CN113094844A - 预应力钢结构施工过程有限元仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种预应力钢结构施工过程有限元仿真方法，采用分析模型处理，梁构件采用梁单元；桁架杆件采用桁架单元；拉索和钢拉杆采用仅受拉的索单元；同时考虑材料特性、荷载条件、边界条件、温度效应等因素。本发明方便、效果好，有效保证施工质量。

Description

预应力钢结构施工过程有限元仿真方法
技术领域
本发明涉及一种预应力钢结构施工过程有限元仿真方法。
背景技术
施工仿真计算实际上是预应力钢结构施工方案中及其重要的工作。因为施工过程会使结构径历不同的初始几何态和预应力态，这样实际施工过程必须和结构设计初衷吻合，加载方式、加载拉序及加载量级应充分考虑，且在实际施工中严格遵守。理论上将概念迥异的两个阶段或两个状态分别称为初始几何态和预应力态，这两个状态的分析理论和方法是不同的。在施工中严格地组织施工顺序，确定加载、提升方式，准确实施加载量、提升量等是必要的。
现有工程中的施工仿真方法复杂，效果不理想，需要进一步加以改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种方便、效果好，有效保证施工质量的预应力钢结构施工过程有限元仿真方法。
本发明的技术解决方案是：
一种预应力钢结构施工过程有限元仿真方法，其特征是：采用分析模型处理：
（1）分析软件
采用通用有限元设计软件，施工阶段采用非线性累加模型；
（2）单元类型：
梁构件采用梁单元；桁架杆件采用桁架单元；拉索和钢拉杆采用仅受拉的索单元；
（3）材料特性：
钢材弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3，温度膨胀系数为1.2×10-5；拉索弹性模量为1.6×105MPa，泊松比为0.3，温度膨胀系数为1.2×10-5；
（4）荷载条件：
根据施工过程考虑结构自重，自重系数取1.2，钢桁架加工制作及合拢时的温度效应，拉索的初始张拉力为1200kN；
（5）边界条件：
支撑胎架采用节点弹性支承，并对照现场实际情况布置支撑位置。支座卸载落架前结构支撑在滑移钢轨上采用多折线性节点弹性支撑，按照此种设置可以考虑到滑移支座和滑轨之间的20mm的空隙，且通过变换节点坐标系来考虑斜支座的影响；支座卸载落架后焊接球支座后结构采用铰支座。
有限元仿真时，考虑施工过程中三个阶段的温度效应：
（1）钢桁架加工制作及合拢时的温度效应；
（2）滑移前第一次张拉时的温度效应；
（3）二次力值调整时的温度效应；
这三个温度效应的技术处理方法如下：
钢桁架加工制作及合拢时的温度效应：
设加工温度为T1=20℃，在秋冬时节合拢，合拢时的温度为T2=15℃。这样加工制作时的温度为软件系统默认温度，合拢时考虑降温△T1=-5℃；
滑移前第一次张拉是的温度效应：
设张拉时和合拢时的温差为-2.5℃，则增加温差荷载步为△T2=-2.5℃；
二次力值调整时的温度效应：
根据二次力值调整时实施温度，考虑温度荷载步为△T3=-2.5℃。
有限元仿真时，设定支座及约束条件：
支撑架与桁架之间的连接及桁架拼接过程中布置缆风绳确保各向稳定，因此在仿真计算模型中，支撑架与桁架之间采用三自由度约束，其中竖向（Z）为仅受压约束，水平（X、Y）向为单向铰约束；
桁架支座的斜向约束，支座偏斜角度15°，滑移之前仅约束单向自由度，且支座与滑轨之间的缝隙沿跨向为±20mm；滑移结束卸载后，在二次力值调整前采用三自由度约束。
本发明方便、效果好，有效保证施工质量；充分验证张拉方案的可行性，确保张拉过程的安全；可给出张拉的应力及变形情况，为实际张拉时的张拉力值的确定提供理论依据；给出张拉结构的变形及应力分布，为张拉过程中的变形及应力监测提供理论依据；可根据计算出来的张拉力的大小，选择合适的张拉机具，并设计合理的张拉工装；可用于确定合理的张拉顺序。
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
一种预应力钢结构施工过程有限元仿真方法，采用分析模型处理：
（1）分析软件
采用通用有限元设计软件，施工阶段采用非线性累加模型；
（2）单元类型：
梁构件采用梁单元；桁架杆件采用桁架单元；拉索和钢拉杆采用仅受拉的索单元；
（3）材料特性：
钢材弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3，温度膨胀系数为1.2×10-5；拉索弹性模量为1.6×105MPa，泊松比为0.3，温度膨胀系数为1.2×10-5；
（4）荷载条件：
根据施工过程考虑结构自重，自重系数取1.2，钢桁架加工制作及合拢时的温度效应，拉索的初始张拉力为1200kN；
（5）边界条件：
支撑胎架采用节点弹性支承，并对照现场实际情况布置支撑位置。支座卸载落架前结构支撑在滑移钢轨上采用多折线性节点弹性支撑，按照此种设置可以考虑到滑移支座和滑轨之间的20mm的空隙，且通过变换节点坐标系来考虑斜支座的影响；支座卸载落架后焊接球支座后结构采用铰支座。
有限元仿真时，考虑施工过程中三个阶段的温度效应：
（1）钢桁架加工制作及合拢时的温度效应；
（2）滑移前第一次张拉时的温度效应；
（3）二次力值调整时的温度效应；
这三个温度效应的技术处理方法如下：
钢桁架加工制作及合拢时的温度效应：
设加工温度为T1=20℃，在秋冬时节合拢，合拢时的温度为T2=15℃。这样加工制作时的温度为软件系统默认温度，合拢时考虑降温△T1=-5℃；
滑移前第一次张拉是的温度效应：
设张拉时和合拢时的温差为-2.5℃，则增加温差荷载步为△T2=-2.5℃；
二次力值调整时的温度效应：
根据二次力值调整时实施温度，考虑温度荷载步为△T3=-2.5℃。
有限元仿真时，设定支座及约束条件：
支撑架与桁架之间的连接及桁架拼接过程中布置缆风绳确保各向稳定，因此在仿真计算模型中，支撑架与桁架之间采用三自由度约束，其中竖向（Z）为仅受压约束，水平（X、Y）向为单向铰约束；
桁架支座的斜向约束，支座偏斜角度15°，滑移之前仅约束单向自由度，且支座与滑轨之间的缝隙沿跨向为±20mm；滑移结束卸载后，在二次力值调整前采用三自由度约束。

Claims (3)

1.一种预应力钢结构施工过程有限元仿真方法，其特征是：采用分析模型处理：
（1）分析软件
采用通用有限元设计软件，施工阶段采用非线性累加模型；
（2）单元类型：
梁构件采用梁单元；桁架杆件采用桁架单元；拉索和钢拉杆采用仅受拉的索单元；
（3）材料特性：
钢材弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3，温度膨胀系数为1.2×10-5；拉索弹性模量为1.6×105MPa，泊松比为0.3，温度膨胀系数为1.2×10-5；
（4）荷载条件：
根据施工过程考虑结构自重，自重系数取1.2，钢桁架加工制作及合拢时的温度效应，拉索的初始张拉力为1200kN；
（5）边界条件：
支撑胎架采用节点弹性支承，并对照现场实际情况布置支撑位置；支座卸载落架前结构支撑在滑移钢轨上采用多折线性节点弹性支撑，按照此种设置可以考虑到滑移支座和滑轨之间的20mm的空隙，且通过变换节点坐标系来考虑斜支座的影响；支座卸载落架后焊接球支座后结构采用铰支座。
2.根据权利要求1所述的预应力钢结构施工过程有限元仿真方法，其特征是：有限元仿真时，考虑施工过程中三个阶段的温度效应：
（1）钢桁架加工制作及合拢时的温度效应；
（2）滑移前第一次张拉时的温度效应；
（3）二次力值调整时的温度效应；
这三个温度效应的技术处理方法如下：
钢桁架加工制作及合拢时的温度效应：
设加工温度为T1=20℃，在秋冬时节合拢，合拢时的温度为T2=15℃；这样加工制作时的温度为软件系统默认温度，合拢时考虑降温△T1=-5℃；
滑移前第一次张拉是的温度效应：
设张拉时和合拢时的温差为-2.5℃，则增加温差荷载步为△T2=-2.5℃；
二次力值调整时的温度效应：
根据二次力值调整时实施温度，考虑温度荷载步为△T3=-2.5℃。
3.根据权利要求1所述的预应力钢结构施工过程有限元仿真方法，其特征是：有限元仿真时，设定支座及约束条件：
支撑架与桁架之间的连接及桁架拼接过程中布置缆风绳确保各向稳定，因此在仿真计算模型中，支撑架与桁架之间采用三自由度约束，其中竖向为仅受压约束，水平向为单向铰约束；
桁架支座的斜向约束，支座偏斜角度15°，滑移之前仅约束单向自由度，且支座与滑轨之间的缝隙沿跨向为±20mm；滑移结束卸载后，在二次力值调整前采用三自由度约束。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116556692A (zh) * 2023-07-11 2023-08-08 中铁建工集团有限公司 一种三联跨拱桁架的滑移施工方法
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