大跨度弦支混凝土梁结构静动力性能与施工过程分析

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弦支混凝土梁结构由混凝土构件作为上部压弯构件,预应力拉索作为下部受拉构件,中间连以刚性撑杆组成,该结构体系构造简单、受力合理,能够充分发挥柔性拉索、刚性撑杆、混凝土三种材料的各自优势。本文以某中学体育馆大跨度弦支混凝土结构为研究背景,运用大型通用有限元设计分析软件Midas Gen建立数值分析模型,对大跨度弦支混凝土结构进行了静力性能分析、自振特性分析、动力响应分析及施工过程研究。主要研究内容如下:(1)建立单榀大跨度弦支混凝土梁有限元模型,通过改变混凝土强度等级、撑杆数量、梁截面尺寸、垂跨比、拉索截面尺寸等参数,研究了在自重和预应力共同作用下弦支混凝土梁的静力性能,进一步研究了作为锚固节点重要组成部分的拉索耳板的受力性能。(2)使用多重Ritz向量法对大跨度弦支混凝土结构进行了自振特性分析,通过改变楼板厚度、混凝土强度等级、预应力值、边界条件等参数,研究了大跨度弦支混凝土结构的自振特性。(3)在弦支混凝土结构自振特性分析的基础上,分别对结构输入水平单向、竖直单向及三向地震波,得到了输入不同地震波时结构的时程响应结果,对比分析了不同地震作用对大跨度弦支混凝土结构受力性能的影响。(4)阐述了大跨度弦支混凝土结构施工方法,并对施工过程进行了仿真模拟,对比模拟结果与实测结果,为类似工程结构施工提供参考。主要结论如下:(1)大跨度弦支混凝土梁结构的位移、混凝土梁弯矩、撑杆应力、拉索内力在自重和预应力共同作用下呈对称分布;在一定范围内,增大垂跨比,可以改善结构的受力性能;撑杆数量过少或过多时,会产生应力集中现象;混凝土强度等级和拉索截面尺寸的改变对结构静力性能影响较小;拉索耳板承受100%张拉力值时,变形较小,应力模拟分析结果与公式验算结果相差较小。(2)大跨度弦支混凝土结构的基频较小,低阶自振频率分布较为密集;结构的各阶振型中只有拉索与撑杆存在水平方向的平动,混凝土楼板未表现出水平方向的平动,说明大跨度弦支混凝土结构整体水平刚度较大,竖向刚度较小;保持结构其它参数不变的情况下,楼板厚度和边界条件的改变对结构自振特性影响较大。(3)单向地震作用下,结构的节点位移响应峰值均出现在跨中撑杆与拉索连接处,且位移值满足规范要求,输入不同的地震波,撑杆轴力响应峰值相差较小,拉索索力响应峰值也相差较小,二者都符合静力受力规律。三向地震作用下,X向位移可以忽略不计,说明结构X向刚度较大;与水平单向地震作用相比,三向地震作用时,主方向Y向节点位移响应值相同,说明其余两个方向地震对Y向无叠加作用。同一地震波单向输入或三向输入时,撑杆轴力响应峰值相差较小,拉索索力响应峰值也相差较小,说明地震作用对撑杆轴力和拉索轴力影响较小。(4)在大跨度弦支混凝土结构的施工过程中,要根据工程实际情况选择合适的施工方法,制定合理的张拉方案。施工过程中混凝土梁产生的应力和挠度均较小,符合规范要求,说明该工程所采用的施工方法较为合理。模拟分析结果与实测结果基本吻合,说明本文建立分析模型与实际工程相符合,具有一定的普适性,可为相似工程提供技术支撑。
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