預(yù)應(yīng)力索—桿協(xié)同網(wǎng)架最優(yōu)預(yù)應(yīng)力值范圍的探討

閆建勇

通過3D3S鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件設(shè)計具有實際工程意義的平面尺寸為48 m×48 m，網(wǎng)格為4 m，網(wǎng)架高度為4 m的中等跨度網(wǎng)架，然后通過對3D3S設(shè)計出的普通網(wǎng)架進(jìn)行預(yù)應(yīng)力改造，上弦及腹桿規(guī)格不變，將下弦剛性桿件全部替換為柔性拉索(結(jié)構(gòu)用絞合鋼絲索)，運用有限元分析軟件ANSYS建立計算模型(見圖1)，研究索—桿協(xié)同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在預(yù)應(yīng)力態(tài)(初態(tài))和載荷態(tài)(終態(tài))的變形等性能，探討結(jié)構(gòu)的最優(yōu)預(yù)應(yīng)力值的范圍。

圖1 ANSYS結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖2 預(yù)應(yīng)力態(tài)分析

一般，確定預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)中合適的預(yù)應(yīng)力值通常應(yīng)遵循兩個原則:

1)在滿足結(jié)構(gòu)應(yīng)力和撓度要求的前提下，用鋼量較省;

2)確定方法簡單易行，便于工程控制與實現(xiàn)。這兩條原則對于正放四角錐預(yù)應(yīng)力索—桿協(xié)同網(wǎng)架同樣適用。下文將通過對索—桿協(xié)同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的靜力態(tài)及荷載態(tài)特征桿件的內(nèi)力分析來確定預(yù)應(yīng)力值的一定范圍。

1 索—桿協(xié)同網(wǎng)架的預(yù)應(yīng)力態(tài)靜力分析

靜力分析是結(jié)構(gòu)的基本分析，在該分析中，著重模擬結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力狀態(tài)及荷載態(tài)。本節(jié)探討預(yù)應(yīng)力態(tài)，即只考慮結(jié)構(gòu)的自重和預(yù)張力時的分析?，F(xiàn)將不同預(yù)應(yīng)力大小情況下，結(jié)構(gòu)特征點(85節(jié)點)的最大位移及特征桿件(上弦235、腹桿1107、下弦525)的軸力表示在圖2中。

1)由圖2a)可知，位移曲線明顯分為兩個階段，當(dāng)預(yù)張力小于25 kN時，位移隨預(yù)張力的增加呈線性下降;當(dāng)預(yù)張力大于25 kN時，位移隨預(yù)張力的增加呈線性上升;當(dāng)預(yù)張力等于25 kN時，位移最小接近于零。其結(jié)果充分表明了拉索的預(yù)張力對結(jié)構(gòu)的影響，當(dāng)反拱產(chǎn)生的位移小于自重產(chǎn)生的位移時，結(jié)構(gòu)的位移隨預(yù)張力的增加而減小，但仍是向下?lián)锨?當(dāng)反拱的位移大于自重的位移時，結(jié)構(gòu)的位移則向上撓曲;只有當(dāng)反拱的位移等于自重的位移時，結(jié)構(gòu)的位移最小。

2)由圖2b)可知，網(wǎng)架特征桿件上弦235單元的預(yù)應(yīng)力—軸力曲線和位移的變化規(guī)律相同，當(dāng)預(yù)張力小于120 kN時，軸力隨預(yù)張力的增加呈線性下降即桿件壓力在逐漸減少;在預(yù)張力大于120 kN時，特征桿件由受壓轉(zhuǎn)向受拉，其軸力—拉力隨預(yù)張力的增加呈線性上升;只有當(dāng)預(yù)張力等于120 kN時，軸力最小。

3)由圖2c)可知，特征桿件腹桿1107單元隨預(yù)張力值的增大，由壓桿轉(zhuǎn)向了拉桿，更充分發(fā)揮了桿件的抗拉性能。

4)由圖2d)可知，特征桿件下弦索525單元隨預(yù)張力值的增大，由于自重產(chǎn)生的軸力不變，而預(yù)應(yīng)力逐漸加大，故總的軸力呈線性下降。

圖3 荷載態(tài)分析

2 索—桿協(xié)同網(wǎng)架的荷載態(tài)靜力分析

由上面對預(yù)應(yīng)力態(tài)下特征點(節(jié)點85)和桿件(上弦235、腹桿1107、下弦525單元)的曲線分析，我們可以假定預(yù)應(yīng)力值范圍為20 kN～30 kN之間。下面將對荷載態(tài)(靜載)下，預(yù)應(yīng)力值與撓度(節(jié)點85)、軸力(桿件235單元、886單元、505單元)的關(guān)系進(jìn)行探討(見圖3)。

首先，結(jié)構(gòu)在常規(guī)狀態(tài)下以承受靜載為主，故本文所指的荷載態(tài)是指結(jié)構(gòu)在靜載狀況下。從圖3a)靜載狀態(tài)下預(yù)應(yīng)力—位移曲線分析可知:當(dāng)預(yù)張力小于150 kN時，位移隨預(yù)張力的增加呈線性下降;當(dāng)預(yù)張力大于150 kN時，位移隨預(yù)張力的增加呈線性上升;當(dāng)預(yù)張力等于150 kN時，位移最小接近于零即網(wǎng)架結(jié)構(gòu)撓度為零。從圖3b)預(yù)張力—軸力曲線可知:隨著預(yù)應(yīng)力值的增加，特征桿件235的軸力(壓力)在逐漸減小。此外，隨預(yù)應(yīng)力值的增大腹桿單元886的軸壓力亦在降低，下弦索單元505軸力亦在下降。

通過以上預(yù)應(yīng)力態(tài)和荷載態(tài)的分析表明，由于拉索預(yù)應(yīng)力的施加，使結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力發(fā)生明顯變化，合理的預(yù)張力取值應(yīng)是使上部結(jié)構(gòu)的撓度、彎矩和軸力最小，又不致增加過大負(fù)擔(dān)。由該結(jié)構(gòu)的靜力分析結(jié)果可知，其合理的預(yù)應(yīng)力取值應(yīng)在140 kN～160 kN之間，即自重作用下產(chǎn)生的軸力較小(施工過程)，及荷載(靜載)態(tài)下向下?lián)隙扰c預(yù)張力產(chǎn)生的向上反拱接近相等，即預(yù)張力的作用正好克服了由自重和靜載產(chǎn)生的撓度時。

3 結(jié)語

通過上述對新型預(yù)應(yīng)力協(xié)同網(wǎng)架的靜力分析，可得出如下結(jié)論:

1)拉索中的預(yù)應(yīng)力值的大小直接影響到結(jié)構(gòu)的靜力特性，過大和過小的預(yù)應(yīng)力對結(jié)構(gòu)均不適宜。

2)最優(yōu)值應(yīng)使荷載(靜載)態(tài)下向下?lián)隙扰c預(yù)張力產(chǎn)生的向上反拱接近相等，即預(yù)張力的作用正好克服了由自重和靜載產(chǎn)生的撓度時。

3)對于本文設(shè)計的結(jié)構(gòu)中拉索預(yù)應(yīng)力值的范圍，主要依其撓度控制，取其合理值為140 kN～160 kN之間。

[1]戴國欣，李龍春.下弦為預(yù)應(yīng)力索的協(xié)同網(wǎng)架的構(gòu)想[J］.重慶建筑大學(xué)學(xué)報，2000(22):13-15.

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