托換結構有限元模型古建筑論文
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工程托換結構中，預應力托換梁采用C40混凝土，抗壓強度為26.8MPa，彈性模量為3.25GPa。非預應力托換梁采用C30混凝土，抗壓強度采用20.1MPa，彈性模量3GPa。鋼筋采用HRB400鋼筋，屈服強度實測值為465MPa。混凝土本構關系采用《混凝土結構設計規范》附錄C建議的本構關系，鋼筋采用雙折線本構關系。預應力鋼絞線張拉控制應力為1395MPa，考慮預應力的摩擦損失σl2、鋼筋松弛損失σl4和混凝土的收縮徐變損失σl5，最終預應力筋的實際預應力為843MPa。采用ANSYS軟件建立托換結構的實體模型，建模選用單元類型為solid65單元、link8單元和solid45單元。主要研究對象為下部托換結構，只建立托換結構的實體有限元模型，上部塔體簡化為均布荷載施加在托換結構上。有限元模型中預應力梁、非預應力梁和托換底座筏板混凝土均采用solid65單元用來模擬，鋼筋混凝土采用整體式模型，非預應力鋼筋彌散在混凝土單元中。預應力鋼絞線采用link8單元模擬，預應力通過降溫法施加。在邊托梁下設置鋼滾軸，作為托換結構的支座。邊托梁下部鋼滾軸采用solid45單元模擬，鋼滾軸與托換邊梁之間的連接方式采用剛性連接，模型采用自由網格劃分，網格劃分后有限元模型。施加在托換結構上的荷載主要是上部的塔體自重、混凝土護筒自重和托換結構自重。其中上部結構自重按照均布荷載施加在托換結構筏板頂面，三階混凝土護筒下的等效均布荷載分別為:第一階護筒下荷載73.5×10－3MPa，第二階護筒下荷載49×10－3MPa，第三階護筒下荷載為26.95×10－3MPa。托換結構自重荷載通過施加重力加速度得到，托換結構總重量為2.42×105kg，重力加速度取為9.8N/kg。托換結構邊托梁下部以200mm等間距布置直徑為100mm的鋼滾軸，有限元計算時將邊托梁下部的鋼滾軸作為托換結構的豎向支座，為托換結構提供豎向約束。為確保上部結構的安全，使平移工程中托換結構具有足夠的安全儲備。文中以托換結構混凝土開裂作為極限狀態，對托換結構的混凝土開裂前安全儲備進行了分析。在分析中，由于預應力托換梁承受大部分的上部荷載，預應力托換梁會比非預應力托換梁開裂早。分析中將預應力托換梁的開裂荷載作為托換結構的承載力極限荷載。分析中采用的方法是通過在有限元模型加載面上逐級增加荷載，直到托換結構預應力托換梁開裂。
2計算結果和分析
在計算過程中當荷載施加到475.01×10－3MPa時，預應力托換梁跨中最大拉應力達到混凝土抗拉強度2.39MPa，當再施加下一荷載子步時，托換結構預應力托換梁混凝土開裂，出現了拉應力釋放現象。這說明托換結構的開裂荷載為475.01×10－3MPa，此開裂荷載即為托換結構的承載力極限荷載，極限荷載對應的上部結構自重為490t。文中研究的古塔平移工程中設計的托換結構承載能力安全儲備系數為1.58。托換結構的承載力安全儲備系數的評判標準現今還沒有一個明確的標準，文中參考規范中采用的單一安全系數法和《預應力混凝土結構設計與施工》一書中預應力受彎構件的安全系數，考慮托換結構是臨時結構只在平移施工過程中起作用。文中分析過程中，將托換結構的承載力安全儲備系數安全值定義為1.5。托換結構的承載力安全儲備系數為1.58，大于定義的安全儲備系數1.5。說明托換結構具有足夠的承載力安全儲備，能夠抵抗平移施工過程中可能出現的超載或其他不利的狀況，為古塔的平移施工提供一定的安全保證。
3結語
文中通過對某古塔平移工程中托換結構的承載力安全儲備進行有限元分析，得出以下結論。托換結構的開裂前安全儲備系數為1.58，大于按照單一安全系數法確定的預應力混凝土受彎構件的安全系數允許值1.5。設計的托換結構滿足安全性要求，且具有足夠的安全儲備，當實際施工時出現超載時，不會對上部結構安全造成很大的影響。
作者：任文單位：天津大學建筑工程學院
