【word】 深圳机场T3航站楼预应力混凝土梁施工过程模拟

【word】 深圳机场T3航站楼预应力混凝土梁过程模拟 深圳机场T3航站楼预应力混凝土梁施工过 程模拟 2012年2月下 第41卷第359期 施工技术 CONSTRUCTIONTECHNOLOGY17 深圳机场T3航站楼预应力混凝土梁施工过程模拟 王险锋,王Y-6,岳进,叶渝,董晓冈0 (1.深圳大学广东省滨海土木Y_-程耐久性重点实验室,广东深圳518060; 2.中建三局第一建设37-程有限责任公司,湖北武汉430040) [摘要]采用有限元分析方法,对深圳机场T3航站楼18m预应力梁的施工及变形过程进行数值模拟.考虑到混凝 土特性随时间变化的影响,同时考虑了如板,次梁,柱的相关影响,将混凝土从筑注开始至完成拆模分为4个 阶段.并对施工过程进行模拟,得出各阶段各测点的变形情况.结果明各阶段模拟结果较为合理,为顺利施工 提供依据. [关键词]机场;航站楼;混凝土;预应力梁;变形;数值模拟 [中图分类号]TU757[文献标识码]A[文章编 号]1002—8498(2012)04-0017—04 ConstructionSimulationofPrestressed ReinforcedConcreteBeaminShenzhenAirportTerminal3 WangXianfeng,WangWeilun,YueJin,YeYu,DongXiaogang (1.GuangdongProvincialKeyLaboratoryofDurabilityforMarineCivilEngineering(ShenzhenUniversity), Shenzhen,Guangdong518060,China;2.The,ConstructionEngineeringLimitedCompanyofChina ConstructionThirdEngineeringBureau,Wuhan,Hubei,430040,China) Abstract:Theconstructionprocessanddeformationofthe18m—spanprestre ssedbeamareanalyzedby finiteelementmethod.Thechangesofmaterialpropertieswithtimesareconsidered.Theinfluenceof relatedmemberssuchasplates,secondarybeamsbeginningandcolumnareanalyzedaswel1.Fourstages aredividedfromconcretepouringbeginningtoformworkremova1.Theconstructionprocessissimulated, anddeformationofthemonitoredpointsateachstageisobtained.Thesimulationresultisreasonablefor eachstageandprovidesabasisforconstruction. Keywords:airpoas;terminals;concrete;prestressedbeam;deformation;sim ulation 随着现代建筑材料性能,设计允许应力的提 高和设计方法的发展,越来越多的长大承重构件出 现在现代化建设中,从而导致结构变形(挠度) 增大,继而影响结构的使用性能和耐久性能.影响 预应力钢筋混凝土梁板挠度的因素很多,如构件尺 寸,混凝土浇筑及养护质量,预应力加载的形式,荷 载大小,作用时问和建筑物使用方式等. 1工程概况 本研究对实际深圳机场T3航站楼工程案例进 行分析,研究对象为一跨钢筋混凝土主梁(见图1). 此主梁位于第4层平面结构的第1主轴,跨度为 18m,介于?和?轴之间.该主梁的截面尺寸为 [收稿日期】2012-01—10 【基金项目]国家杰出青年科学基金(50925829);广东省自然科学基 金研究团队项目(9351806001000001);中国建筑第三工程局科研项 目(CSCEC3B-20I1—3) [作者简介]王险锋,深圳大学广东省滨海土工程耐久性重点实验室 副教授,深圳市南山区518060,电话:(0755)26534712,E.mail:xfw @SZU.edu.cn 图1主梁结构平面 Fig.1Planofmaingirderstructure 宽1600mm,高1300mm,为宽扁梁.主梁底部配有 通长的25根业32钢筋,而在顶部的受力筋也为? 级钢筋,但布置情况较复杂,跨中和两端均不同. 该主梁是预应力梁,共有3束黏结预应力钢束,每束 中有l2条15.20钢绞线.其预应力为1395MPa. 钢筋混凝土预应力主梁强度等级为C40.支撑主梁 两端的是高度为10m的钢筋混凝土圆柱,宽 1500mm,配筋均为业40钢筋,混凝土强度等级 为C50. 18施工技术第41卷 2计算模型规划及选取 对于这一跨度18m主梁,因需考虑旁边连带的 结构对主梁的影响,如次梁,楼板对其的作用力,以 及该第?轴相邻跨度内的主梁对所要分析跨内主 梁的影响.基于上述因素,结构模型的选取如下. 1)在第?主轴选取?,?以及?,?两 跨主梁;第?主轴同样选取横跨?,?,?的两 跨主梁.需要特别说明的是,之所以不考虑?, ?这跨内主梁对所要分析主梁的影响,是因为实 际工程结构中?轴上设有一条伸缩缝,伸缩缝两 边的主梁不相连,故可以不考虑其相互作用. 2)再选取第?主轴和第?主轴之间,位于?, ?,?3条轴线上的主梁,综上所述,选取7条主 梁,每条主梁跨度均为18m,除了第一主轴?,? 及?,?两跨主梁的截面尺寸为1600mm× 1300mm外,其余跨内主梁的截面尺寸 为1200mm×1200mm. 3)在每条主梁的交接点下方均有钢筋混凝土 圆柱,在所选取模型中,共有6根.尽管6根圆柱直 径均为1500mm,但配筋不完全相同.至此,模型的 主体框架已形成.同时,为使分析模型尽可能与实 际相符,在主梁与主梁之间按施工图纸上的尺寸和 要求,准确选取布置各条次梁,以及第?主轴主梁 外侧的悬挑部分,并在基本模型完成后加上120mm 厚楼板,以形成一个完整,合理的模拟分析模型. 结构计算范围为从左至右经过圆柱的?, ?,?轴,从上至下经过圆柱的?,?轴.因为是 施工阶段的分析,包括支模板和拆模板的步骤,所 以在模型的规划和选取时,需考虑针对分析主梁的 模板和支架.故在此模型中,因第?主轴上,?一 ?轴,18m跨内主梁为分析对象,所以对于模板 (包括梁底模和梁侧模)和底模侧模的支架体系,只 加载在要分析的本跨主梁内,模型中的其余结构不 再施加荷载. 3建模过程 添加结构构件所需的材料,截面及平面厚度的 特征值一定义部分混凝土材料的时间依存性一实 体单元主梁和柱的建立一线单元主梁,次梁和柱的 建立一由线单元扩展出平面楼板单元一实体梁,柱 普通受力筋的布置一模板,支架结构的建立一预应 力部分的实施,钢束的布置一边界条件的输入,各 种荷载的施加一结构组,边界组,荷载组的划分和 定义一施工阶段的定义. 本研究利用Midas软件实现所有建模程序.在 具体建模过程中,第?主轴平面内的结构,即2跨主 梁和3根圆柱用实体单元模型,其余部分使用线单 元模型.实体单元与线单元模型之间可以通过表 面上的节点相连,产生约束作用.建模时,首先需 要添加模型中会出现的各种材料,各类线单元所需 的截面尺寸以及平面单元的厚度. 由于在施工初始阶段,混凝土材料的性质变化 具有明显的时间依存性,确定需支模的实体部分即 第1轴平面内的主梁(C40)用时间依存性混凝土材 料,以考虑施工阶段混凝土的强度演化,而其余构 件及附带线单元结构梁和柱(混凝土强度等级同实 体单元)因影响较小,采用定常强度的混凝土材料. 定义混凝土材料的时间依存性时,首先确定混 凝土28d标准抗压强度,之后根据Et本Hydration规 范来确定混凝土强度演化曲线.再把以上强度演 化数据同需要定义的材料进行连接.这些工作完 成后,便进入构建模型阶段. 4施工阶段划分 通过以上建模方法可得到所有结构构件,但只 有这些结构还不足以完成对整个施工过程的模拟 分析.需要通过定义施工阶段确定不同时段特征, 从而实现原有的分析计划.需要说明的是,在建模 过程中,把整个钢筋混凝土结构设为一个结构组, 两跨的底模及支架,侧模及支架分设4个结构组,另 外预应力无重线梁设一个结构组,共6个.边界组 有5个,即前5个结构组中的一般支撑约束.荷载 组即结构自重以及预应力所分设的2个. 在模型中,需要模拟4个施工阶段.实际施工 顺序是:3月26日浇筑混凝土,3月27日拆除侧模, 4月9日施加预应力,4月12日拆除底模.根据这 些时间数据,安排4个施工阶段. 1)第1阶段持续1d 从刚浇筑混凝土以后到拆除侧模及其支架前. 这个阶段,所有的结构组,材龄都设为Od,但这一点 只对设了时间依存性的材料有效果,表示使用了这 种材料的构件从出现的那一刻起,材料强度是第0 天的强度,而此时只有实体主梁的C40有时间依存 性,说明其刚完成混凝土浇筑(其他混凝土结构不 考虑浇筑是因为无法支模).边界组也都发生作 用,即固定柱底和支架自由端,同时还有所有出现 结构的自重荷载组. 2)第2阶段持续13d(见图2) 从拆除侧模及支架后到施加预应力前.此阶 段需要撤除结构组中的两跨侧模,支架,以及边界 组中的侧模支架支撑. 3)第3阶段持续3d 从预应力施加后到拆除底模及支架前.在此 阶段,需要施加一个结构组和一个荷载组.因涉及 王险锋等:深圳机场T3航站楼预应力混凝土梁施工过程模拟19 图2第2阶段模型(已拆侧模) Fig.2Constructionmodelforthe2ndstage 预应力的施加,所以从这个阶段开始就需施加预应 力荷载组.结构组中,同时添加3条预应力钢束的 线单元无重梁,其中要注意的是,预应力线单元梁 要同实体主梁协同工作,所以其混凝土材料也设为 时间依存性,且演化的时间同实体主梁一致.如此 设计,激活该无重梁时,材龄为14d,即实体主梁混 凝土材料已经经历的时间. 4)第4阶段持续11d 从拆除底模及其支架开始,之后整个钢筋混凝 土结构便依靠自身的构造受力.这个阶段的持续 时间选择11d是考虑到定义混凝土材料时间依存性 是按照28d混凝土强度从零增加到标准强度,前3 个施工阶段共经历17d,第4个阶段开始时离混凝 土达到其标准强度还有11d,故将此天数作为第4 阶段的持续时间.在此阶段,需要撤除结构组中的 两跨底模,支架以及边界组中的底模支架支撑. 5计算结果分析 本研究重点关注结构位移即变形的输出结果. 在不同施工阶段下,变形情况各不相同. 图3为主梁3个主要变形控制点?,跨中,? 位置的坐标示意.需要说明的是,因实体梁的节点 为三维,所以下述的3个节点均位于主梁的中性轴 上.另外,原点位于第?轴与?轴交点处,且比对 图3可知,轴正方向是从?指向?,Y轴正向是 从第?轴指向第?轴,轴正向则是从下指向上. 图3坐标示意 Fig.3Structurecoordinatesystem 本文选取第2阶段作为典型结果,图4a给出第 2阶段(持续13d,第2—14天)下结构的变形.第2 阶段(第14天)?原点,y,z向位移分别为: 0.057,一0.629,一0.126mm,跨中9m处点,y,z向 位移分别为:0.028,一0.637,一2.225mm,?18m 处点,Y,向位移分别为0.025,一0.543, 一 0.226mm.图4b给出第2阶段主梁轴向应力等值 线图. a变形 b主梁应力 图4第2施工阶段变形及应力示意 Fig.4Deformationandstressatthe2ndstage 对于重点关注的竖向位移即挠度,图5给出全 程4阶段?,跨中,?3点竖向位移随时间的变化 曲线. l6 z 8 崮O 一 4 时I司/d 图5?,跨中.? 3点竖向位移随时间变化曲线 Fig.5Displacementcurvesofpoints?. midpoint.and?withtime 除此之外,为更加形象表示该跨主梁经历每个 施工阶段到后期时的整体变形,图6给出4个施工 阶段下主梁轴线的变形情况.需要说明的是坐标 原点位于?点处. 窨 鲁 翟 粱纵向长厦/m 图64个施工阶段下主梁的变形 Fig.6Deformationsofthemaingirderatthefourstages 从计算结果可以看到,在第1个施工阶段,主梁 竖向位移跨中相对较大,这与实际情况相符,而且 ?端大于?端,是因为?柱只是一跨的支点,而 ?柱同时支撑两跨,所承受的荷载更大,竖向位移 2O施工技术第41卷 也更大.通过主梁两端处轴方向的位移,可以看 出?端的位移是负方向,?端的位移是正方 向,对此的分析是主梁的混凝土刚浇筑不久,强度 不够,需要周围对其的约束,而它对周围的约束也 有反作用力,所以导致固定约束它的柱子顶部,即 该跨主梁的两端产生往两侧变形的趋势. 到了第2个施工阶段,梁端与柱顶?,?两 点都有往跨中回收的趋势,即?的位移在正方 向上减小,?的位移在正方向上增加.对此的 理解是,主梁混凝土的强度逐13提高,对两侧约束 的压力减小,而且在混凝土的收缩与徐变特性的影 响下,出现了以上现象.竖向变形方面,梁端两点 ?,?基本保持固定,而跨中渐渐增大,但增加的 幅度很小,几乎可以忽略,这也是因为有支架支撑 的缘故. 在第3阶段的开始便有预应力的施加,所以从 这一刻起,就能看到主梁有出现反拱的趋势,而通 过数据也可以看出无论在第3个还是第4个施工阶 段,这个趋势越来越大.可能是混凝土材料的原 因.主梁的混凝土具有时间依存性,所以随着时间 的推移,混凝土的强度以及弹性模量增加,而弹性 模量的增加对于预应力的效果明显,因此在预应力 不变的前提下,主梁反拱不断加大. 另外,也可以看到,当1395MPa的预应力施加 后,主梁有比较明显的内缩趋势,这导致主梁?和 ?端两点在3个方向上的位移相对于前两个阶段 都有改变,而且最显着的就是方向上的.尤其是 ?端,因为它是预应力的施加端,所以在正方向 上的位移增长较大.而这个增长过程也是由混凝 土的时间依存性引起. 从4个阶段整条梁的竖向位移变形曲线可以看 出,第1个与第2个阶段非常相似,二者曲线几乎重 合,这说明拆除侧模对梁的竖向位移影响不大.而 预应力的施加则对梁的影响很大,使其在跨中出现 明显反拱. 6结语 采用有限元模型可以完整再现施工的4个阶 段:?混凝土浇筑;?拆侧模板;?主梁施加预应 力;?拆底模板.并能实时描述混凝土硬化过程中 弹性模量,强度等参数随时间的变化行为.从计算 出的各阶段变形趋势看,计算结果基本合理. 在支模阶段,底模及其支架的设置对控制主梁 的变形起主要作用,而侧模仅仅是在混凝土还未凝 固时起支护约束作用,对控制梁的竖向变形几乎没 有影响.所以支模后且刚浇筑混凝土阶段需要加 强底模的支撑能力以控制变形,这可以通过提高模 板的整体性以及加密支架问的步距来实现.而后 期对主梁竖向变形起主要作用的是在实际工程中 混凝土强度达到标准值90%时张拉的预应力筋,预 应力施加后梁即出现反拱,此时梁跨中的挠度已不 受底模控制. 在混凝土达到或接近标准强度以及拆除支撑 后,要提高对钢筋混凝土梁变形的控制能力,除提 高混凝土强度等级,减小梁的跨度,增加梁高及受 力筋外,适当施加预应力是很有效快速的方式.不 过预应力筋的数量和预应力的大小一定要合适,否 则要么没有明显的效果,要么会出现反拱过大导致 梁跨中顶部开裂的情况.而本工程中设3束黏结预 应力钢束,每束12根.15.20钢绞线的布置方法以 及1395MPa的预应力是合理的. 参考文献: [1]沈颖坤.预应力悬挑梁设计中的挠度计算[J].特种结构, 2007,24(1):32-33. 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