预应力钢梁高温环境下的力学特征有限元分析.docxVIP

? ? 预应力钢梁高温环境下的力学特征有限元分析 ? ? 孙　强，钱军龙，田　伟（安徽建筑大学土木工程学院，合肥，230601） ? 预应力钢梁高温环境下的力学特征有限元分析 孙强，钱军龙，田伟（安徽建筑大学土木工程学院，合肥，230601） Summary：采用有限元方法研究预应力钢梁在受火条件下，一定时间段内构件的温度分布状况及其变化，在热分析的前提下，进行构件的热力效应分析。并将相应工况的力学特性研究与理论计算结果进行对比分析，从而进一步探索预应力钢梁在火灾（高温）条件下损伤机理。研究表明：温度高低、荷载形式、梁端约束、预应力损失、拉索布置高度等因素对钢梁的力学特性产生较大影响。所得结论可为预应力钢结构抗火设计提供参考。 Key：预应力钢梁，高温（火灾），预应力损失，变形特性，温度，钢索 0　引　言 预应力受压钢构件有节约材料，减轻自重，降低成本的特点，但钢材没有较强的耐火性，火灾发生时会对建筑结构造成严重破坏，因而对其进行抗火设计十分必要。钢结构抗火问题自20世纪70年代起被国内外专家进行了大量研究与探索［1］-［7］。因为结构钢的机械性能和物理性能受高温影响变化较大，所以当火灾突然发生后，结构承载力势必降低，构件变形也将随之加大，在一定时间范围内结构就有可能达到极限承载力状态而倒塌，而结构抗火性能研究的目标就是讨论保证结构在假定的火场条件下，在规定的升温时间内，不至于达到变形的极限值以及结构失稳破坏，以避免危害到人民的生命财产安全。相比较钢结构构件，预应力钢结构由于构件事先张拉所蕴藏的巨大应变能使其在高温下的状态更不稳定，随着预应力钢结构体系在大型公共建筑中的应用逐渐广泛，预应力钢结构技术逐渐成熟，然而国内对其构件抗火性能的研究相对较少。本文采用有限元软件建模分析高温火灾下预应力钢梁的力学特征和火灾参数及预应力损失对预应力钢梁变形的影响，并以实例进行说明，为工程结构抗火设计提供参考。 1　高温（火灾）下预应力钢梁的热分析方法 构件在火灾作用下其内部温度场将重新分布并产生热应力，而且处在高温环境下构件的材料性能（强度、弹性模量等）将会发生改变，这些都是在力学特性分析时需要考虑的问题，在研究高温（火灾）下预应力钢梁抗火分析时须考虑热和力两方面的相互作用及交叉影响，即热力耦合分析。 1.1建立模型并划分网格 选择适用于瞬态热分析的低阶热分析实体SOLID70单元来建立构件模型，创建模型的方式有多种，本章考虑钢梁截面纵向的一致性以及钢材厚度相对较薄，先创建构件截面再通过Extrude及Booleans等操作形成模型，网格划分采用Smartsize方式，智能划分的网格如图1所示 图1　构件模型的局部网格划分图 1.2荷载施加 施加温度荷载并设置非线性求解参数，施加初始温度，采用ISO834升温曲线模拟火灾升温，施加边界条件包括热对流和热辐射，并确定加荷时间以及荷载步。 1.3求解及后处理 ANSYS的求解过程与迭代方法以及求解器的选择有关，在确定模型和约束荷载后对模型进行瞬态热分析，温度场分析的后处理结果显示有变形图、云图及结果列表，我们可得到可以得到温度分布云图以及各节点温度关于时间的曲线和温度列表。 2　预应力钢梁的热力耦合分析 2.1预应力钢梁热分析与热力效应分析 研究构件在火灾条件下的性能，实际就是研究结构构件在温度场和应力场共同作用下的工作情况，因此在已经得到构件热效应分析的前提下，应将热分析转化为结构分析，这一步是构件进行热力耦合效应分析的关键，即在重新打开已经进行了热学分析后的模型后将SOLID70这一热分析单元转化为与之对应的结构单元SOLID45，接着读入之前热分析时生成的温度荷载，再按步骤施加约束条件以及静力荷载，最后对模型求解并进行后处理分析。热单元与结构单元的关系见表1。 表1　热单元与结构单元的对应关系 2.2建模过程中对预应力拉索的处理 在建模过程中对拉索采取等效荷载法处理，用一对等效荷载代替预应力拉索的作用。即预应力用理论推导得出的一对实际张拉控制力代替，采用此法的好处是在热力效应分析阶段对单元选取没有制约，划分网格也较为方便，更不用考虑拉索所处的详细位置。 等效力为构件中实际作用的张拉控制力，即： 式中：N—实际张拉控制力 2.3预应力钢梁热力耦合作用下的力学特征分析 模型选取为一拉索预应力简支钢梁跨长1=18m，截面面积A=212.4cm2，全粱按均布荷载分布，永久荷载为qd=32.kN/m，可变荷载为q1= 22kN/m，钢材采用Q235，采用90ф5高强钢丝，A3=17.64cm2，f3=770MPa，E1=E2=2.06×105MPa，实际预张力Xk=935kN，拉索中心到截面重心的距离e=81cm，锚具压实总量△a=2mm，不考虑超欠载系数，即γT取1.0，支承形式为一端固定