刻t时混凝土徐变、收缩效应分别引起的第二预应力损失值和第三预应力损失值。
其中，所述全过程为所述钢筋混凝土结构施工过程及施工完成后使用的全部过程。
其中，所述时刻t为钢筋混凝土结构在施工过程中或者施工完成后的使用过程中的某一时刻。
在步骤101整体结构全过程模拟的基础上，本步骤针对具体的钢筋混凝土结构对引起预应力损失的主要原因逐一进行分析模拟，建立与时间相关的锚夹具及索体松弛效应导致的第一预应力损失值ΔT松弛(t)，以及与时间相关的混凝土收缩、徐变效应导致的第三预应力损失值ΔT收缩(t)和第二预应力损失值ΔT徐变(t)。
本步骤中，考虑到在投入使用1年后，锚夹具及索体的应力松弛效应基本趋于稳定，所以对预应力锚夹具及索体的松弛进行全过程分析模拟时，一般只考虑1年时间内的锚夹具及索体应力松弛效应。根据预应力锚夹具及索体自身特性和步骤101中得到的索体内力，计算锚夹具及索体的应力松弛效应，建立与时间相关的锚夹具及索体松弛效应导致的预应力损失值ΔT松弛(t)。同时，根据步骤101模拟时引入的混凝土的龄期、混凝土自身特性、结构构件尺寸、结构布置以及环境湿度等计算混凝土结构的收缩效应，进而得到与时间相关的混凝土收缩效应导致的第三预应力损失值ΔT收缩(t)，再结合步骤101中得到梁、板、柱的结构内力，计算混凝土结构的徐变效应，从而建立与时间相关的混凝土收缩、徐变效应导致的第三预应力损失值ΔT收缩(t)和第二预应力损失值ΔT徐变(t)。通过上述方式，可计算出某一时刻t时松弛效应引起的第一预应力损失值ΔT松弛(t)，混凝土徐变、收缩效应分别引起的第二预应力损失值ΔT徐变(t)和第三预应力损失值ΔT收缩(t)。
步骤103、根据计算出的第一预应力损失值ΔT松弛(t)、第二预应力损失值ΔT徐变(t)和第三预应力损失值ΔT收缩(t)，以及所述预应力施工张拉模拟中施加的张拉预应力T，计算时刻t时结构的实际预应力T′(t)，并根据实际预应力T′(t)计算结构内力及结构变形量。
其中，所述的张拉预应力T为在预应力张拉施工模拟中，对钢筋混凝土结构中的预应力构件(例如混凝土梁构件12)施加的预应力。考虑到预应力锚夹具及索体松弛效应引起的第一预应力损失值ΔT松弛(t)，以及混凝土徐变、收缩效应分别引起的第二预应力损失值ΔT徐变(t)和第三预应力损失值ΔT收缩(t)，时刻t时结构的实际预应力T′(t)＝T-ΔT松弛(t)-ΔT徐变(t)-ΔT收缩(t)，实际预应力T′(t)产生的结构变形如图8所示。
除此之外，引起预应力损失的原因还可能包括：索体(或预应力筋)与孔道壁之间摩擦引起的预应力损失；混凝土加热养护时，受张拉的索体与承受拉力的设备之间温差引起的预应力损失。步骤102还可对引起预应力损失的这两个原因进行分析模拟，建立与时间相关的索体与孔道壁摩擦引起的预应力损失值和受索体与设备间温差引起的预应力损失值。相应地在步骤103计算结构的实际预应力也需要考虑减去这两个原因引起的预应力损失值。
本发明实施例所述的钢筋混凝土结构预应力分析方法，按钢筋混凝土结构的施工进度以及使用时间进行整体结构全过程模拟，在此基础上，计算某一时刻t时松弛效应引起的第一预应力损失值，混凝土徐变、收缩效应分别引起的第二预应力损失值和第三预应力损失值；进而得到结构施工至使用的全过程中的某一时刻t的实际预应力、结构内力以及结构变形效应，为结构设计的安全性提供保障。
通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在可读取的存储介质中，如计算机的软盘，硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种钢筋混凝土结构预应力施工至使用全过程分析方法，其特征在于，包括：
按多层钢筋混凝土结构的施工进度及使用时间，对所述钢筋混凝土结构进行整体结构逐层施工生成至使用阶段的全过程模拟，所述全过程模拟包括：根据所述施工进度及使用时间进行的整体结构模拟，重力荷载模拟，以及预应力施工张拉模拟，其中，对所述多层钢筋混凝土结构的预应力施工张拉模拟滞后于所述整体结构模拟及所述重力荷载模拟两层；
根据所述预应力施工张拉模拟中施加的张拉预应力及预应力平衡原理计算结构内力及结构变形，得到结构内力及结构变形以及索体内力及变形，所述预应力平衡原理指在所述逐层施工过程中，各层梁构件预应力由竖向构件、混凝土梁构件和混凝土板结构共同分担，即所述张拉预应力等于相邻竖向构件剪力与相邻梁、板轴向压力之和；
在所述全过程模拟的基础上，分析模拟在某一时刻t时由于预应力锚夹具及索体松弛，混凝土徐变、收缩效应，索体与孔道壁之间摩擦及索体与承受拉力的设备之间温差效应分别引起的预应力损失值；
根据计算出的所述预应力损失值以及所述预应力施工张拉模拟中施加的张拉预应力，计算所述时刻t时所述钢筋混凝土梁构件的实际预应力，并根据所述实际预应力计算整体结构内力及结构变形量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述全过程模拟在施工阶段具体包括：根据所述施工进度逐层进行结构模拟，重力荷载模拟随着所述结构模拟逐层施加到所模拟的结构上，同时按预应力张拉施工的实际情况进行预应力施工张拉模拟。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述张拉预应力为在所述预应力施工张拉模拟中，对所述钢筋混凝土结构中的预应力构件施加的预应力。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述全过程为所述钢筋混凝土结构施工过程及施工完成后使用阶段的全部过程。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述时刻t为所述钢筋混凝土结构在施工过程中或者施工完成后的使用过程中的某一时刻。
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