單元拼裝式自平衡預應力網格結構成型方法的研究

付浩然，李國東，鄂 婧，李笑鮮

（東北林業(yè)大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 引言

單元拼裝式自平衡預應力網格結構是一種新式的預應力空間鋼結構，結構是由結構基本單元拼裝組成，結構的基本單元的形狀為一幾何多面體，該幾何多面體是由外部只能承受拉力的柔性拉索和內部按照一定規(guī)則設置的剛性壓桿組成。

2 單元拼裝式預應力網格結構的成型方法

結構成型是指在實現結構的空間幾何形態(tài)并在預應力結構中建立既定預應力的過程。通常情況下，直接張拉預應力拉索的拉索法是預應力空間鋼結構廣泛采用的結構成型手段，但是拉索法并不適合單元拼裝式自平衡預應力網格結構的成型，這與自平衡預應力網格結構的結構特征和構造特點相關。

首先，在單元拼裝式自平衡預應力網格結構中拉索的根數眾多，絕大多數拉索的設計預應力不同，張拉過程中各拉索之間索力相互影響大，拉索張拉控制應力確定困難。

其次，自平衡預應力網格結構的各個節(jié)點上關聯的構件數量較多，難以為數量眾多的拉索的張拉提供必要的作業(yè)空間和錨固空間，工程實施困難，結構成型質量難以保證。

因此，單元拼裝式自平衡預應力網格結構上通常從結構構件的空間上協(xié)調變形特點上解決其成型的難題。絲扣擰張法就是一種通過伸長壓桿間接實現拉索張拉的拉索預應力建立方法。絲扣擰張法的技術特點如下：為實現壓桿的伸長，在壓桿的兩端分別設置一定長度的絲扣方向相反的螺栓，安裝壓桿時將兩端的螺栓旋入端部的球形節(jié)點的螺中，結構拼裝完成后，旋轉壓桿使桿端的螺栓自節(jié)點構件中旋出，壓桿實現伸長，同時與該壓桿連接的拉索實現張緊。

3 結構成型的步驟及措施

采用絲扣擰張法實現單元拼裝式自平衡預應力網格結構的成型需按照以下步驟實現（如圖1所示）：

（1）結構單元拼裝，依據設計圖紙將組成預應力網格結構的各結構單元體組裝完成，由于在結構的拼裝階段壓桿不需伸長，因此結構單元體中各構件的預應力為零。

（2）結構整體拼裝。此階段的主要工作是按照預應力網格結構體系的拓撲特點，將各結構單元體拼裝對位。為保證成型質量，拼裝時需布設腳手架及腳手板，腳手板上應設置臨時墊塊或臨時支架，確保結構在成型前各節(jié)點構件不懸空。

圖1 翹曲型網架結構成型示意圖

（3）結構成型。預應力網格結構體系的成型是組成結構的各結構基本單元體按一定順序逐批成型的過程。結構成型時，需根據預應力網格結構體系的空間形狀及結構基本單元體的空間分布規(guī)律指定壓桿的伸長順序，壓桿的絲扣擰張作業(yè)應以網殼結構的基本單元體作為基本的作業(yè)單位，各作業(yè)單位間的作業(yè)順序自結構的中心處的結構基本單元體開始，然后依次向預應力索桿網格結構的邊界方向分批逐次地開展，同批的作業(yè)單位的成型需同步完成。

在具體實施時拉索中的預應力可以通過簡單的計算獲得，假設拉桿j與壓桿k相關聯，通過拉索的控制張拉應力可以從拉索的彈性工作特點換算出拉索的理論伸長長度，為實現該拉索的可以通過下式計算出壓桿的理論伸長量為：

其中的 是壓桿k與拉索j的空間夾角。通過合理的估算結構中拉桿的伸長量值就可確定壓桿的理論伸長量，從而實現每根拉索的預應力度。

當所有的壓桿完成既定的伸長量后，結構的應力狀態(tài)和空間形態(tài)均達到既定的成型狀態(tài)，實現了結構成型。

4 結論

本文深入地討論了適用于單元拼裝式自平衡預應力索桿結構體系結構的成型方法，獲得的主要結論如下：

（1）單元拼裝式自平衡預應力索桿結構構造特征決定了拉索法難以應用在這種結構的成型上，絲扣擰張法是一種合適的結構成型方法。

（2）絲扣擰張法實施簡便，由于其實施的效果與實施的過程無關，只取決于壓桿的和拉桿成型前后的狀態(tài)，因此成型效果良好。

（3）用絲扣擰張法實現單元拼裝式自平衡預應力索桿結構的成型應按照結構單元拼裝、結構整體拼裝和結構成型這三個步驟實現，在結構成型階段需結合結構體系的拓撲特點，優(yōu)選合理的結構單元間的成型方案。

（4）絲扣擰張法對結構的節(jié)點構件的尺寸、構造等要求嚴格，節(jié)點的優(yōu)化設計值得深入研究。

[1] 劉錫良.現代空間結構[M].天津：天津人學出版社，2003.

[2] 翟廣泛，劉晚成，吳桂娟.單元拼裝式自平衡預應力鋼結構 構件加工與安裝[J]. 森林工程，2006，22(4)：52-54.