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1托換結(jié)構(gòu)有限元模型

實際工程托換結(jié)構(gòu)中，預(yù)應(yīng)力托換梁采用C40混凝土，抗壓強(qiáng)度為26.8MPa，彈性模量為3.25GPa。非預(yù)應(yīng)力托換梁采用C30混凝土，抗壓強(qiáng)度采用20.1MPa，彈性模量3GPa。鋼筋采用HRB400鋼筋，屈服強(qiáng)度實測值為465MPa。混凝土本構(gòu)關(guān)系采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》附錄C建議的本構(gòu)關(guān)系，鋼筋采用雙折線本構(gòu)關(guān)系。預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉控制應(yīng)力為1395MPa，考慮預(yù)應(yīng)力的摩擦損失σl2、鋼筋松弛損失σl4和混凝土的收縮徐變損失σl5，最終預(yù)應(yīng)力筋的實際預(yù)應(yīng)力為843MPa。采用ANSYS軟件建立托換結(jié)構(gòu)的實體模型，建模選用單元類型為solid65單元、link8單元和solid45單元。主要研究對象為下部托換結(jié)構(gòu)，只建立托換結(jié)構(gòu)的實體有限元模型，上部塔體簡化為均布荷載施加在托換結(jié)構(gòu)上。有限元模型中預(yù)應(yīng)力梁、非預(yù)應(yīng)力梁和托換底座筏板混凝土均采用solid65單元用來模擬，鋼筋混凝土采用整體式模型，非預(yù)應(yīng)力鋼筋彌散在混凝土單元中。預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用link8單元模擬，預(yù)應(yīng)力通過降溫法施加。在邊托梁下設(shè)置鋼滾軸，作為托換結(jié)構(gòu)的支座。邊托梁下部鋼滾軸采用solid45單元模擬，鋼滾軸與托換邊梁之間的連接方式采用剛性連接，模型采用自由網(wǎng)格劃分，施加在托換結(jié)構(gòu)上的荷載主要是上部的塔體自重、混凝土護(hù)筒自重和托換結(jié)構(gòu)自重。其中上部結(jié)構(gòu)自重按照均布荷載施加在托換結(jié)構(gòu)筏板頂面，三階混凝土護(hù)筒下的等效均布荷載分別為:第一階護(hù)筒下荷載73.5×10－3MPa，第二階護(hù)筒下荷載49×10－3MPa，第三階護(hù)筒下荷載為26.95×10－3MPa。托換結(jié)構(gòu)自重荷載通過施加重力加速度得到，托換結(jié)構(gòu)總重量為2.42×105kg，重力加速度取為9.8N/kg。托換結(jié)構(gòu)邊托梁下部以200mm等間距布置直徑為100mm的鋼滾軸，有限元計算時將邊托梁下部的鋼滾軸作為托換結(jié)構(gòu)的豎向支座，為托換結(jié)構(gòu)提供豎向約束。為確保上部結(jié)構(gòu)的安全，使平移工程中托換結(jié)構(gòu)具有足夠的安全儲備。文中以托換結(jié)構(gòu)混凝土開裂作為極限狀態(tài)，對托換結(jié)構(gòu)的混凝土開裂前安全儲備進(jìn)行了分析。在分析中，由于預(yù)應(yīng)力托換梁承受大部分的上部荷載，預(yù)應(yīng)力托換梁會比非預(yù)應(yīng)力托換梁開裂早。分析中將預(yù)應(yīng)力托換梁的開裂荷載作為托換結(jié)構(gòu)的承載力極限荷載。分析中采用的方法是通過在有限元模型加載面上逐級增加荷載，直到托換結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力托換梁開裂。為保證托換結(jié)構(gòu)在平移過程中不發(fā)生開裂。

2計算結(jié)果和分析

在計算過程中當(dāng)荷載施加到475.01×10－3MPa時，預(yù)應(yīng)力托換梁跨中最大拉應(yīng)力達(dá)到混凝土抗拉強(qiáng)度2.39MPa，當(dāng)再施加下一荷載子步時，托換結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力托換梁混凝土開裂，出現(xiàn)了拉應(yīng)力釋放現(xiàn)象。這說明托換結(jié)構(gòu)的開裂荷載為475.01×10－3MPa，此開裂荷載即為托換結(jié)構(gòu)的承載力極限荷載，極限荷載對應(yīng)的上部結(jié)構(gòu)自重為490t。文中研究的古塔平移工程中設(shè)計的托換結(jié)構(gòu)承載能力安全儲備系數(shù)為1.58。托換結(jié)構(gòu)的承載力安全儲備系數(shù)的評判標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)今還沒有一個明確的標(biāo)準(zhǔn)，文中參考規(guī)范中采用的單一安全系數(shù)法和《預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工》一書中預(yù)應(yīng)力受彎構(gòu)件的安全系數(shù)，考慮托換結(jié)構(gòu)是臨時結(jié)構(gòu)只在平移施工過程中起作用。文中分析過程中，將托換結(jié)構(gòu)的承載力安全儲備系數(shù)安全值定義為1.5。托換結(jié)構(gòu)的承載力安全儲備系數(shù)為1.58，大于定義的安全儲備系數(shù)1.5。說明托換結(jié)構(gòu)具有足夠的承載力安全儲備，能夠抵抗平移施工過程中可能出現(xiàn)的超載或其他不利的狀況，為古塔的平移施工提供一定的安全保證。

3結(jié)語

文中通過對某古塔平移工程中托換結(jié)構(gòu)的承載力安全儲備進(jìn)行有限元分析，得出以下結(jié)論。托換結(jié)構(gòu)的開裂前安全儲備系數(shù)為1.58，大于按照單一安全系數(shù)法確定的預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的安全系數(shù)允許值1.5。設(shè)計的托換結(jié)構(gòu)滿足安全性要求，且具有足夠的安全儲備，當(dāng)實際施工時出現(xiàn)超載時，不會對上部結(jié)構(gòu)安全造成很大的影響。

作者：任文單位：天津大學(xué)建筑工程學(xué)院