陳淌坪渡槽預應力筋張拉順序優化數值模擬研究

張 航，雷 倩，龔子榮，潘青松

（三峽大學 土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002）

陳淌坪渡槽預應力筋張拉順序優化數值模擬研究

張 航，雷 倩，龔子榮，潘青松

（三峽大學 土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002）

以陳淌坪渡槽為例，根據陳淌坪渡槽在完建期預應力筋的張拉方案，提出兩種預應力筋張拉順序方案，運用分析軟件ANSYS對預應力渡槽的兩種張拉順序方案進行分析，在渡槽預應力筋的張拉順序方面為設計者提供理論依據，以期能為類似工程的施工提供參考。

渡槽；有限元分析；預應力混凝土；張拉順序；數值模擬

1 陳淌坪渡槽基本概況

陳淌坪渡槽位于湖北省宜昌市東山運河之上，是宜昌市的備用水源。渡槽有輸送農田澆灌的作用，也是電廠引水的建筑物。陳淌渡槽的設計引水流量26m3/s，工程等別Ⅲ等，主要建筑物級別3級，次要建筑物級別4級，臨時建筑物5級。環境類別三類。陳淌坪渡槽工程以6°地震烈度設防。

2 渡槽槽身有限元建模

陳淌坪渡槽槽身模型的支撐為簡支梁式，由于整個模型結構與荷載都具有對稱性，故對該渡槽1/4槽身結構進行建模，利用對稱性來完成渡槽整體的建模。本次建模利用有限元分析軟件ANSYS，渡槽槽身使用Solid65單元進行模擬；預應力鋼筋通過Link180進行模擬。

陳淌坪渡槽槽身長41m，槽寬6m。在有限元模型網格劃分完成后，其中Solid65混凝土單元個數共10.6896萬個，Link180預應力筋單元共3600個。陳淌坪渡槽混凝土模型單元網格劃分如圖1。預應力筋模型單位網格劃分如圖2。

圖1 渡槽混凝土模型單元網格劃分

圖2 渡槽鋼絞線模型單元網格劃分

3 渡槽槽身預應力筋張拉順序優化數值模擬

3.1 優化張拉方案選擇

選取基礎張拉方案（如圖3），即先對稱張拉豎向曲線預應力筋，以此張拉順序為基礎，提出兩種優化張拉方案，對基礎張拉方案進行優化。

圖3 基礎張拉方案

圖4 基礎張拉順序

（1）優化張拉方案1（如圖5）張拉順序為F6→D2里→F5→D2外→F4→D1里→F3→D1外→F2→F1。

圖5 優化張拉方案1

（2）優化張拉方案2（如圖6）張拉順序為F6→F5→D2里→F4→F3→D2外→F2→D1里→F1→D1外。

圖6 優化張拉方案2

以上兩種張拉方案均在對稱張的原則下進行。圖4～圖6中數字1～10表示對應的預應力筋張拉順序。

3.2 兩種優化方案模擬計算

3.2.1 渡槽槽身主應力分析

以渡槽在完建期為基準，即在工況1的基礎上，對基礎預應力筋張拉方案和兩種優化張拉方案中的每一步張拉通過有限元模擬進行計算。取1/8跨截面、1/4跨截面和跨中截面為典型斷面進行分析，分別分析其主應力與豎向位移的變化規律。每一種張拉順序按其張拉的過程依次計算出各個步驟的應力值及位移值，主應力值如表1～表3。

表1 1/8跨截面主應力值 單位：MPa

表2 1/4跨截面主應力值 單位：MPa

表3 跨中截面主應力值 單位：MPa

對1/8跨截面、1/4跨截面和跨中截面的最大主應力值進行分析，依照表1～表3的數據，渡槽槽身結構中的壓應力均滿足規范要求；優化張拉方案1最大主拉應力3．42MPa，大于規定的拉應力最值2．64MPa，即在這些張拉順序下，渡槽槽身結構可能會出現裂縫，對結構的使用會產生不利影響；優化張拉方案2的最大主拉應力值發生在跨中截面工況1中，其拉應力3．26MPa，大于規定的拉應力最值，但工況1是在完建期，此時的實際狀態是渡槽槽身坐落在張拉支座上，因此此時的最大拉應力值只是理論取值。可見優化張拉方案1相對于優化張拉方案2，渡槽槽身結構中的最大主應力超過了規定值，方案2是最優的張拉方案。

依照表1～表3，首先對優化張拉方案1和優化張拉方案2兩張拉順序得到的最大主應力值進行分析，比較表1和表2，可知兩方案的主應力值大小相同，所以只取表1進行分析，即對1/8跨截面的主應力值進行分析。分析方法采用與擬合曲線的比較法，如圖7。

圖7 1/8跨截面主應力值變化

然后根據表3，對兩種張拉方案的跨中截面主應力進行比較，如圖8。

圖8 跨中截面主應力值變化

從圖7和圖8對比可以看出：①優化張拉方案2的每一步的主應力值均小于等于優化張拉方案1的主應力值，即渡槽槽身在優化張拉方案2中的張拉順序下張拉，其結構中的主應力值都小于等于優化張拉方案1的張拉順序下的主應力，渡槽結構相對更加偏于安全；②優化張拉方案2的主應力值變化趨勢比優化張拉方案1的變化趨勢較緩，即渡槽槽身在優化張拉方案2中的張拉順序下張拉，每兩步之間的主應力差值較小，渡槽槽身結構不會出現局部應力突變。

兩種張拉方案下的主應力變化總體呈現出反復波動的現象，其原因是槽身受力上，豎向筋均為曲線預應力筋，在每張拉一根曲線預應力筋時，預應力筋中所產生的預應拉力等效在渡槽槽身結構上是豎直向上的均布荷載，隨著每一根曲線預應力筋張拉，槽身的內力狀態變化是槽身底部慢慢的由受拉變為受壓，槽身頂部由受壓狀態慢慢變為受拉；當等效荷載大于槽身重力后，槽身出現反拱現象，此時張拉橫向預應力筋，會對槽身結構產生等效豎直向下的均布荷載，在優化張拉方案下張拉預應力筋，就使槽身在兩種等效力反復作用下出現主應力反復波動。

3.2.2 渡槽槽身豎向位移結果分析

豎向位移值如表4。

表4 兩種優化張拉的豎向位移值 單位：mm

依照表4對方案1和方案2的豎向位移值進行分析比較，分別對1/8跨截面、1/4跨截面和跨中截面的位移值的變化與進行分析。分析方法采用與擬合曲線的比較法，如圖9～圖11。

圖9 1/8跨截面豎向位移值

圖10 1/4跨截面豎向位移值

圖11 跨中截面豎向位移值

從圖9～圖11可知，方案1和優方案2的豎向位移值的走向趨勢是大致相同的，這也驗證了渡槽槽身順槽向豎向位移值的相關性。由圖9～圖11可知：①方案1在第3步和第4步之間的豎向位移值出現了波動，在1/8跨中截面該波動較大，在跨中截面上該波動較小，而在1/4跨截面并未出現波動現象，說明方案1的第4步張拉對結構的豎向位移的影響是1/8跨截面影響最大，跨中截面次之，對1/4跨截面基本沒有影響；②方案2并未出現波動現象，所以從豎向位移值的變化上，可以判斷方案2比方案1的張拉順序安排好。

綜上所述，對某基礎張拉方案的優化張拉，結合主應力值和豎向位移的變化規律，方案2均優于方案1。

4 結語

以陳淌坪渡槽槽身預應力鋼絞線后張法施工工藝下的某張拉方案為基礎，提出的兩種優化張拉方案，通過大型有限元分析軟件ANSYS建模，對比分析兩種優化張拉方案過程中典型截面的主應力及豎向位移的變化情況，從而得到優化方案2要優于優化方案1，可為類似工程設計及施工時提供參考。

［1］張社榮，祝青，李升.大型渡槽數值分析中預應力的模擬方法［J］.水力發電學報，2009，28（3）：97-100，90.

［2］王寬.預應力渡槽結構三維參數化配筋方法及實現［D］.天津：天津大學，2014.

［3］李書群，秀芬，楊鋒.超大型渡槽預應力施加順序設計研究［J］.河北水利，2012（9）：16.

［4］李冬，吳喬一.混凝土梁預應力筋張拉順序的仿分析及優化［J］.土木建筑與環境工程，2013，35（S2）：53-55.

［5］陳軍，周安，詹炳根，等.曲線箱梁橋預應力筋張拉順序的數值模擬及優化［J］.工程與建設，2011，25（1）：1-3.

［6］趙偉，金風清，黃國生.大型渡槽后張法三向預應力施工技術［J］.河南水利與南水北調，2012，22（9）：34-37.

［7］黎旦.淺談后張法預應力混凝土施工工藝［J］.企業技術開發，2013，32（16）：48-50.

［8］WM Slater.Stage post-tensioning-A versatileE and economic construction technique ［J］.Precast/prestressed Concrete Institute Journal，1975，20（1）：14-27.

［9］李曉克，趙順波，劉樹玉，等.大型倒虹吸結構預應力鋼筋張拉施工順序研究［J］.水利水電技術，2005，36（6）：68-71.

［10］張民，孫寶忠，張長虹，等.后張法預應力混凝土梁的張拉控制淺析［J］.山東水利，2005，24（1）：37-38.

（責任編輯：尹健婷）

Numerical simulation of sequence optimization of Chentangping aqueduct prestressing tendons

ZHANG Hang,LEI Qian,GONG Zi-rong,PAN Qin-song
（College of Civil Engineering and Architecture,China Three Gorges University,Yichang 443002,China）

According to the tensioning sequence of Chentangping aqueduct prestressing tendons in the construction period, the study proposed two sequence schemes of prestressing tendons.Analysis of two sequence schemes by software ANSYS. The results show that the scheme 2 is reasonable.This paper provides theoretical basis for the designer in this area and offers a reference for similar engineering construction.

aqueduct;finite element analysis;prestressed concrete;tensioning sequence;numerical simulation

TV672.3

：B

：1672-9900（2017）02-0077-04

2017-02-21

張 航（1992-），男（漢族），湖北宜昌人，碩士，主要從事結構工程方面的研究，（Tel）18972527334。