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珠海航展主展馆工程预应力混凝土柱 抗拉弯性能分析(精简版)

来源: 浏览次数: 日期:2020-06-22 14:28:30
作者:
广东舍卫工程技术咨询有限公司    魏  路
 
华阳国际工程设计股份有限公司    刘  翔
九江市城市规划市政设计院    叶海登
 

 

编者按 ] 魏路,硕士,高级工程师,国家一级注册结构工程师,公司结构审查专家,长期从事建筑结构设计、科研、咨询和审查工作,有较高的理论造诣,较丰富的工程实践,对大跨度钢结构、超限高层建筑等结构有较多经验。

 

[ 摘要 ] 在台风作用下,大跨度屋盖会产生较大吸力,同时支承柱也承受着风荷载水平推力,支承柱出现拉弯受力状况。此时柱子会出现裂缝,刚度降低,水平位移增大,对于悬臂柱P-D效应更加明显,恢复性能变差。针对以上现象,本文提出一种后张有粘结预应力混凝土柱,采用有限元软件分析其在拉弯荷载下的力学性能,考虑了轴拉比、混凝土强度、配筋率以及预应力筋与普通钢筋比值等因素。分析结果表明,试件抗拉弯承载力随着轴拉比的增大而降低;混凝土强度越高,配筋率越大,承载力则越高;当预应力度不大于0.2时,有较好的耗能性能。
 
 
工程概述
 
珠海航展中心新建主展馆工程位于珠海市金湾区东路东南侧,总建筑面积75342 ㎡。地上1层,局部夹层,局部地下1层,主要为设备用房,为十一届中国航空航天国际博览会主展馆,国内外影响力较大。该建筑体型较为规整,但由于跨度、面积较大,属于复杂公共建筑。主展馆平面尺寸为550m×120m(图1),屋脊高度25m,网架下弦中心线高度16m,网架下弦净高约15m。边跨柱距20米,为了方便飞机的进出,局部拔柱位置柱距达到40米,中部纵向柱距60米,横向55米。采用2道结构缝将屋盖分为对称的3段,左、右区域长度184m,中间区段为180m。
 
按照任务书要求该工程须按抗17级台风设计。台风作用下风吸力大,而网架结构+金属屋面组成的建筑屋面自重较轻,柱子由普通工况下的压弯受力变成受拉弯受力。普通混凝土柱在较大的拉弯荷载下会出现全截面开裂,大大降低结构水平刚度,同时抗弯、抗剪承载力也大大降低,易于出现结构整体水平位移过大,位移无法恢复等问题。 
 

图1  屋盖结构平面布置图(对称一半)
 
因此,本项目结构设计采用预应力混凝土柱(图2),可有效解决柱中配筋过多问题,改善柱子在偏心受拉荷载下的受力性能,保证了混凝土柱的台风作用下的抗拉抗弯性能以及结构的水平刚度,同时可提高柱子的抗裂能力、改善开裂后的刚度退化问题。
 
本工程自开工到2016年顺利竣工,从投入使用到运营至今,其间经历了17级台风“山竹”风眼的袭击,其中心风力达60m/s。台风过后其它场馆屋盖均有大面积损伤,但本项目却仅有附属构件的轻微损坏。
 

图2  预应力混凝土柱
 

1、结果与分析

 
1.1柱顶侧向位移
 

 
图9表示预应力混凝土柱柱顶荷载—位移曲线。
 

图9  荷载—位移曲线

 

从图9可以得出,预应力混凝土柱在承受轴向拉力荷载作用下,当水平荷载在0~200kN之间(位移角1/1350),各试件的荷载—位移基本呈线性增长变化,表明各试件处于弹性阶段,混凝土未产生裂缝,刚度无退化;继续加载至极限荷载时(位移角1/100~1/60),各试件侧向位移随着荷载的增大而增大,但曲线斜率呈减小变化趋势,表明预应力混凝土构件表面产生裂缝,刚度减小,但由于预应力的存在,裂缝发展被限制,刚度退化较小,使得预应力混凝土构件在开裂后,与普通钢筋的共同作用下,进入弹塑性工作阶段,承载力继续提高;继续加载,预应力混凝土柱完全进入塑性工作状态,柱根处形成塑性铰,侧向位移增大,承载力缓慢降低,仍具有一定的承载能力,具有良好的变形性能,属于延性破坏。

 

1.2应力结果分析
图10表示极限荷载下预应力筋和普通钢筋的Mises应力云图,从图中可以看出,当预应力柱达到极限荷载时,受拉区和受压区预应力筋应力最大值为1509MPa和1162MPa,未达到其屈服强度标准值(1860Mpa),而受拉区和受压区的普通钢筋应力最大为412MPa,已经超过其屈服强度标准值(400Mpa),但未达到极限强度标准值(540MPa),表明普通钢筋相对于预应力筋较早的进入屈服状态,当受拉区混凝土开裂时,受拉区预应力筋钢筋应力增大,而受压区预应力筋应力减小,能够在限制受拉区裂缝发展的同时,又能较好的减小受压区混凝土的压应力,充分发挥预应力筋的双重作用。
  

(a)预应力筋
 

(b)普通钢筋
 
图10  极限荷载下Mises应力云图

 

1.3混凝土损伤结果分析
有限元分析结果表明,随着预应力度的增加,受拉区混凝土达到极限拉应变的荷载提高,能够承受较大外拉力。混凝土开裂后的损伤大小主要与预应力度和混凝土的极限拉应变等因素有关。
  

(a)混凝土
 

(b)普通钢筋
 
图11  极限荷载下塑性损伤云图
 
图11表示混凝土、预应力筋和普通钢筋在极限荷载下产生塑性应变云图,从图中可以看出,当达到极限荷载时,预应力混凝土柱根部受压区混凝土和普通钢筋都产生了塑性变形,而预应力筋未发生,表明预应力混凝土柱子在整个受力过程中,预应力筋一直未屈服,能够自始至终提供预应力,提高结构抗裂性能及变形恢复性能;同时普通钢筋及混凝土进入屈服阶段,耗散能量,形成塑性铰,使得结构逐渐变成机构,具有较大的变形性能,不仅能够在地震作用下耗散能量,而且能够抵抗台风荷载下引起的外力。

 

2、结  论
 
通过采用abaqus有限元软件对预应力混凝土柱在偏拉荷载下的承载力分析可知:
 
(1)预应力混凝土柱预应力筋和普通钢筋比例恰当,布置合理,在弹性工作阶段内,预应力混凝土柱表现良好的整体性能,大大推迟混凝土开裂;
 
(2)因预应力的存在,当混凝土开裂后,能够有效的限制裂缝发展,即使进入弹塑性工作阶段,刚度退化仍很微弱,在预应力筋和普通钢筋的共同作用下,承载力得到较大的提高。
 
(3)在钢筋混凝土柱中配置预应力筋,可以有效延缓柱根混凝土开裂,预应力筋提供的恢复力可以有效减少结构的残余位移。无论是否施加预应力,在柱中配置的预应力钢筋,都能使得柱具有明显的屈服后刚度。
 
(4)在预应力混凝土柱中配置普通钢筋,可以有效的提高柱的延性耗能能力,但普通钢筋用量增大,结构的残余变形也增大,需要控制一个合理范围。
 
(5)当预应力度控制在0.2左右时,能够较好的发挥预应力筋作用,提高材料利用率。

 

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