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        預(yù)應(yīng)力鋼梁在高溫(火災(zāi))環(huán)境下的力學(xué)特性分析

        2016-06-26 11:10:44劉冬駿周麗君
        關(guān)鍵詞:拉索鋼梁撓度

        劉冬駿,周麗君,田 偉

        (安徽建筑大學(xué) 土木學(xué)院,安徽 合肥 230601)

        預(yù)應(yīng)力鋼梁在高溫(火災(zāi))環(huán)境下的力學(xué)特性分析

        劉冬駿,周麗君,田 偉

        (安徽建筑大學(xué) 土木學(xué)院,安徽 合肥 230601)

        隨著預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用其抗火性能的研究越發(fā)迫切,本文分析了高溫下鋼梁的預(yù)應(yīng)力損失類型和大小,同時采用有限元分析軟件研究預(yù)應(yīng)力鋼梁在高溫條件下一定時間內(nèi)構(gòu)件的溫度分布及其隨時間發(fā)展規(guī)律,并且在熱分析的基礎(chǔ)上對構(gòu)件熱力效應(yīng)分析,從而進一步探索預(yù)應(yīng)力鋼梁在高溫條件下?lián)p傷機理.

        預(yù)應(yīng)力鋼梁;有限元分析;撓度;熱力效應(yīng)

        隨著工程技術(shù)進步和人們對工作及生活環(huán)境要求的提高,預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)近年來得到了快速發(fā)展,它不但節(jié)省材料而且受力合理,故被廣泛應(yīng)用于各類大跨度空間結(jié)構(gòu)工程中,其中預(yù)應(yīng)力鋼梁便是預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)體系中一種最典型的構(gòu)件形式[1~3].但眾所周知鋼材耐火性能差,高溫環(huán)境下其物理和力學(xué)性能會發(fā)生顯著改變,且預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)多屬 無 粘 結(jié) 預(yù) 應(yīng) 力 體 系[4],鋼 索 得 不 到 充 分 保 護 ,故 正 常 工 作時蘊含龐大內(nèi)部能量的預(yù)應(yīng)力鋼粱一旦受到火災(zāi)作用,很可 能 因 材 性 變 化 或 內(nèi) 力 發(fā) 生 重 新 分 布 而 破 壞[5~7],因 此 本 文對一種常用的預(yù)應(yīng)力鋼梁進行了高溫下的數(shù)值模擬計算,希望為今后的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一定參考

        1 預(yù)應(yīng)力鋼梁模型熱分析

        本文模型選取拉索預(yù)應(yīng)力鋼梁跨長 l=18m,A=212.4cm2(截面如圖 1,工況如圖 2 所示),全粱按均布荷載分布,永久荷載為 qd=32kN/m,可變荷載為 q1=22kN/m,鋼材采用 Q235,采用 90 5 高強鋼絲,A3=17.64m2,f3=770MPa,E1=E2=2.07× 105MPa,實際預(yù)張力 xk=935kN,拉索中心到截面重心的距離e=81cm,錨具壓實總量 △a=2mm,不考慮超欠載系數(shù),即 γT取 1.0,支承形式為一端固定一端鉸支.

        受火工況:考慮在真實火災(zāi)中,粱的上翼緣往往有樓板的覆蓋保護,通常情況下梁為三面受火,即底部翼緣和兩側(cè)腹板受到火作用,基于 ISO834 標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線,受火時間為720S.進行熱力分析,可得到截面不同時刻溫度變化云圖,如圖3.

        圖1 構(gòu)件截面尺寸示意圖

        圖2 構(gòu)件工況示意圖

        圖3 構(gòu)件熱效應(yīng)下節(jié)點溫度應(yīng)力云圖

        圖4 荷載作用下Y方向的位移云圖

        2 預(yù)應(yīng)力鋼梁模型的熱力耦合分析

        2.1 建模過程中對預(yù)應(yīng)力拉索的處理

        對比拉索預(yù)應(yīng)力鋼梁與非預(yù)應(yīng)力鋼梁,前者優(yōu)勢之處就在與通過拉索產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力使結(jié)構(gòu)發(fā)生了反向撓曲,更提高了構(gòu)件的剛度以及對材料強度的利用率,本文在建模過程中對拉索采取等效荷載法處理,用一對等效荷載代替預(yù)應(yīng)力拉索的作用,即預(yù)應(yīng)力用理論推導(dǎo)得出的一對實際張拉控制力代替,采用此法的好處是在熱力效應(yīng)分析階段對單元選取沒有制約,劃分網(wǎng)格也較為方便,更不用考慮拉索所處的詳細位置[8~9].

        本例中等效力應(yīng)為構(gòu)件中實際作用的張拉張拉控制力,即

        式中:N—實際張拉控制力;Xk—為實際張拉的控制內(nèi)力;Xl—構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力損失;xmT—考慮高溫影響的張拉過程中因錨具壓實而產(chǎn)生的損失;xsT—考慮高溫影響的張拉錨固后由于索長繼續(xù)增加導(dǎo)致松弛產(chǎn)生的損失;l—拉索長度;A1—拉索的截面面積;△a—錨具壓實總量;E1T—考慮溫度影響的拉索材料的彈性模量;fptk—拉索材料抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值.

        2.2 構(gòu)件熱力耦合分析計算結(jié)果

        針對模型進行力學(xué)分析,可以得到隨時間變化各溫度荷載下 Y 方向的位移云圖如圖 4 所示. 當(dāng)火場作用 120S時,預(yù)應(yīng)力鋼梁達到的撓度最大值為 5.7×10-3m;到了 240S時刻,構(gòu)件撓度所達到最大值為 11.5×10-3m,當(dāng)構(gòu)件在火場中受到 360S 的作用時,構(gòu)件的橫向最大位移為 17.3× 10-3m;在 480S 時刻構(gòu)件撓度最大可達 23.2×10-3m;600S 時預(yù)應(yīng)力拉索鋼梁橫向位移可達 29.2×10-3m;當(dāng)時間為 720S時,構(gòu)件撓度最大值最終達到極限位移 35.2×10-3m,而構(gòu)件允許撓度為 L/250=7.2×10-3m,即當(dāng)火場作用到 2~4 分鐘之間某個時點時,構(gòu)件已不再滿足正常使用極限狀態(tài).

        表2 受火構(gòu)件不同位置處隨時間變化的撓度值(撓度,m)

        下面分別選取距離鉸支座分別為 3m,4.5m,6m,7.5m,9m 處的各點,從后處理導(dǎo)出的 LIS 文件中可以得到受火構(gòu)件不同位置處隨時間變化的撓度值如表2所示.

        2.3 預(yù)應(yīng)力鋼梁熱力耦合作用下的撓度分析

        本文通過有限元程序?qū)Τ惺芫己奢d并且一端固定一端鉸支的拉索預(yù)應(yīng)力鋼梁在高溫下的撓度計算,得到不同時刻的構(gòu)件撓度值,表 2已將高溫(火災(zāi))條件下預(yù)應(yīng)力鋼梁分別距離鉸支座為 3m,4.5m,6m,7.5m,9m 處不同時間的撓度值列表給出,從表中可以看到在選取的若干位置中靠近支座位置的橫向位移最小,而橫向位移最大的位置并不是跨中即 9m 處,而是出現(xiàn)在 7.5m 處,這是由于構(gòu)件兩端布置的不同支座對構(gòu)件變形的約束不同導(dǎo)致,即撓度最大位置離鉸支座較近,而離固定支座較遠,同時我們可以發(fā)現(xiàn)隨著火場作用時間的發(fā)展,不同位置處的橫向位移差值也是逐漸增大的,例如當(dāng)火場作用了 240S 時,構(gòu)件跨中處的橫向位移比距鉸支座 3m 處的橫向位移大將近 0.28m, 而 480s時,兩不同位置處的橫向位移差值達到約為 0.55m,由此可見越靠近最大撓度位置,預(yù)應(yīng)力鋼梁在該點的橫向位移隨溫度的變化率越大,即變化速率 7.5m>9m>6m>4.5m>3m.

        3 小結(jié)

        由以上分析可以得到如下結(jié)論和建議:

        (1)預(yù)應(yīng)力拉索鋼梁在高溫環(huán)境下的預(yù)應(yīng)力損失是隨溫度升高迅速增大的,但升溫各階段預(yù)應(yīng)力損失程度不同,因此預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)更應(yīng)做好相應(yīng)防火保護工作;

        (2)隨著溫度增長拉索預(yù)應(yīng)力鋼梁彎穩(wěn)定承載能力降低,構(gòu)件撓度也進一步加大,力學(xué)特性變化與高溫下結(jié)構(gòu)鋼強度變化趨勢相似,可推定高溫引起材料強度下降是影響構(gòu)件力學(xué)特性的主要因素;

        (3)通過提高張拉控制力大小,可一定程度上達到提高承載力和減小構(gòu)件撓度的作用,但在相同溫度條件下構(gòu)件的張拉控制力越大,對應(yīng)的預(yù)應(yīng)力損失也相應(yīng)越大,故實際工程中不可盲目提高構(gòu)件設(shè)計張拉控制力;

        〔1〕 陸 賜 麟 .預(yù) 應(yīng) 力 鋼 結(jié) 構(gòu) 發(fā) 展 50 年 (1)[J].鋼 結(jié) 構(gòu) ,2002(4):32-36.

        〔2〕賀晗.鋼結(jié)構(gòu)的抗火研究概述[J].鋼結(jié)構(gòu),2009,24(126):80-83.

        〔3〕余鋒波.環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼屋蓋火災(zāi)響應(yīng)溫度的數(shù)值分析[J].鋼結(jié)構(gòu),2010(s):282-286.

        〔4〕G.LENOI.Vibration of beams prestressed by internal frictionlesscables,JournalofSound and Vibration, 1999,222(1),1-18.

        〔5〕H.NORIAKY.Excitation of arch and suspension bridges by subwires,Shock and Vibration,1993,1(3):59-64.

        〔6〕L.CHUNG.Experimentson active controlofsimic structures,American Society of Civil Engineers Journal of Engineering Mechanics 1988,114(5):241-256.

        〔7〕M.SAIIDI.Prestress force effect on vibration frequency of concrete bridges American Society of Civil Engineers Journal of Structural Engineering,1995,120(5):2233-2241.

        〔8〕G.LENOI.Numerical analysis of thin walled beams with internal unbonded cables by the Ritz method,International Journal of Solids and Structures,1997,35(6):51-67.

        〔9〕陸賜 麟.預(yù)應(yīng)力鋼 結(jié) 構(gòu)基本理 論 及方 法[J].鋼 結(jié)構(gòu) ,1998(2):52-59.

        TU311

        :A

        :1673-260X(2016)02-0034-02

        2015 年 11 月 23 日

        國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(2012CB719703),安徽高校省級自然科學(xué)研究重大項目(KJ2014ZD06),安徽省自然科學(xué)基金(1408085QE96)

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