基于abaqus的预应力拉索施工过程模拟方法及应用研究.pdfVIP

第九届全国现代结构工程学术研讨会 基于ABAQUS的预应力拉索施工过程模拟方法 及应用研究 潘鹏 张微敬 钱稼茹 (清华大学土木工程系，北京100084)(北京工业大学建工学院，北京100124)(清华大学土木工程系，北京100084) 提要： 对于预应力空间钢结构体系而言，预应力拉索施工是其建设过程中的关键环节。对拉索预应力施工全过程进行模 拟，能为现场施工提供参考，从而保证施工过程的安全性和合理性。本文提出了一种基于有限元软件ABAQUS模拟 拉索预应力施工全过程的方法：装配荷载法。文中介绍了装配荷载法的建模要素和预应力模拟方法，并以2008奥 运会乒乓球馆为例，对其拉索预应力施工全过程进行了模拟。与实测数据的对比结果表明，二者吻合较好，证明了 装配荷载法在拉索预应力施工模拟中的有效性。装配荷载法直观方便，是一种值得推广的方法。 关键词： 预应力拉索，施工模拟，装配荷载法，2008奥运会乒乓球馆 一、引言 预应力空间钢结构是预应力技术与空间结构体系相结合而衍生出来的新的结构形式，具有良好的受力 性能和应用前景，在大型公共和工业建筑中得到广泛应用【lj。我国近年来预应力钢结构体系发展迅速，在 2008年北京奥运会比赛场馆中，国家体育馆、羽毛球馆及乒乓球馆均采用了预应力空间钢结构体系口≯】。 目前，关于各种预应力空间钢结构体系的静力、动力特性和稳定性方面的研究较多【4J，但是对于该类结构 体系施工过程模拟的研究较少pJ。 对于预应力空间钢结构，预应力拉索施工是其建设过程中非常关键的环节。施工顺序和张拉方法直接 影响索中的预应力大小，从而影响其他各构件中的内力分布。在预应力拉索的施工过程中，某些构件的内 力远远大于结构成形后的内力。为了保证结构安全，不仅要求结构满足在使用阶段的强度、刚度和稳定性， 而且需要严格控制各个构件在施工过程中的内力变化，因此对预应力拉索施工全过程进行模拟非常重要。 在预应力拉索施工模拟时，应用较多的是等效降温法。等效降温法根据施工步骤给不同的钢索降温， 以温度荷载变化模拟预应力拉索张拉过程。由于加载过程中整个结构会不断变形，使得钢索的内力值不断 变化，因此在施加荷载时需充分考虑由于结构变形引起的钢索内力损失。在进行降温计算时，不能由钢索 的张拉力目标值和弹性模量、热膨胀系数等已知量直接计算得到降低温度，而需根据施工步骤和结构整体 变形反复迭代。本文提出了一种基于ABAQUS的预应力拉索施工过程的模拟方法一装配荷载法，并以2008 年奥运会乒乓球馆为例，实现预应力拉索施工全过程模拟。 二、基于ABAQUS的装配荷载法 应用等效温降法进行施工过程模拟在有限元建模时较为简单，结构分析软件SAP2000和通用有限元分 析软件ANSYS[6]和ABAQUS[7]等都支持降温算法。但降温法有以下缺点： 1．不直接，需将预应力的施加转化为温度的降低，当需计算环境温度影响时，将造成一些概念上的混 淆； 2．温度降低和预应力施加不是线性对应关系，需要多次尝试和迭代才能确定温度荷载，数据处理的工 作大幅度增加。 358 工业建筑2009增刊 第九届伞国现代结构工程学术研讨会 通用有限元分析软件ABAQUS提供一种非常方便的解决方法，即：装配荷载法。这种方法用于模拟在 结构的装配过程中施加预应力的过程，如：拧紧预应力螺栓和张拉并锚固预应力拉索。实现这种方法需要 定义以下三个要素： 1．预应力张拉截面以及与张拉截面相关的张拉控制节点或节点族； 2．预应力张拉荷载； 3．维持预应力荷载的边界条件。 常情况下可以考虑采用杆单元模拟预应力拉索，具体实现方法如下： 应力张拉截面缩减为单个节点，其法向和线单元的轴向平行，并从构成该线单元首节点指向尾节点(图1)。 与预应力张拉截面相关的张拉控制节点可以是任意的独立节点，通过如下的语句把它和预张拉截面关联起 来： *PRE—TENSION SECTION，ELEMENT=elemen t_number,NODE=node_number 2．采用“CLoAD”定义预应力张