RFEM 预应力混凝土结构设计

技术文章

预应力混凝土构件设计除了一般混凝土结构构件的计算步骤之外还需要一些附加的计算步骤,例如最开始建模阶段的预应力曲线钢筋的建模、等效荷载计算以及最终截面承载力计算。因此预应力混凝土结构计算类软件需要进行模块化软件设计和软件界面导航化的功能应用就显得尤为重要。有限元软件 RFEM 的两个附加模块 RF-TENDON 和 RF-TENDON Design 完全满足上述的软件结构体系的设置要求, 并可以计算各类预应力混凝土构件例如按照欧洲规范 EN 1992-1-1 及其全部国家附录和 SIA 262 计算梁、框架、板、高层建筑和桥梁结构等。

结构建模

结构建模是计算预应力混凝土结构构件的第一步。RFEM 可以简单快速的建立梁、框架、板、复杂高层建筑和桥梁等结构体系的建模工作。RFEM 5 是按照一般的 CAD 程序设置的操作界面和工作环境,因此建模工作非常直观。

在 RFEM 软件中提供了大量典型的截面形式用于杆件结构建模和分析计算。另外还可以对由薄壁截面软件 SHAPE-THIN 导入的各类特殊形式的截面进行有限元分析。

荷载输入可以通过软件提供的荷载生成器自动生成例如计算雪荷载生成器进行简化建模。荷载组合的设置将按照集成在软件中的国家规范自动生成。当然用户也可以手动设置荷载状况,例如在不同的施工阶段定义不同的荷载工况。由于软件可以显示真实的三维渲染模型,用户可以即时检查和修改建立的有限元模型。

图 01 – RFEM预应力混凝土楼板结构模型

预应力钢筋几何尺寸

定义与结构形式相关联的三维预应力曲线钢筋有限元模型难度较大而且非常费时,尤其是对于空间弯曲形式的结构构件。此类结构构件通过在 XY- 和 XZ-平面建立模型可以将这类空间问题简化为 2D 模型。此时梁将在 XY- 和 XZ-平面显示为直线,因此极大简化了定义预应力曲线钢筋的工作。

另外一个在工作中可能出现的难点是定义并显示在细长的预应力构件上的预应力曲线钢筋形式。其主要问题是,梁构件通常情况下较长而且可能较为扁平。因此当按比例显示整个梁的截面高度时图形非常小,并且预应力曲线钢筋的图形在细部显示图形中非常难于识别。在附加模块 RF-TENDON 中则可以在竖向和水平方向按比例缩放预应力曲线钢筋显示比例。因此对于细长结构类型杆件其截面可以显示的更大,并且可以更加清楚的显示预应力曲线钢筋的形式。

图 02 – 预应力曲线钢筋梁的建模处理形式

预应力钢筋的几何形式可以通过使用软件中的预应力钢筋的标准形式自动生成。并且软件生成预应力钢筋的几何尺寸时可以同时考虑当前结构的支座。预应力钢筋的位置可以根据需要在后期的计算中进行调整和设置。

预应力钢筋的三维几何尺寸通过在 XY- 和 XZ-平面内同步建模和处理。通过在两个方向上的建模处理可以生成弯曲类型梁的三维预应力曲线钢筋。因此软件用户可以不需要附加额外的操作就可以快速的建立弯曲类型预应力混凝土梁的预应力钢筋。两个方向上的建模处理方法同样适用于直线类型的预应力混凝土结构梁。

预应力作用影响

软件可以考虑预应力钢筋的偏心及其方向变化后自动计算,将预应力影响产生的荷载作用转换为等效荷载进行下一步计算。计算得出的等效荷载可以在图形上直接显示。由预应力产生的等效荷载可以与外部恒荷载、活荷载在建立的三维计算模型上同时显示。因此由附加模块 RF-TENDON 计算得出的预应力可以在计算过程中更加易于识别。

预应力作用对计算过程的影响可以通过调整预应力值的大小进行调节。按照林同炎教授的理论,外部荷载准永久值部分与预应力的等效荷载相平衡。按照这种方法设计的预应力混凝土结构称之为“平衡荷载法“,并用于预应力钢筋的逐步计算。在附加模块 RF-TENDON 中不仅可以显示外部荷载而且还可以显示预应力的等效荷载。

图 03 – 预应力钢筋的等效荷载图形

模块可以在考虑预应力损失后计算预应力钢筋的应力值大小以及预应力的等效荷载。锚具回缩变形和钢筋内所引起的预应力损失、预应力筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失直接按照沿着预应力钢筋方向的应变积分进行计算得出。这种计算方法可以考虑各类三维预应力钢筋的曲线配筋时的角度变化。由混凝土弹性应变造成的预应力损失可以使用理想截面属性进行计算。软件还可以按照规范考虑由于长期永久荷载作用下混凝土收缩、徐变引起的预应力损失以及考虑在受拉荷载作用下预应力钢筋松弛导致的预应力损失。在计算混凝土收缩、徐变的影响是还可以考虑荷载历程的影响。

静力计算

预应力作用将自动添加在结构构件上,并可以使用有限元方法进行计算。计算预应力作用时将考虑一次效应和二次效应的影响。预应力板计算板带单元的内力可以集成到虚拟的结果杆件上,并在下一步截面设计和计算中继续使用。结构的内力(考虑预应力作用)将在有限元软件 RFEM 计算导出到附加模块 RF-TENDON Design 中。

预应力构件截面计算

预应力构件设计的最后一步是设计和验算预应力混凝土构件截面。上述计算可以使用附加模块 RF-TENDON Design。模块中集成了欧洲规范 Eurocode 2 和瑞士规范 SIA 262。另外模块集成了欧洲规范 DIN EN 1992-1-1/NA 和 ÖNORM EN 1992-1-1 中包含的 8 个国家规范附录所规定的参数和计算方法。

使用模块功能可以检查预应力构件中的三维预应力筋的任何一种截面形式和钢筋布置。针对典型的截面形式,软件集成了常用的预应力筋布置模板。截面中的预应力筋和套管的位置可以自动由三维预应力钢筋的几何形式直接导入。

RF-TENDON Design 不仅可以按照瑞士规范 SIA- 或者欧洲规范 Eurocode 2 中的规定和要求验算截面,而且可以进行截面的承载力能力极限状态计算以及正常使用极限状态验算。另外欧洲规范 EN-1992-2- 混凝土桥梁结构设计与准则也包含在其中。另外模块 RF-TENDON Design 可以考虑例如轴力、弯矩、剪力和扭矩内力情况的相关性计算。正常使用极限状态验算包括了应力验算、裂缝验算、消压以及挠度验算。

除了上述外,RFEM 是一款非常强大的按照欧洲规范 Eurocode- 和瑞士规范 SIA 的软件用于计算截面压力-应变关系曲线、截面刚度以及计算弯矩-曲率曲线的有限元软件。 软件的用户操作界面和图形、各种计算的详细信息、显示快速的计算结果以及指定计算选取的个别结构构件等各项功能非常强大。计算过程和结果中的警告信息和建议为用户提供了包络万象的技术指导和帮助。

图 04 – 预应力梁在承载力能力极限状态下的应力-应变曲线

概述总结

在有限元软件 RFEM 5 中,用户可以将预应力需要的计算过程逐步显示。RF-TENDON 不仅可以计算预应力混凝土梁、框架结构也可以计算预应力混凝土板和各种复杂的预应力混凝土结构, 而且是一款界面清晰、非常易于操作和掌握的软件。除了上述外,软件的界面不仅非常易于用户有效的创建各类复杂结构模型,并且软件可以快速有效的进行预应力结构的初步设计。RF-TENDON 和 RF-TENDON Design 两个模块基本上覆盖了用户按照欧洲混凝土设计规范 Eurocode 2 设计以及计算预应力混凝土结构时所需要的各种设计要求。

参考书目

[1]   Navrátil, J. (2014). Prestressed Concrete Structures (2nd ed.). Ostrava: Technical University of Ostrava, Faculty of Civil Engineering.

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RFEM 主程序 RFEM
RFEM 5.xx

主程序

结构设计与有限元­分析软件(FEA)可以用于建立平面与空间结构模型,适用于由杆件、面、板、墙、折板、膜、壳、实体以及接触单元等的建模与分析计算。

首个许可价格
3,540.00 USD
RFEM 混凝土结构
RF-TENDON 5.xx

附加模块

定义预应力混凝土杆件的预应力钢筋

首个许可价格
2,060.00 USD
RFEM 混凝土结构
RF-TENDON Design 5.xx

附加模块

预应力混凝土设计按照欧洲规范 2

首个许可价格
1,610.00 USD