干燥关节无粘结后张拉梁节段的有限元建模外文翻译资料

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干燥关节无粘结后张拉梁节段的有限元建模

J.Turmo^a,*,G.Ramos^b,1,A.C.Aparicio^b,1

^a土木工程学院，卡斯蒂利亚 - 拉曼恰UCLM，星级Avda大学。卡米洛·塞拉Jose S / N，13071 - 雷阿尔城，西班牙

^b建筑工程系，加泰罗尼亚UPC技术大学，C /霍尔迪赫罗纳1-3，08034部巴塞罗那，西班牙

2005年9月19日收到；2006年2月26日收到表格；2006年4月14日采用；2006年5月19日可以在线查看

摘要

这项工作提出节段性混凝土结构用体外预应力结构行为的有限元法（FEM）研究，着眼于这些结构的组合的剪切和弯曲下的反应。一些有限元模型进行了验证剪切7米长节段梁的试验。提出了三种类型的模型具有不同层次的复杂性。第一个尝试重现模拟其真实形状的关节的梁的行为。第二个模型提炼之前，通过离散裂纹的装置引入在实验测试中观察到的龟裂。第三个模型的可能性进行了再现的实验测试结果，使用一个平面的联合模型，通过不复制钥匙的联锁结构来简化模型。

由于这项工作的目的是揭示这些类型的结构的剪切流动机制，对剪切迁移进行了理论研究，分析了接头开启后这些结构类型的应力流。拱效应被确定为承载的动垂直载荷的结构响应机制。有趣的结论也是从研究对这些结构的加固提取获得的。

关键词：节段桥梁；蜂窝连接；剪切强度；干接缝；无粘结后张

1. 简介

外预应力和干缝的节段混凝土桥梁的跨施工过程是其最快的类型。对于每个跨距的结构，混凝土段放在另一个旁边，悬挂在横梁或安装在移动支架，并通过外部预应力的方式组装。通常，没有必要在关节面之间应用任何环氧树脂。研究无树脂干缝的预应力段桥梁，是目前工作的主题。更显著的特征是无粘结钢筋交叉连接，既不主动也不被动。第一个示例应用程序构建的是LONG KEY Bridge[1]。最近的一个例子可以在曼谷找到[2]。

对于正常使用极限状态,这些桥梁的设计考虑到减压的极限状态不能达到;因此一个最小压缩sigma;n=0.5MPA保持在所有的部分和关节关闭。当过载增加到极限状态，关节表面打开，并且结构迅速失去刚度，并达到相当大的偏转。事实上，有没有被动的加固交叉的关节会导致弯矩进行更积极的加固或更高的初始应力在钢筋。事实上，有没有被动的加固交叉的关节会导致弯矩进行更积极的加固或更高的初始应力在钢筋。

在打开关节处剪切传递是一个更复杂的问题。用于与剪切键评估无树脂干接头的剪切强度普遍接受的理论认为，剪切应力可以通过两个定性和定量不同的机制在整个关节传送。第一种机制表示当平面和压缩的表面尝试滑动到另一个平面和压缩的表面时产生的摩擦阻力；这种电阻与工作压缩成正比，相应的比例系数是摩擦系数，mu;1。第二种方式认为该支持Web键剪切效应（图1b）。这些键在接触时允许剪切转移，表现的像小素混凝土牛腿（键的尺寸太小不允许我们放置常规加固）。键的剪切强度的表面面积被称为凝聚力，c。如果压缩应力存在，然后键变成小的预应力混凝土牛腿，随着压缩应力增大，极限剪切力增大。下述Foure的术语[3]，相应的比例因子称为内摩擦系数，mu;2。研究人员之间的争议是在接近开接头的钢筋。一些作者支持的理论表明，它是必要的，以提供增强的剪切力在区域旁边的开放式接头[4,5]。图2显示了这个悬挂器增强图形的理由。本文提出开展以验证某些FEM（有限元法）模型无粘结体外预应力桥梁的行为进行分析的研究。对于这些验证，已被用于在[6]提出预应力混凝土梁的四个实验剪切试验。这些实验测试的最显着的结果是，在相同的负载水平，没有剪切加固的梁与剪切加固的梁的对比。本文提出了三种类型的模型具有不同层次的复杂性。第一个试图通过其实际几何联合建模重现光束的行为。第二个提炼前人的模型，用离散裂纹在实验测试中观察到的裂纹。第三个模型的计算结果使用的是平联合模型制造的实验测试的结果，通过不考虑键的互锁几何简化建模的可能性。在本文中验证的有限元模型的最重要的特点是，他们已经校准与实验测试设置，专门设计的元素在剪切破坏。其他作者提出了二维（2D）[ 7 ]和三维（3D）[ 8 ]有限元研究，在这种类型的桥梁的剪切传递。然而，他们的模型要么没有校准或进行校准，试验是失败的弯曲型诱导。在作者的意见，这是第一次发现的这些特征的模型已被证实，并应用于理解组合弯曲和剪切力下这种结构的响应。此外，模型中的段内的剪切裂缝考虑到第一次验证。从模型的应用，创新的结论已经关于增强的标准和这些结构，一旦接头的开口发生的抗性机制为止。

图1。梁试验。在ULS打开关节。（一）弯曲破坏和（二）剪切破坏。

图2。开放式接头和吊杆附近的裂纹模式[ 5 ]。

1. 实验方案

本文模型的实验测试的简要总结在本节中概述。关于在UPC进行的这些试验和其他类似的剪切测试的详细信息都在[6,9]中可以找到。在本文中使用的剪切试验的模型中涉及的四个节段梁的长度为7.60米，一个工字型截面（图3A）。其他两梁是正常常规浇注混凝土（PC）和钢纤维混凝土（SFRC）。梁均设有互锁干接头，每个联三剪切键的高度为90毫米。这些测试涉及简单地支撑梁的跨度为7.20米，由三个不同长度的长度通过外部预应力组装在一起，而外部负载Q1应用到破坏（图3b）。在这些测试系列中使用下列术语：

v1-pc-35：FCM = 34MPa和350 kN轴向预应力PC梁

v1-pc-70：FCM = 34MPa和650 kN轴向预应力PC梁

v1-sfrc-35：FCM = 34MPa轴向预应力钢纤维混凝土梁的受力290 kN

v1-sfrc-70。FCM= 34MPa轴向预应力钢纤维混凝土梁的受力650 kN。

v1-pc试验的目的是验证一个开放的联合行为时受到剪切载荷，量化轴向预应力对节点承载力和结构的影响，并对附近的剪力增强的效率进行研究，以确定它是否是必要的，包括建议在[4,5]中可以找到。通过v1-sfrc试验，补充v1-pc试验，目的是研究钢纤维取代传统的抗剪加固时，采用钢纤维混凝土。带着这个目的，传统的钢筋放在梁v1-pc（8mm箍筋每30厘米）在这些梁完全除去（除钢筋锚固和偏区，和一些纵向的杆件，以避免过早弯曲破坏最长段）。（佳密克丝钢纤维混凝土65 / 35 BN）含量为60公斤/立方米（0.75%体积含量）。BBR系统用于预应力的张拉液压千斤顶装置。v1-75梁设八个预应力筋和四个v1-35梁。预应力钢等级为Y 1860 S7，与公称抗拉强度1860 MPa，等级270 ksi的ASTM A 416提出的相同。股线的公称直径为15.24毫米（0.6英寸）。B500S优质热轧螺纹钢被用作被动加固。这种钢级有500兆帕的最低屈服强度，最小拉伸强度为550兆帕，五直径计量长度的最小延伸率为12％。

图3。V1试验：（一）截面；（b）配置和设置（尺寸以毫米为单位）。

3.理论研究

传统的混凝土梁在切向应力下的响应是不可研究的。对拉压杆机制形成剪切传动故障前要求我们进行剪切响应空间研究。以同样的方式，干接头和外部预强调的结构响应的节段混凝土梁的受力限制我们考虑的只是一个纯粹的截面分析，以评估的剪切响应。

如已知，在光束的截面x中的剪切载荷V的致动是数学上相关的外部弯曲力矩M由公式。式（1）：

（1）

弯曲破裂后，梁的每个部分的外部弯矩是由一对由一个杠杆臂分离的轴向力补偿的，包括压缩和拉伸的轴向力，NC组和生理盐水组，分别为（式（2））

（2）

然后，式（1）可以在以下方式变换：

（3）

在传统的混凝土梁,杠杆臂，Z,连续两个部分之间保持大致不变，至少在初始加载阶段。然后：

（4）

以及

（5）

式（5）代表了什么是传统上被称为梁效应，裂解发生后，沿横截面的长度和宽度，沿切向应力的分布，如在图4a中所示的之一。因此，当横梁的裂纹呈网状分布时，有必要将箍筋进行拉伸。如果，由于任何情况，与周围的混凝土纵向钢筋的粘结丢失，加固是无法从梁的一个部分改变其应力到另一个，这意味着：

（6）

以及

（7）

式（7）称为拱效应，这意味着，剪切力被抵抗的倾斜的压缩轴向力。一般来说，这两种机制叠加在梁未下剪失败之前。在一段结构与体外预应力，那里没有被动加固连接段，其中预应力混凝土锚块的接触只有在和转向装置，在梁的每一个截面的轴向力保持不变。因此，剪切力的传递依赖于拱效应。在这种方式下，一个不可分割的纵向压应力的关系和切向应力发生。分布在截面的法向和切向应力等结构显示在图4b中。

图4。在正常和剪切应力，传统的混凝土梁（一）和外部后张拉法预应力混凝土节段梁。

图5。1测试模型：单关节和两段。

4.描述模型

研究剪切响应的空间机制，几个二阶效应分析采用有限元商业软件戴安娜8.1进行。用相同的目标，几个二维模型，制备具有双向元素。

板坯的宽度较小，并从放置在V1- PC试验上凸缘嵌入应变计获得的数据确保允许沿板坯[6,9]的宽度均匀的行为的。因此，梁进行了模拟使用双维度的元素组成的四个节点和八个自由度。这些元素的宽度为0.60米，在板坯，0.10米的腹板，和0.35米的腹板，翼缘过渡区。为了避免掩蔽应力的轨迹，为0.10微米的宽度在固定装置及偏区分配给该元素，同时增加了材料的弹性模量来模拟其刚度。

以节点的接口单元为蓝本，根据模型对不同的本构方程进行了分配。考虑到实验和数值试验指出，减压极限状态不在段D1和D2之间的连接达到（图3），用于分析的模型被简化，并提供2节，而不是三个和一个联合（图5）。值得注意的是，进行分析与这么多的非线性意味着最重要的是如果要达到收敛要优先在这些来源中选择。

梁被定位在两个点支持，不允许垂直位移。其中的支持也阻碍了水平位移。初始预加应力是通过施加在固定装置及转向块致动外部负载引入的。模拟预演化强调沿试验的发展，缆绳是由条形单元模拟。以这种方式，每个预应力锚索由三杆类零件建模，再现预应力折线路径（如图6所示）。这种模式的不便之处在于它模拟无限摩擦的存在偏区，这不允许缆绳滑动。实验中，已经证明，当关节开放，这些力之间的平衡在转向块的每一侧的损失使得缆绳滑移，在变形的增量沿其整个长度的分布缆绳[ 6，9 ]。弹性模量的E p = 119000 mpa被分配到钢筋预应力、造型的自由滑动的客观电缆偏量的一个简单的方法。这种虚拟价值的弹性模量（E P）可以推导出方程（8），有推导出相关之间的电缆长度偏量交叉联合L1,总长度相当于中间电缆LT，并对预应力钢压弹性模量：

(8)

通过这种方式,条形元素的刚度,EA / L,考虑所有联合开放后的变形增量,等于整个缆绳的刚度。这种方法给好的结果,由于轴向力的增加元素的联合影响充分接近增量的预应力大小测量偏量，虽然在缆绳中的应力增量不分布，但它的总长度是很麻烦的。为了避免这个问题,一旦预应力增加,△Pi,在缆绳的核心部分失败之前,△Pi沿缆绳总长度分布。为了做到这一点，结构在锚具和转向装置装有一个自平衡力系的驱动，一个大小相等、方向相同的力△Pi对分布在缆绳的每一个侧面，如在[ 10 ]中所描述的。这最后一步，避免了掩蔽的应力分布在锚地的差力对结构的影响。

混凝土材料的线性弹性行为建模。只有在压缩的塑性行为的上部板的元素进行建模，考虑抗压强度fck = 35MPa。应力-应变本构

图6。梁V1网，包括缆绳类型的元素（黑色）。

5.结果与讨论

分析了不同参数的影响，可以观察到该模型是非常几何非线性的。包含几何非线性增加模型的点荷载的垂直位移测试最大负载的50%左右。图10显示了使用二阶理论进行分析之间的差异（v1-pc-35-nlg）或没有（v1-pc-35）。

结构行为对最初的价值予应力非常敏感。它会影响强度和灵活性。发现这是主要参数影响不仅模型的行为,而且影响实际的结构，一个完整的灵敏度分析在图[10]。预应力水平的影响可以归纳为五个要点:（a）由预加应力水平的高低直接影响接头的开度；(b)结构的刚度不受预应力水平而影响关节封闭;(c)一旦接缝开放，结构的刚度是由预应力强烈影响的;预应力越高，结构刚度越大；这是说,同样的外部负载驱动结构,预应力水平越高,偏差越小;（d）最大挠度在破坏时也受预应力的影响，预应力越大，挠度越大；（e）初始预应力的增加，增加了结构的强度。

图10所示。灵敏性几何非线性分析。

在这一系列的数值试验中，对梁V1的行为进行了研究，把注意力集中在非线性由干关节的存在而产生的梁的响应。由干燥接头的存在引起的非线性和它的影响的重点关注梁的响应。用于进行分

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