升船机塔柱钢筋混凝土横梁裂缝开展的非线性分析.pdf
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1、第3 0 卷 第 1 2期 2 0 1 3年 1 2月 长江科学院 院报 J o u r n a l o f Ya n g t z e R i v e r S de n t i l i c Re s e a r c h I n s t i t u t e Vo 1 3 O No 1 2 De c 2 0 1 3 DO I : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 5 4 8 5 2 0 1 3 1 2 0 2 0 2 0 1 3 , 3 0 ( 1 2 ) : 1 0 71 1 1 升船机塔柱钢筋混凝土横梁裂缝开展的非线性分析 谢小玲 ,陈琴 。 苏海东 。 龚亚琦 (
2、长江科学院 a 材料与结构研究所;b 水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心 , 武汉4 3 0 0 1 0 ) 摘要: 某升船机塔柱的顶部横向联系梁的梁系结构复杂, 跨度大, 所受荷载大, 其横梁的主拉应力远超过混凝土的抗 拉强度标准值, 不可避免地会出现开裂现象。针对该塔柱顶部横梁的宽槽施工方案, 采用钢筋混凝土开裂的材料非 线性有限元方法以及子模型技术, 分析横梁裂缝的分布、 发展、 变化规律, 复核最不利工况下的裂缝宽度是否满足设 计要求。计算中按照横梁一端先简支后固支的施工顺序, 模拟宽槽 回填施工过程, 考虑宽槽回填前横梁与牛腿之间 的接触滑移。根据分析结果提出了钢筋布置优化措
3、施, 以及施工缝布置改进措施, 研究成果可供类似工程参考。 关键词: 升船机塔柱 ; 横梁; 钢筋混凝土; 开裂非线性 ; 有限元分析 中图分类号: T V 3 3 2 1 2 文献标志码: A 文章编号: 1 0 0 1 5 4 8 5 ( 2 0 1 3 ) 1 2 0 1 0 7 0 7 针对水 电、 土木工程 中钢筋混凝 土不可避免 的 裂缝 问题 , 国内诸多学者和工程技术人员就其研究 方法、 裂缝产生原 因、 裂缝分布 以及发展等进行了不 少研究 J , 从二维到三维 , 方法越来越成熟 , 精度 越来越高。文献 6 的计算模型与试验模型的对比 表明, 不仅裂缝分布相 同, 而且起
4、裂荷载也一致 , 说 明所采用的钢筋混凝土开裂非线性计算的数值模型 是合适的, 其精度也能满足实际工程的要求。 某升船机塔柱的顶部联系梁 系结构复杂 , 所受 荷载大, 其横梁主拉应力远超过混凝土的抗拉强度 标准值 , 不可避免地会出现混凝土开裂现象 。为此 , 在该 塔 柱联 系 梁 配筋 设 计 的基 础 上 , 借 鉴 文 献 6 的方法 和技术 , 对横梁进行 钢筋混凝 土开裂 非线性计算 , 分析裂缝的分布 、 宽度 以及随荷载施加 过程的变化规律 , 复核最不利工况下的横梁裂缝宽 度是 1 结构特点 塔柱结构高 1 4 8 m, 最薄壁厚1 0 m, 为高耸的 钢筋混凝土薄壁承重结
5、 构 , 如图 1所示。4个塔柱 在水平面内呈双重对称布置 , 通过纵 向联系梁 ( 简 称纵梁) 、 剪力墙 以及顶部横 向联系梁 ( 简称横梁 ) 连接成整体 ; 连接左 、 右塔柱的顶部横向联系梁系由 横梁、 基础大梁、 大纵梁等组成 , 其中, 中央控制室平 台下的横梁 ( 编号为 HL 1 01和 H L 1 02 ) 支承在 与简体横墙相连的大纵梁上 , 并延伸至齿条墙 , 相对 于其他横梁而言跨度更大 。 2 研究思路 为了避免温度裂缝 , 横梁采用一端先简支后 固 ,即横梁施工 时一端先预 留1 2 m后 ( a ) 塔柱结构平面布置 ( b ) 1 , 2 塔柱( 下游) 结
6、构 ( c ) 顶部结构局部放大 ( d 联系梁的布置及横梁编号 ( 距顶部2 0 m范围) 注: 深色为纵、横向联系梁 图1 升船机塔柱结构及其细部构造 F i g 1 M o d e l o f s h i p l i f t t o we r a n d t h e d e t a i l e d s t r u c t u r e 收稿 日期 : 2 o 1 3 0 52 4: 修 回日期 : 2 0 1 3 0 7 0 9 作者简介: 谢小玲( 1 9 5 9 一) , 女, 广东潮汕人, 高级工程师, 主要从事水工结构的研究工作, ( 电话) 0 2 7 8 2 8 2 9 7 5
7、 4 ( 电子信箱) x i e x i a o l i n g o l 1 6 3 t o m。 长 江科 学院 院报 2 0 1 3生 浇带 ( 简称宽槽 , 见图 1 ) , 待顶部厂房浇筑完成 , 厂 房永久荷载施加后回填 。由于简支一端的横梁是搁 在其支撑牛腿上 的( 梁与牛腿之 间设钢垫片 , 可 以 相对滑动 ) , 横梁与牛腿之间有接触滑移 , 必须按接 触非线性问题考虑, 因此, 在横梁的钢筋混凝土开裂 分析中还包含横梁与牛腿的接触非线性分析。 塔柱配筋设 计阶段 的有 限元计算 中, 1 2塔柱 结构模型的网格节 点总数接 近3 0万 , 为加载弯矩 、 扭矩埋人 的板单元
8、使模型 自由度达到 1 8 0万左右; 钢筋混凝土开裂非线性计算 , 对 网格密度要求高 , 横 梁网格将加密至原有 网格的数倍 , 荷载加载步数也 需要进一步细化 , 因此 , 必须采用子模型技术。 3 研 究方法 3 1 钢筋混凝土材料非线性分析方法 计算采用 MA R C软件, 混凝土采用弹塑性模型, 考虑混凝土拉伸开裂、 裂缝闭合、 拉伸软化、 压缩塑性 屈服的材料特性 , 钢筋按线弹性材料考虑。 混凝土开裂后, 其承载能力不会立即丧失, 而是 有一个逐渐变化 的过程, 这种现象称为拉伸软化现 象, 其数学模型如 图 2所示。图 2中 为抗拉强度 ( 本文取标准值) , 为相应于抗拉强
9、度时的应变。 裂缝采用分布模型 , 开裂面的剪力传递通过定义 残留抗剪系数确定, 混凝土的压缩塑性采用 D r u c k e r - P r a g e r 屈服钢筋采用分离 式杆单元模型 , MA R C软 件可 以将 分离式 钢筋杆 单元通 过埋入方 式嵌入 土 鼍 , 图 2拉 伸 应 力 一 应 变 关 系 线 混 凝 土 单 元 位 移 协 调 原一 Fi g 2 Re l 8 t i 0n p 0f 。 则 , 分别求 出混凝土和钢c 0 n c r e t e , s t e I l s i 0 n s t r e s s s t r a j n 筋对单元 刚度矩 阵的贡 献
10、, 然后组合求得综合单 元刚度矩阵。 3 2 接 触 非 线 性 分 析 方 法 宽槽 回填前, 搁在牛 图3 横梁与牛腿示意图 腿上 的横 梁与牛腿 之 间F i g 3 S c h e ma t i c d i a g r a m 可以滑动( 见图 3 ) , 其接o f c r o s s b e a m a n d b r a c k e t 触计算采用 M A R C软件, 并基于直接约束的接触迭 代算法。该算法对接触 的描述精度高 , 不需要增加 特殊的界面单元, 两接触体的网格可以相互独立。 3 3子模型校核 基于圣维南原理的子模型方法 , 又称切割边界位 移法。根据圣维南原理
11、, 所切割的边界相对于研究区 域不能太近, 否则会影响计算结果。因此, 在开裂非 线性计算之前 , 进行子模型与大模型的横梁应力 ( 均 考虑横梁与牛腿之间的接触非线性 ) 对 比, 验证子模 型的选取范 围是否合适, 校核切割边界位移是否正 确。非线性分析与荷载路径密切相关 , 因此 , 子模型 验证必须按整体模型计算的荷载施加顺序进行 , 并对 每一个加载步进行校核。子模型选取范围验证 中, 分 别对距顶部 8 , 1 5 , 2 0 i n的子模型的 H L 1 02横梁应 力与整体模型计算结果进行 比较, 当子模型取到距顶 部约 2 0 i n范围时, H L 1 0 2横梁应力才与整
12、体模 型 计算结果基本吻合( 见图4 ) , 由此确定开裂非线性计 算的子模型取到距顶部约 2 0 m的范围( 见图 1 ( C ) ) 。 梁轴线坐标 夺一 整体模型加载步1 一横梁底部应力 +一 子模型加载步1 横梁底部应力 0一 整体模型加载步3 一横梁底部应力 一子模型加载步3 横梁底部应力 o一 整体模型加载步7 一横梁底部应力 +一 子模型加载步7 横梁底部应力 *一 整体模型加载步1 一横梁顶部应力 子模型加载步1 一横梁顶部应力 -_- 整体模型加载步3 一横梁顶部应力一 一 子模型加载步3 一横梁顶部应力 *一 整体模型加载步7 一横梁顶部应力 一 子模型加载步7 一横梁顶部
13、应力 图 4距顶部 2 0 m 范 围子模型与整体模型 的 HL 1 0 2横梁应力比较 Fi g 4 Co mpa r i s o n o f t he s t r e s s o f c r o s s be a m HL1 02 b e t we e n t h e s u b m o d e l wi t h i n 2 0m t 0 t h e t o p a nd t he o ve r al l mo de l 4 计算模型及计算参数 原整体模型 的网格尺寸一般在 1 1T I 以上 , 横梁 ( 高2 7 5 , 宽 1 m) 网格最小尺寸约0 5 1T I , 子模型的横 梁
14、网格加密后 , 网格最小尺寸为0 1 2 5 n l ( 见图 5 ) , 模 型节点总数约 2 0 万个, 单元总数 1 5 5 2 0 2个, 其中, 钢 筋单元 5 5 6 1 6个。 横梁的钢筋布置如图6所示 , 计算模型中基本上 按照一根钢筋单元嵌入一个混凝土单元来考虑。加 密后的横梁与其周围构件( 基础大梁、 平台板等) 的不 匹配网格采取粘接技术处理 ; 宽槽 回填采用单元生死 技术。 塔柱顶部联系梁系混凝土强度等级为 C 3 5 , 其抗 拉强度标准值为2 2 N m m ; 墙体 、 纵梁 以及平台板 的混凝 土强度 等级 为 C 3 0 ; 横 梁钢 筋 弹性模 量 为 2
15、 1 X 1 0 N mm l 1 O 长 江科学 院院报 2 0 1 3丘 圜誊 蛋 ( 厂房浇筑6 0 ) ( 厂房浇筑完成) ( a 1 跨中截面裂缝分布 ( b ) 钢筋布置 一 加载步 1 梁 自重 一 加载步2 增加平台板 重 一 加载步3 厂房浇筑6 0 加载步3 厂房浇筑完成 一 加载步4 增加厂房永久荷载 o 一 加载步6 增加厂房活荷载 十一加载步7 增加设备荷载 。 。 。 。 L 。 。 。 。 一U UU 4 0 3 0 2 O 1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 O 6 0 7 O 8 O 9 0 l O 01 1 0l 2 O 钢筋应力 ( y m m
16、 。 ) ( c ) 边排钢筋应力分布 图8 I -I L l 0 2横梁跨中截面的裂缝分布 及其边排钢筋在各加载步的应力 F i g 8 Di s t r i b u t i O i l o f c r a c k s i n t h e c e n t r a l s e c t i o n o f c r o s s b e a m HL1 02 a n d s t r e sse s o ft h e s i d e s t e e l ba r s i n e a c h l o ad s t e p 大值增加至 IJ 0 1 9 ra i n ( 距梁底 1 m处) , 小于设计控
17、制 的限裂标准( 0 3 m m) , 该处钢筋拉应力最大值为 1 4 0 N mm 。 由图 8可见 , 宽裂缝位于无 钢筋区 ( 仅有边排 钢筋) , 与线弹性计算的 深度约 1 m( 钢筋布置于 距梁顶、 底表 面0 8 m的区域 ) 相符。显然 , 距横梁 底面0 8 m区域的密集钢筋在混凝土开裂后充分发 挥了作用 , 限制了该区域的裂缝宽度 。 标准横梁仅在梁底 出现表面微裂缝 , 其钢筋应 力一般不超过 2 0 N ram , 与整体模型线弹性计算的 横梁应力相符。 讨论 上述计算假定宽槽处的钢筋在宽槽 回填前是断 开的, 则宽槽 回填前宽槽两 端的相对位移较大 , 如 图 9 所
18、示 , 在横梁 自重作用下宽槽两端的相对位移 就达到 2 0 m m, 这样将会使宽槽两端预留的钢筋产 生较大的错位 , 给钢筋连接带来 困难。因此 , 设计提 出宽槽回填前钢筋不断开方案 , 此方案需要研究钢 筋连接对横梁应力的影响以及钢筋应力能否满足要 求。为此 , 针 对横 梁 的宽槽 方 案 ( 宽槽 处 钢筋 断 开) 、 钢筋连接方案 ( 宽槽处钢筋连接 ) 和固支方案 进行比较分析。钢筋连接方案在宽槽处的跨宽槽钢 筋如图 9所示 , 横梁与牛腿之间仍按接触考虑 , 3种 方案的荷载施加顺序及过程相同。 横向 ( a )塔柱变形 ( b ) 塔柱横 向位移 图9 宽槽回填前塔柱变形
19、及加载步 1的横向位移 ( 变形放大2 0 0倍) Fi g 9 The de f o r ma t i o n o f t o we r c o l umn be f or e wi de j o i n t b a c k fi l l i n g a n d t h e l a t e r a l d i s p l a c e me n t i n l o a d s t e p 1 ( d e f o r ma t i o n e n l a r g e d t h a s c a l e o f 2 0 0) 计算结果显示 : 钢筋连接方案的宽槽两端相对位 移很小, 几乎无相对位移
20、 ; 横梁 H L 1 0 2梁底应力如 图 1 0所示 , 宽槽方案 的应力最大, 固支方案最小 , 钢 筋连接方案居两者之间, 数值上更接近于固支方案 ; 从横梁跨中的拉应力数值看, 钢筋连接方案相对宽槽 方案可减 q 5 N ra m 左右 , 减小幅度约 3 0 。 梁 轴 线 坐 标 m 图 1 0 3种方案的横梁 HL 1 0 2梁底应 力比较 F i g 1 0 S t r e s s e s i n t h e b o t t o m o f c r o s s b e a m HL 1 0 -2 i n t hr e e c as e s 钢筋连接方案的跨宽槽钢筋应力 : 宽
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