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珠海航展主展館工程預應力混凝土柱 抗拉彎性能分析(精簡版)

來源: 瀏覽次數: 日期:2020-06-22 14:28:30
作者:
廣東舍衛工程技術咨詢有限公司    魏  路
 
華陽國際工程設計股份有限公司    劉  翔
九江市城市規劃市政設計院    葉海登
 

 

編者按 ] 魏路,碩士,高級工程師,國家一級注冊結構工程師,公司結構審查專家,長期從事建筑結構設計、科研、咨詢和審查工作,有較高的理論造詣,較豐富的工程實踐,對大跨度鋼結構、超限高層建筑等結構有較多經驗。

 

[ 摘要 ] 在臺風作用下,大跨度屋蓋會產生較大吸力,同時支承柱也承受著風荷載水平推力,支承柱出現拉彎受力狀況。此時柱子會出現裂縫,剛度降低,水平位移增大,對于懸臂柱P-D效應更加明顯,恢復性能變差。針對以上現象,本文提出一種后張有粘結預應力混凝土柱,采用有限元軟件分析其在拉彎荷載下的力學性能,考慮了軸拉比、混凝土強度、配筋率以及預應力筋與普通鋼筋比值等因素。分析結果表明,試件抗拉彎承載力隨著軸拉比的增大而降低;混凝土強度越高,配筋率越大,承載力則越高;當預應力度不大于0.2時,有較好的耗能性能。
 
 
工程概述
 
珠海航展中心新建主展館工程位于珠海市金灣區東路東南側,總建筑面積75342 ㎡。地上1層,局部夾層,局部地下1層,主要為設備用房,為十一屆中國航空航天國際博覽會主展館,國內外影響力較大。該建筑體型較為規整,但由于跨度、面積較大,屬于復雜公共建筑。主展館平面尺寸為550m×120m(圖1),屋脊高度25m,網架下弦中心線高度16m,網架下弦凈高約15m。邊跨柱距20米,為了方便飛機的進出,局部拔柱位置柱距達到40米,中部縱向柱距60米,橫向55米。采用2道結構縫將屋蓋分為對稱的3段,左、右區域長度184m,中間區段為180m。
 
按照任務書要求該工程須按抗17級臺風設計。臺風作用下風吸力大,而網架結構+金屬屋面組成的建筑屋面自重較輕,柱子由普通工況下的壓彎受力變成受拉彎受力。普通混凝土柱在較大的拉彎荷載下會出現全截面開裂,大大降低結構水平剛度,同時抗彎、抗剪承載力也大大降低,易于出現結構整體水平位移過大,位移無法恢復等問題。 
 

圖1  屋蓋結構平面布置圖(對稱一半)
 
因此,本項目結構設計采用預應力混凝土柱(圖2),可有效解決柱中配筋過多問題,改善柱子在偏心受拉荷載下的受力性能,保證了混凝土柱的臺風作用下的抗拉抗彎性能以及結構的水平剛度,同時可提高柱子的抗裂能力、改善開裂后的剛度退化問題。
 
本工程自開工到2016年順利竣工,從投入使用到運營至今,其間經歷了17級臺風“山竹”風眼的襲擊,其中心風力達60m/s。臺風過后其它場館屋蓋均有大面積損傷,但本項目卻僅有附屬構件的輕微損壞。
 

圖2  預應力混凝土柱
 

1、結果與分析

 
1.1柱頂側向位移
 

 
圖9表示預應力混凝土柱柱頂荷載—位移曲線。
 

圖9  荷載—位移曲線

 

從圖9可以得出,預應力混凝土柱在承受軸向拉力荷載作用下,當水平荷載在0~200kN之間(位移角1/1350),各試件的荷載—位移基本呈線性增長變化,表明各試件處于彈性階段,混凝土未產生裂縫,剛度無退化;繼續加載至極限荷載時(位移角1/100~1/60),各試件側向位移隨著荷載的增大而增大,但曲線斜率呈減小變化趨勢,表明預應力混凝土構件表面產生裂縫,剛度減小,但由于預應力的存在,裂縫發展被限制,剛度退化較小,使得預應力混凝土構件在開裂后,與普通鋼筋的共同作用下,進入彈塑性工作階段,承載力繼續提高;繼續加載,預應力混凝土柱完全進入塑性工作狀態,柱根處形成塑性鉸,側向位移增大,承載力緩慢降低,仍具有一定的承載能力,具有良好的變形性能,屬于延性破壞。

 

1.2應力結果分析
圖10表示極限荷載下預應力筋和普通鋼筋的Mises應力云圖,從圖中可以看出,當預應力柱達到極限荷載時,受拉區和受壓區預應力筋應力最大值為1509MPa和1162MPa,未達到其屈服強度標準值(1860Mpa),而受拉區和受壓區的普通鋼筋應力最大為412MPa,已經超過其屈服強度標準值(400Mpa),但未達到極限強度標準值(540MPa),表明普通鋼筋相對于預應力筋較早的進入屈服狀態,當受拉區混凝土開裂時,受拉區預應力筋鋼筋應力增大,而受壓區預應力筋應力減小,能夠在限制受拉區裂縫發展的同時,又能較好的減小受壓區混凝土的壓應力,充分發揮預應力筋的雙重作用。
  

(a)預應力筋
 

(b)普通鋼筋
 
圖10  極限荷載下Mises應力云圖

 

1.3混凝土損傷結果分析
有限元分析結果表明,隨著預應力度的增加,受拉區混凝土達到極限拉應變的荷載提高,能夠承受較大外拉力。混凝土開裂后的損傷大小主要與預應力度和混凝土的極限拉應變等因素有關。
  

(a)混凝土
 

(b)普通鋼筋
 
圖11  極限荷載下塑性損傷云圖
 
圖11表示混凝土、預應力筋和普通鋼筋在極限荷載下產生塑性應變云圖,從圖中可以看出,當達到極限荷載時,預應力混凝土柱根部受壓區混凝土和普通鋼筋都產生了塑性變形,而預應力筋未發生,表明預應力混凝土柱子在整個受力過程中,預應力筋一直未屈服,能夠自始至終提供預應力,提高結構抗裂性能及變形恢復性能;同時普通鋼筋及混凝土進入屈服階段,耗散能量,形成塑性鉸,使得結構逐漸變成機構,具有較大的變形性能,不僅能夠在地震作用下耗散能量,而且能夠抵抗臺風荷載下引起的外力。

 

2、結  論
 
通過采用abaqus有限元軟件對預應力混凝土柱在偏拉荷載下的承載力分析可知:
 
(1)預應力混凝土柱預應力筋和普通鋼筋比例恰當,布置合理,在彈性工作階段內,預應力混凝土柱表現良好的整體性能,大大推遲混凝土開裂;
 
(2)因預應力的存在,當混凝土開裂后,能夠有效的限制裂縫發展,即使進入彈塑性工作階段,剛度退化仍很微弱,在預應力筋和普通鋼筋的共同作用下,承載力得到較大的提高。
 
(3)在鋼筋混凝土柱中配置預應力筋,可以有效延緩柱根混凝土開裂,預應力筋提供的恢復力可以有效減少結構的殘余位移。無論是否施加預應力,在柱中配置的預應力鋼筋,都能使得柱具有明顯的屈服后剛度。
 
(4)在預應力混凝土柱中配置普通鋼筋,可以有效的提高柱的延性耗能能力,但普通鋼筋用量增大,結構的殘余變形也增大,需要控制一個合理范圍。
 
(5)當預應力度控制在0.2左右時,能夠較好的發揮預應力筋作用,提高材料利用率。

 

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