索結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力控制的研究及其應(yīng)用

李 嵩 湖北工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430068

網(wǎng)殼式的結(jié)構(gòu)是常見的預(yù)應(yīng)力控制結(jié)構(gòu)，就是采用網(wǎng)殼式的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的受力相對來說比較穩(wěn)定和均勻，這種結(jié)構(gòu)的大部分結(jié)構(gòu)的受力點就是桿結(jié)構(gòu)，還有一種網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)式單層的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有著自己的獨特優(yōu)點，那就是結(jié)構(gòu)簡單，透光率好，外觀大方符合時代審美觀，因而非常適宜做為玻璃采光頂?shù)奈菝娼Y(jié)構(gòu)。

1 設(shè)計思路

網(wǎng)殼機構(gòu)有很多中，比如常見的柱面形式的網(wǎng)殼，拋物面網(wǎng)殼，球面網(wǎng)殼等等，由于他們的主受力結(jié)構(gòu)就是整個結(jié)構(gòu)中的桿結(jié)構(gòu)，在受力方面很難的控制，穩(wěn)定失衡的現(xiàn)象很常見。對結(jié)構(gòu)應(yīng)力的控制也是主要控制的這方面的受力。不過有些鞍形的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)受力主要就是桿桿結(jié)構(gòu)的受壓和受拉，相比較來說這種結(jié)構(gòu)有很好的整體穩(wěn)定性，網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)也比較簡單，適用于那些更大的跨度空間結(jié)構(gòu)建設(shè)。鞍形網(wǎng)殼和預(yù)應(yīng)力鞍形索網(wǎng)相類似，都具有良好的形狀穩(wěn)定性和剛度，但是都需要較大截面的邊緣構(gòu)件以保證強度和剛度要求，因此邊緣構(gòu)件的合理設(shè)計成為是否采用這種體系的關(guān)鍵。

2 預(yù)應(yīng)力鞍形索網(wǎng)結(jié)構(gòu)分析

預(yù)應(yīng)力鞍形索網(wǎng)鋼架結(jié)構(gòu)主要的組成結(jié)構(gòu)是鋼索結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有著特殊曲面，兩組鋼索在各交點上連接。預(yù)應(yīng)力鞍形索網(wǎng)曲面形式復(fù)雜多樣，千姿百態(tài)，結(jié)構(gòu)簡潔明快，擋光率低，非常適宜做為玻璃采光頂?shù)奈菝娼Y(jié)構(gòu)。預(yù)應(yīng)力鞍形索網(wǎng)具有良好的形狀穩(wěn)定性和剛度，但是需要較大截面的邊緣構(gòu)件以保證強度和剛度要求，因此邊緣構(gòu)件的合理設(shè)計成為是否采用這種體系的關(guān)鍵。

3 張弦雜交結(jié)構(gòu)及其他邊界效應(yīng)分析

張弦雜交結(jié)構(gòu)及其他邊界效應(yīng)分析，這種復(fù)合的結(jié)構(gòu)，主要是通過橫向腹桿結(jié)構(gòu)和上下弦索結(jié)構(gòu)組成的結(jié)構(gòu)。通過特殊的預(yù)應(yīng)力控制這種結(jié)構(gòu)能夠充分的發(fā)揮出自身的受力性質(zhì)，在結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性方面能夠發(fā)揮出最大作用。這種張弦梁結(jié)構(gòu)整體上有著很大的優(yōu)勢，這種結(jié)構(gòu)的剛度取決于結(jié)構(gòu)的上弦抗彎曲結(jié)構(gòu)和拉索結(jié)構(gòu)的橫截面，這種結(jié)構(gòu)也是一種常見的半剛性結(jié)構(gòu)，通常有以下的特點:(1)結(jié)構(gòu)整體的承載能力高。相對來說這種結(jié)構(gòu)的整體承重能力有了極大的提高，張弦梁的結(jié)構(gòu)中的索結(jié)構(gòu)可以有效的調(diào)整結(jié)構(gòu)中的剛性結(jié)構(gòu)的受力以及結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力的分布。比如，在一個結(jié)構(gòu)中，剛性結(jié)構(gòu)是梁結(jié)構(gòu)的情況下，這是梁下通常使用撐桿和索結(jié)構(gòu)的組合，索結(jié)構(gòu)連著梁結(jié)構(gòu)的兩端，這個機構(gòu)在承受載荷的時候，梁受到彎曲剪力的作用，在負(fù)載達(dá)到一定的程度時，結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力控制可以通過調(diào)整梁的結(jié)構(gòu)布置來平均分配負(fù)載產(chǎn)生的應(yīng)力，也可以通過控制跨度方向上的受力，調(diào)整梁的橫截面積的受力情況;(2)使用荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形小。這種復(fù)合的結(jié)構(gòu)能夠大大的提高結(jié)構(gòu)整體的剛性，在有負(fù)載的情況下這種結(jié)構(gòu)的變形是非常小的，關(guān)鍵就是張弦梁中的索結(jié)構(gòu)和梁結(jié)構(gòu)的結(jié)合這種科學(xué)的組合共同的平衡應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)整體的受力平衡;(3)結(jié)構(gòu)有一定的自平衡功能。這種結(jié)構(gòu)還有一種其他鋼架結(jié)構(gòu)無可比擬的優(yōu)點，那就是結(jié)構(gòu)自身有一定自我調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)整體平衡的能力，這種調(diào)節(jié)的原理就是，拱形的構(gòu)件能夠在水平方向上產(chǎn)生一定的應(yīng)力，結(jié)構(gòu)中索的牽引力能夠有效的平衡側(cè)向結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力。這樣的結(jié)構(gòu)能讓結(jié)構(gòu)支座的作用充分的發(fā)揮出來，而且結(jié)構(gòu)的設(shè)計方便，裝吊容易;(4)適應(yīng)性強。這種復(fù)合的結(jié)構(gòu)中的組合結(jié)構(gòu)可以根據(jù)實際的施工環(huán)境進(jìn)行一定的調(diào)整，能夠最大程度的發(fā)揮出結(jié)構(gòu)的審美要求;(5)設(shè)計制作以及施工簡便。同其他的鋼架結(jié)構(gòu)相比，這種復(fù)合的結(jié)構(gòu)在設(shè)計的方面相對比較方便，由于這種復(fù)合結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)性比較強，所以在施工和制作的時候可以靈活的運用，在運輸?shù)倪^程中這種復(fù)合的結(jié)構(gòu)可以方便的拆裝運輸。

4 工程案例

(1)工程概況。本工程是在兩座舊的建筑物之間的既有建筑屋頂添加采光屋頂，在原有的基礎(chǔ)上，不能增大整個建筑結(jié)構(gòu)的受力負(fù)擔(dān)。根據(jù)實際的情況，對這項工程，采用馬鞍索網(wǎng)結(jié)構(gòu)來建設(shè)采光頂，使用張弦梁和索銜架當(dāng)做是縱向的邊界支撐結(jié)構(gòu)，橫向的支撐結(jié)構(gòu)使用特制的單鋼管結(jié)構(gòu)，在這個結(jié)構(gòu)的下部要設(shè)計小立柱作為整體的分支支撐。在整個結(jié)構(gòu)中只要能夠保證穩(wěn)定索和承重索在水平投影方向上是垂直位置結(jié)構(gòu)，相鄰的網(wǎng)格四點在同一平面中，就能完成整個結(jié)構(gòu)的建設(shè)。采用此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于:材料用量少，結(jié)構(gòu)整體的質(zhì)量輕，透光率高，針對這種設(shè)計要求和環(huán)境要求十分的匹配;缺點在于:此方案為國內(nèi)首次應(yīng)用，還處在一個探索過程，這種結(jié)構(gòu)對承重桿的要求非常的高，相對于梁的位置要求也很高。

(2)施工步驟。整體結(jié)構(gòu)的安裝和結(jié)構(gòu)形狀的控制→玻璃安裝前的靜力準(zhǔn)備→結(jié)構(gòu)張拉應(yīng)力的補償→完善和應(yīng)力加載。在此過程中要對各個階段的支撐桿處的應(yīng)力變化進(jìn)行測試。

(3)施工方案比選。方案一:依照原有設(shè)計的預(yù)應(yīng)力，把索網(wǎng)結(jié)構(gòu)整體的張拉到結(jié)構(gòu)設(shè)計的初始態(tài)，然后，鋪設(shè)頂層的玻璃，逐漸的讓索網(wǎng)結(jié)構(gòu)達(dá)到一種平衡狀態(tài)。綜合來說，這種方案很容易完成施工，但是，這種方案，對兩邊原有舊建筑物的拉力很大，很可能導(dǎo)致舊建筑的破壞。方案二:通過對結(jié)構(gòu)的張拉加載的張拉過程，首先，以設(shè)計預(yù)應(yīng)力的三分之一力進(jìn)行設(shè)計的張拉成形，然后，鋪設(shè)頂棚的玻璃板，當(dāng)頂棚的玻璃板鋪好以后，通過張拉，讓結(jié)構(gòu)中索的軸力逐漸達(dá)到計算設(shè)計的要求。這套方案設(shè)計及施工有些復(fù)雜，不過，這套方案的優(yōu)點就是能夠充分的利用結(jié)構(gòu)中鋼材的反復(fù)受力的特性，減輕邊緣構(gòu)件和邊緣建筑物的受力。

綜合的分析上面的設(shè)計施工方案，發(fā)現(xiàn)第二套方案更加的合理。所以使用第二套方案。

5 施工模擬

首先，使用設(shè)計預(yù)應(yīng)力值要求的三分之一為初始預(yù)應(yīng)力值對整個索網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的張拉到位，張拉成形以后，得出的最終結(jié)果和上述的找形結(jié)果保持一致。就整個索結(jié)構(gòu)的索內(nèi)預(yù)應(yīng)力是找形的三分之一就是4.92700kN。然后，加載玻璃板。最后再次的張拉到位。

(1)計算條件。①結(jié)構(gòu)的上弦拱、下弦索均為拋物線，其初始的結(jié)構(gòu)曲線方程為:拱的斜率變化同上層屋面的結(jié)構(gòu)一致，索內(nèi)斜率浮動同腹桿的位置保持一致。②腹桿結(jié)構(gòu)同拱的銜接模式為鉸接模式。索結(jié)構(gòu)和拱結(jié)構(gòu)對結(jié)構(gòu)的邊緣構(gòu)件有很大的拉力，所以，把張弦梁結(jié)構(gòu)一端進(jìn)行鉸接，還要限制這部分平面范圍內(nèi)的水平以及豎向的線位移，而另一端只限制豎直方向上的位移，這樣就允許了結(jié)構(gòu)在水平方向自由滑動，進(jìn)而消除了索和拱對結(jié)構(gòu)的支座產(chǎn)生了很大的水平拉力，進(jìn)而減輕了邊緣構(gòu)件的負(fù)載，同時，又減輕了結(jié)構(gòu)在使用中的內(nèi)應(yīng)力。但是這樣結(jié)構(gòu)會有較大的水平支座位移，尤其在溫度荷載下(40 度溫差)，應(yīng)予以注意。

豎向荷載在每個節(jié)點上按照設(shè)計值取為6.02KN，水平荷載在每個節(jié)點上均按照設(shè)計值取為11.988KN。(計算變形時按照標(biāo)準(zhǔn)值分別取為5.10KN 和8.88KN)。單元上的節(jié)點荷載由玻璃四角傳來，按面積生成。溫度荷載取正負(fù)50 度。溫度線膨脹系數(shù)取1.1e-5。

(2)結(jié)果分析。為了保證張弦桁架在最不利荷載的情況下不會松弛，應(yīng)給水平拉索和垂直拉索施加一定的預(yù)應(yīng)力。計算分析表明，在同時作用豎向荷載、水平荷載和升溫50 度的荷載下為最不利荷載。此時，為了保證節(jié)點位移控制在1/250 以內(nèi)，需要給拉索初始張拉應(yīng)力最大值為170Mpa。