CN110308268A - 预应力混凝土框架结构预应力损失识别方法 - Google Patents

预应力混凝土框架结构预应力损失识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种预应力混凝土框架结构预应力损失识别方法，其包括选取预应力混凝土框架结构中梁的设定位置作为位移监测点；采用有限元模型计算的初始位移值及预应力筋发生设定单位预应力损失量时的位移值构建预应力损失位移影响矩阵；采集结构发生预应力损失时位移监测点处的位移变化值，将位移监测点的位移变化值整合成位移变化矩阵；采用位移变化矩阵和预应力损失位移影响矩阵构建预应力损失识别矩阵计算模型；采用最小二乘法构造求解预应力损失识别矩阵的辅助函数，采用MATLAB计算辅助函数的最小值得到预应力损失识别矩阵；采用单位预应力损失量和预应力损失识别矩阵中每根预应力筋的损失识别系数计算每根预应力钢筋的预应力损失程度。

Description

预应力混凝土框架结构预应力损失识别方法
技术领域
本发明涉及土木工程技术领域，具体涉及一种预应力混凝土框架结构预应力损失识别方法。
背景技术
预应力混凝土结构自十九世纪诞生以来，由于能够控制结构挠度和裂缝，因而被广泛应用于桥梁、房屋建筑等大跨结构当中。然而，由于施工工艺、混凝土收缩和徐变、钢筋应力松弛等因素的影响，预应力混凝土结构不可避免地产生预应力损失，甚至发生因预应力损失过大导致的突发性事故。
针对预应力损失，我国现行《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)提出了六项预应力损失计算公式，分别为张拉端锚具变形和预应力筋内缩、预应力筋的摩擦、混凝土加热养护时预应力筋与承受拉力的设备之间的温差、预应力筋的应力松弛、混凝土的收缩徐变和混凝土局部挤压等因素导致的预应力损失。
但是，上述某些因素存在相互影响，如混凝土收缩、徐变造成的预应力损失与钢筋应力松弛产生的预应力损失，采用先分别计算后叠加的方法尚不够完善；另外，由于列车等动载往复作用下引起的结构疲劳效应，对结构的预应力损失的影响也引起了学者的广泛关注，但当前仍处于研究初步阶段，进行疲劳导致预应力损失理论计算还不具备可能性。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的预应力混凝土框架结构预应力损失识别方法能够通过位移监测点的变形量计算预应力筋的预应力损失。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种预应力混凝土框架结构预应力损失识别方法，其包括：
S1、选取预应力混凝土框架结构中梁的设定位置作为位移监测点，并在每个位移监测点布置位移监测装置；
S2、采用有限元模型计算每个位移监测点在未发生预应力损失时的初始位移值及在设定时刻发生设定单位预应力损失量时的位移值，并采用所有位移监测点的两个位移值的差值构建预应力损失位移影响矩阵；
S3、采集预应力混凝土框架结构发生预应力损失时位移监测点处的位移变化值，并将所有的位移监测点的位移变化值整合成位移变化矩阵；
S4、预应力构件中的预应力筋在使用阶段满足线性叠加时，采用位移变化矩阵和预应力损失位移影响矩阵构建预应力损失识别矩阵计算模型；
S5、采用最小二乘法构造求解预应力损失识别矩阵的辅助函数，之后采用 MATLAB计算辅助函数的最小值得到预应力损失识别矩阵；以及
S6、采用单位预应力损失量和预应力损失识别矩阵中每根预应力筋的损失识别系数计算每个预应力钢筋的预应力损失程度。
本发明的有益效果为：本方案通过采集预应力混凝土框架结构位移监测点的位移变化，通过位移变化结合采用有限元模型计算出的位移值影响矩阵，可以得到预应力筋的预应力损失程度，通过得到的预应力损失可以探明预应力框架结构内预应力筋实际的预应力状态，通过宏观表现计算结构内部的受力状态，是一种方便、快捷、经济有效的无损检测技术。
本方案计算得到的预应力损失可以反映出预应力混凝土框架结构内预应力筋的实际预应力状态，在得知实际预应力状态后可以采用最大裂缝宽度计算公式直接计算受拉边缘混凝土的裂缝大小，之后将监测的挠度值和计算的裂缝宽度值与《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)中规定的构件挠度和裂缝限值以及结构设计的裂缝限值相比较，以快速确定出框架结构中相应预应力筋的挠度和裂缝宽度是否超过规范限值或设计值，以采取恰当的补救措施(对预应力筋采取补张、混凝土进行裂缝修复)以提高框架结构的安全性能。
附图说明
图1为预应力混凝土框架结构预应力损失识别方法的流程图。
图2为对预应力混凝土框架结构中的预应力筋进行编号后的示意图。
图3为对预应力混凝土框架结构中的位移监测点进行编号后的示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
参考图1，图1示出了预应力混凝土框架结构预应力损失识别方法的流程图；如图1所示，该方法S包括步骤S1至步骤S6。
在步骤S1中，对预应力框架结构中的预应力筋进行编号(1～m)，选取预应力混凝土框架结构中梁的设定位置作为位移监测点，并将选取的位移监测点编号(1～n)，并在每个位移监测点布置位移监测装置.
其中的位移监测点一般选取梁跨中截面，当跨度较大时，也可以取梁跨度方向1/4、1/2跨处截面作为监测位置。
在步骤S2中，采用有限元模型计算每个位移监测点在未发生预应力损失时的初始位移值及在设定时刻发生设定单位预应力损失量时的位移值，并采用所有位移监测点的两个位移值的差值构建预应力损失位移影响矩阵。
在本发明的一个实施例中，所述步骤S2进一步包括：
S21、当考虑混凝土收缩徐变影响时，采用有限元模型计算设定时刻t、预应力筋在应力为初始张拉值σcon下位移监测点的初始位移值，并将所有位移监测点的初始位移值依次排列形成初始位移列向量D0。
本方案采用的有限元软件为MIDAS GEN建立结构模型，选择的结构为某大跨单榀预应力混凝土框架模型。
S22、当考虑混凝土收缩徐变影响时，采用有限元模型计算设定时刻t、预应力筋j发生单位预应力损失量时，其余预应力筋未发生预应力损失时，所有位移监测点的位移值形成位移列矩阵Dj；
S23、依次将初始位移列向量D0与D1，D2，...，Dj，...，Dm相减，并依次排列形成一个n×m的预应力损失位移影响矩阵[C]：
cij＝di0-dij
其中，cij为编号为j的预应力筋在发生设定单位预应力损失量时，引起的位移监测点i的位移变化值，1≤i≤n，1≤j≤m；di0为预应力筋在应力为初始张拉值σcon时，编号i的位移监测点的初始位移值；dij为编号为j的预应力筋发生设定单位预应力损失量，其他预应力筋未发生预应力损失时，编号为i的位移监测点的位移值。
在步骤S3中，采集预应力混凝土框架结构发生预应力损失时位移监测点处的位移变化值，并将所有的位移监测点的位移变化值整合成位移变化矩阵。
位移变化矩阵为：
[D]＝[d1d2...di...dn]T
其中，di为预应力混凝土框架结构中第i个位移监测点在t时刻的位移变化值。
步骤S2位移值计算过程中是采用假设发生设定单位预应力损失量的情况下计算出来的，而步骤S3采集的是被监测预应力混凝土框架结构在使用过程中实际发生预应力损失时所对应的位移变化值。
在步骤S4中，预应力构件(预应力混凝土框架结构)中的预应力筋在使用阶段满足线性叠加时，采用位移变化矩阵和预应力损失位移影响矩阵构建预应力损失识别矩阵计算模型。
实施时，本方案优选所述预应力损失识别矩阵计算模型为：
[C]n×m[X]m×1＝[D]n×1
其中，[X]为预应力损失识别矩阵；[D]为设定时刻t的位移变化矩阵；[C]为设定时刻t的位移变化值构建的预应力损失位移影响矩阵；m为预应力筋总数量；n为位移监测点总数量；
其中预应力损失识别矩阵[X]为：
[X]＝[x1x2...xj...xm]T
其中，xj(j＝1，2，...，m)为在t时刻，结构中编号为j的预应力筋预应力损失识别系数。
在步骤S5中，采用最小二乘法构造求解预应力损失识别矩阵的辅助函数，之后采用MATLAB计算辅助函数的最小值得到预应力损失识别矩阵；辅助函数为：
(k＝1，2，...，m)
其中，cij为预应力筋j在发生设定单位预应力损失量时，引起的位移监测点i的位移变化值；xj为预应力混凝土框架结构中预应力筋j的预应力损失识别系数；di为预应力混凝土框架结构中第i个位移监测点在t时刻的位移变化值。
在步骤S6中，采用单位预应力损失量和预应力损失识别矩阵中每根预应力筋的损失识别系数计算每个预应力筋的预应力损失程度：
Δσlj＝xj×a％
其中，Δσlj是编号为j预应力筋的预应力损失程度，用％表示；a％为单位预应力损失量。
下面结合本方案提供的方法，设定单位预应力损失量取10％，预应力混凝土框架结构使用一年为例对预应力混凝土框架结构中预应力损失程度进行求取，其中预应力筋的编号和位移监测点的编号参考图2和图3。
在预应力混凝土框架中预应力筋预应力未发生损失时，采用有限元模型计算的初始位移值构建初始位移列向量D0：
D0＝－[28.513655 43.281027 23.652729 23.742431 39.99465 23.16899523.143922 39.941429 23.688086 24.360612 44.523637 29.280863]T
假设结构中编号为1的预应力筋预应力发生的损失为初始张拉应力10％，其他编号的预应力筋的应力为张拉控制应力，采用有限元模型计算的位移值构建位移列矩阵D1：
D1＝－[28.5722 43.4604 23.7258 23.7547 40.0026 23.1687 23.1475 39.94223.6854 24.3635 44.5232 29.2779]T
C1＝D0-D1＝[0.05856 0.1794 0.0731 -0.0122 0.008 -0.0003 0.0036 0.0006-0.0027 0.0029 0 0.0030]T
同理可得C2、C3、C4，将C1、C2、C3、C4依次排列可得预应力损失位移影响矩阵[C]：
采用位移监测装置记录位移监测点的数据，得到位移变化矩阵：
D＝[0.016 0.096 0.057 0.042 0.125 0.060 0.069 0.163 0.064 0.094 0.1860.046]T
采用最小二乘法构造求解预应力损失识别矩阵的辅助函数，之后采用 MATLAB计算辅助函数的最小值得到预应力损失识别矩阵，即 [X]＝[0.514 6.09 8.03 10.00]T，之后再根据Δσlj＝xj×a％即可计算结构中预应力筋的应力损失程度：
Δσl1＝0.514×10％＝5.14％同理Δσl2＝6.09％、Δσl3＝8.03％、Δσl4＝10.00％。
综上所述，通过本方案得到的预应力损失程度可以探明预应力框架结构内预应力筋实际的预应力状态，维护人员通过该值可以对预应力框架结构的安全进行快速评判，进而采用有效的防护措施。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.预应力混凝土框架结构预应力损失识别方法，其特征在于，包括：
S1、选取预应力混凝土框架结构中梁的设定位置作为位移监测点，并在每个位移监测点布置位移监测装置；
S2、采用有限元模型计算每个位移监测点在未发生预应力损失时的初始位移值及在设定时刻发生设定单位预应力损失量时的位移值，并采用所有位移监测点的两个位移值的差值构建预应力损失位移影响矩阵；
S3、采集预应力混凝土框架结构发生预应力损失时位移监测点处的位移变化值，并将所有的位移监测点的位移变化值整合成位移变化矩阵；
S4、预应力构件中的预应力筋在使用阶段满足线性叠加时，采用位移变化矩阵和预应力损失位移影响矩阵构建预应力损失识别矩阵计算模型；
S5、采用最小二乘法构造求解预应力损失识别矩阵的辅助函数，之后采用MATLAB计算辅助函数的最小值得到预应力损失识别矩阵；以及
S6、采用单位预应力损失量和预应力损失识别矩阵中每根预应力筋的损失识别系数计算每个预应力钢筋的预应力损失程度。
2.根据权利要求1所述的预应力混凝土框架结构预应力损失识别方法，其特征在于，所述预应力损失识别矩阵计算模型为：
[C]n×m[X]m×1＝[D]n×1
其中，[X]为预应力损失识别矩阵；[D]为设定时刻t的位移变化矩阵；[C]为设定时刻t的位移变化值构建的预应力损失位移影响矩阵；m为预应力筋总数量；n为位移监测点总数量。
3.根据权利要求2所述的预应力混凝土框架结构预应力损失识别方法，其特征在于，所述预应力损失识别矩阵为：
[X]＝[x1x2...xj...xm]T
其中，xj(j＝1，2，...，m)为在t时刻，结构中编号为j的预应力筋预应力损失识别系数；
所述位移变化矩阵为：
[D]＝[d1d2...di...dn]T
其中，di为预应力混凝土框架结构中第i个位移监测点在t时刻的位移变化值。
4.根据权利要求3所述的预应力混凝土框架结构预应力损失识别方法，其特征在于，所述预应力损失程度的计算公式为：
Δσlj＝xj×a％
其中，Δσlj是编号为j预应力筋的预应力损失程度，用％表示；a％为单位预应力损失量。
5.根据权利要求1-4任一所述的预应力混凝土框架结构预应力损失识别方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括：
S21、当考虑混凝土收缩徐变影响时，采用有限元模型计算设定时刻t、预应力筋在应力为初始张拉值σcon下位移监测点的初始位移值，并将所有位移监测点的初始位移值依次排列形成初始位移列向量D0；
S22、当考虑混凝土收缩徐变影响时，采用有限元模型计算设定时刻t、预应力筋j发生设定单位预应力损失量时，其余预应力筋未发生预应力损失时，所有位移监测点的位移值形成位移列矩阵Dj，其中；
S23、依次将初始位移列向量D0与D1，D2，...，Dj，...，Dm相减，并依次排列形成一个n×m的预应力损失位移影响矩阵[C]：
cij＝di0-dij
其中，cij为编号为j的预应力筋在发生设定单位预应力损失量时，引起的位移监测点i的位移变化值，1≤i≤n，1≤j≤m；di0为预应力筋在应力为初始张拉值σcon时，编号i的位移监测点的初始位移值；dij为编号为j的预应力筋发生设定单位预应力损失量，其他预应力筋未发生预应力损失时，编号为i的位移监测点的位移值。
6.根据权利要求1-4任一所述的基预应力混凝土框架结构预应力损失识别方法，其特征在于，所述辅助函数为：
其中，cij为预应力筋j在发生设定单位预应力损失量时，引起的位移监测点i的位移变化值；xj为预应力混凝土框架结构中预应力筋j预应力损失识别系数；di为预应力混凝土框架结构中第i个位移监测点在t时刻的位移变化值。
7.根据权利要求1-4任一所述的基预应力混凝土框架结构预应力损失识别方法，其特征在于，所述设定位置为梁跨度方向1/4、1/2跨处截面。
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