拉索式預應力桁架結(jié)構(gòu)性能影響因素探討

崔 衛(wèi) 娟

(山西一建集團有限公司，山西 太原 030012)

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拉索式預應力桁架結(jié)構(gòu)性能影響因素探討

崔 衛(wèi) 娟

(山西一建集團有限公司，山西 太原 030012)

介紹了拉索式預應力技術(shù)和結(jié)構(gòu)特點，從拉索分布方式和拉索力學性能兩方面，分析了拉索式預應力在張拉過程中對桁架結(jié)構(gòu)性能的影響，指出拉索式預應力結(jié)構(gòu)是一種新型且高效的結(jié)構(gòu)形式，應用前景廣闊。

拉索式預應力，鋼結(jié)構(gòu)，桁架結(jié)構(gòu)，力學性能

隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展進步，國內(nèi)建筑市場蓬勃發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)應用越來越廣泛，尤其是大跨鋼結(jié)構(gòu)的應用十分廣泛。而隨著鋼結(jié)構(gòu)跨度不斷增大，鋼結(jié)構(gòu)自身重量會越來越大，相應的鋼結(jié)構(gòu)實際載荷就會減少，繼而影響建筑帶來的經(jīng)濟效益。所以，減輕鋼結(jié)構(gòu)的自重十分重要，其中一個有效方法就是開發(fā)出合理的鋼結(jié)構(gòu)形式。而拉索式預應力鋼桁架結(jié)構(gòu)就是一種新型高效的鋼結(jié)構(gòu)形式。預應力鋼結(jié)構(gòu)最常采用的形式是拉索，拉索預應力鋼桁架結(jié)構(gòu)是應用最為廣泛的一種結(jié)構(gòu)。

結(jié)合甘肅省涇川縣體育場——看臺罩棚工程進行分析探討。本工程采用空間鋼桁架結(jié)構(gòu)與預應力拉索相結(jié)合的斜拉結(jié)構(gòu)體系，前端2榀主桁架跨度115 m，16榀次桁架跨長20.78 m，次桁架與次桁架之間由XG連接，桅桿最高點約44 m。設有鋼拉索六組12根，拉索能否達到設計選定的預拉力水平關(guān)系到整個結(jié)構(gòu)體系的受力性能。因此項拉索預應力施工技術(shù)對分公司是一項冷門技術(shù)，鑒于此，筆者深入分析了拉索式預應力桁架結(jié)構(gòu)性能的影響因素，由此總結(jié)出在拉索預應力張拉中預應力桁架結(jié)構(gòu)的性能，希望能夠在建筑工程施工過程中保證鋼結(jié)構(gòu)施工及工程整體的安全。

1 拉索式預應力鋼結(jié)構(gòu)

所謂預應力鋼結(jié)構(gòu)指的是在傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)中引入預應力，進一步增強結(jié)構(gòu)材料的彈性強度，重新分布結(jié)構(gòu)內(nèi)力，并增大鋼結(jié)構(gòu)承載能力的一種鋼結(jié)構(gòu)形式。預應力鋼結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)剛度更強，彈性也更強，性能大大改善。其原因就在于鋼結(jié)構(gòu)中引入預應力后，通過調(diào)整鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部抗力與外部的載荷之間的關(guān)系，充分挖掘鋼結(jié)構(gòu)材料的彈性強度。預應力鋼結(jié)構(gòu)并非是加固結(jié)構(gòu)本身，也沒有減小鋼結(jié)構(gòu)的外部載荷能力，而是通過增強材料彈性強度、轉(zhuǎn)移內(nèi)力，來提高整體的鋼結(jié)構(gòu)的剛度和載荷能力。在預應力鋼結(jié)構(gòu)中，拉索式預應力鋼桁架是國內(nèi)外研究最早和最為廣泛的鋼結(jié)構(gòu)形式。具體的拉索式預應力鋼桁架結(jié)構(gòu)類型有拱式桁架、連續(xù)桁架、簡支桁架、立體桁架等。

2 拉索分布方式對拉索式預應力桁架結(jié)構(gòu)性能的影響

拉索式預應力桁架結(jié)構(gòu)性能優(yōu)良且應用廣泛，拉索預應力有助于豎向支撐桁架結(jié)構(gòu)，可以減小拉索內(nèi)力，與懸索結(jié)構(gòu)和斜拉結(jié)構(gòu)相比，拉索的利用率更大，并且結(jié)構(gòu)的安全性能更高，經(jīng)濟效益也更明顯。這一部分主要從拉索分布方式角度，分析拉索的轉(zhuǎn)向角度與索托節(jié)點位置，對拉索式預應力桁架結(jié)構(gòu)的具體影響，同時得出各個影響因素在什么樣參數(shù)取值范圍內(nèi)，拉索式預應力桁架結(jié)構(gòu)受力更加合理，經(jīng)濟效益能夠達到最大化。

2.1 拉索式預應力桁架結(jié)構(gòu)計算模型

拉索的布索方式對預應力桁架結(jié)構(gòu)性能的影響，主要涉及拉索內(nèi)力、腹桿內(nèi)力、平斜桿內(nèi)力、弦桿內(nèi)力等因素，下文通過應用ANSYS軟件來具體分析這幾個因素對拉索式預應力桁架結(jié)構(gòu)性能所帶來的影響。

ANSYS軟件模擬拉索式預應力桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)件。在ANSYS索托桁架模型中，采用不同單元對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行模擬。桁架弦桿和邊柱大多采用Beam188單元，因為，在鋼結(jié)構(gòu)的載荷下，桁架弦桿會產(chǎn)生軸力、剪力和彎矩，而邊柱同樣也受軸力、剪力和壓力的影響，考慮到剪切變形，采用Beam188單元進行模擬比較適合。而剪力、彎矩和軸力對桁架腹桿的影響相對較小，那么就可以使用Link8單元對桁架腹桿進行模擬研究。由于拉索只受拉力影響，應用Link10單元來模擬拉索的松弛比較合適，尤其要注意，在使用Link10單元時應選擇只受拉的選項。

ANSYS軟件模擬拉索節(jié)點。通常在ANSYS軟件模型中，使用彈簧單元、自由度耦合來對拉索節(jié)點的情況予以模擬。實際的拉索式預應力桁架結(jié)構(gòu)中，索托的節(jié)點與桁架可以相對滑動。模擬索托節(jié)點其實就是通過將桁架和拉索直接接觸的節(jié)點與桁架上的節(jié)點一一對應且連接起來，建立彈簧單元。某一處拉索的支撐力和摩擦力的大小可以通過拉索的預拉力值來求出。在沒有摩擦滑動時，其彈簧剛度等于0，那么索可以沿著其與滑道的切線方向自由的滑動。而如果存在摩擦滑動，此時的索與滑道接觸的切線方向就會出現(xiàn)彈簧，可以通過實驗得出摩擦力的值、滑移的距離，以此確定彈簧的剛度。

2.2 索托節(jié)點位置對桁架結(jié)構(gòu)性能的影響

在拉索式預應力桁架結(jié)構(gòu)中，由于拉索節(jié)點位置的不同，因而會影響預應力桁架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力以及整體位移情況。索托結(jié)構(gòu)的重要問題就是要弄清應該如何布置索托節(jié)點位置。通過ANSYS來計算不同索托節(jié)點布置方案下，拉索內(nèi)力的變化情況，從而將索力的摩擦損失計算出來。不同的節(jié)點布置，各個桿件的內(nèi)力值都不相同，在相同的索托節(jié)點布置方案下，對桁架結(jié)構(gòu)影響最大的就是索剛度。而在索托節(jié)點布置方案一定的情況下，各個桿件的內(nèi)力值大小各不相同。而隨著索托節(jié)點位置逐漸向鋼結(jié)構(gòu)的中心移動，索力是不斷減小的。

綜合上述分析，在索托節(jié)點位置不同的情況下，拉索式預應力桁架結(jié)構(gòu)的各個桿件的受力也大小不一，當索托節(jié)點在桁架結(jié)構(gòu)的1/3節(jié)點左右時，索托節(jié)點對整個預應力桁架結(jié)構(gòu)的受力是最佳的，此時結(jié)構(gòu)桿件的最大內(nèi)力值達到最小，并且結(jié)構(gòu)桿件的受力較為均勻，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)材料的彈性強度性能。

2.3 拉索轉(zhuǎn)向角對拉索式預應力桁架結(jié)構(gòu)性能的影響

在拉索式預應力桁架結(jié)構(gòu)中，索對桁架有支撐反力和水平方向上的力，相比于斜拉鋼結(jié)構(gòu)，拉索式預應力桁架結(jié)構(gòu)，在拉索的轉(zhuǎn)向角小于60°時，索托中索的利用率遠遠大于斜拉結(jié)構(gòu)中索的利用率。當索與梁的角度大于60°時，斜拉結(jié)構(gòu)索的利用率就大于拉索式預應力桁架結(jié)構(gòu)中索的利用率。因此，要根據(jù)具體的實際情況，采用適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式，以保證鋼結(jié)構(gòu)的受力更加均勻合理。在彈簧剛度和張拉力沒有發(fā)生變化的情況下，隨著拉索轉(zhuǎn)向角的不斷增大，拉索的索力不斷減小，同時索力的摩擦損失率持續(xù)增大。索力摩擦損失隨著預應力水平的升高而增加，增大到一定程度就趨于穩(wěn)定。

隨著拉索轉(zhuǎn)向角度的不斷減小，索剛度對整體結(jié)構(gòu)的位移影響增大。要達到整體預應力桁架結(jié)構(gòu)的受力比較均衡，整體位移比較適中，同時結(jié)構(gòu)材料的性能得到良好發(fā)揮的目的，必須根據(jù)具體情況，選擇最優(yōu)的拉索轉(zhuǎn)向角范圍。通過對不同拉索轉(zhuǎn)向角下的結(jié)構(gòu)整體位移情況和桿件內(nèi)力值的分析可知，在拉索轉(zhuǎn)向角為20°時，結(jié)構(gòu)的最大的豎向位移和整體位移情況較好，材料性能發(fā)揮到最大限度。所以，在設計拉索轉(zhuǎn)向角和預應力水平的過程中，要結(jié)合工程施工的具體情況，綜合考慮相關(guān)因素，選取最合適的方案。

3 拉索力學性能對拉索式預應力桁架結(jié)構(gòu)性能的影響

拉索力學性能對拉索式預應力桁架結(jié)構(gòu)性能的影響具體表現(xiàn)于拉索預應力水平、拉索截面、索托桁架結(jié)構(gòu)桿件的受力情況、結(jié)構(gòu)位移等方面。隨著拉索預應力水平的增加，桁架的平直桿、上弦桿和平斜桿就會隨之逐漸減小。不同拉索預應力水平會影響最佳的拉索預應力轉(zhuǎn)向角，預應力水平越大，最佳的拉索轉(zhuǎn)向角就增大，反之，預應力水平越小，最佳的拉索轉(zhuǎn)向角就減小。因此，在設計拉索預應力水平和轉(zhuǎn)向角時，必須將兩者結(jié)合起來加以考慮。

4 結(jié)語

只有充分且全面的探究拉索式預應力桁架結(jié)構(gòu)性能的各種影響因素，才能在具體的工程施工過程中，合理選擇并控制影響桁架結(jié)構(gòu)的因素，繼而保證工程施工的安全和使用效率。所以，相關(guān)人員應當從整體上對拉索式預應力桁架結(jié)構(gòu)，以及拉索的幾何布置、節(jié)點的位置、拉索轉(zhuǎn)向角、拉索力學性能等對桁架結(jié)構(gòu)桿件的受力、豎向位移產(chǎn)生的影響進行分析，只有這樣才能夠為施工作業(yè)的順利進行提供可靠的保障。

[1] 楊維國,鄒 清,李興坡,等.索托結(jié)構(gòu)中拉索預應力水平的優(yōu)化研究[J].中國礦業(yè)大學學報,2012,41(2):219-224.

[2] 俞福利,劉中華.月牙輪輻式索桁架結(jié)構(gòu)的預張力偏差分析及調(diào)整技術(shù)[J].空間結(jié)構(gòu),2013,19(4):67-73.

[3] 胡桂川,劉敬花.基于CAE分析的機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計[J].機械設計與研究,2011,27(3):73-76.

Inquiry on factors influencing cable-prestressed truss structure property

Cui Weijuan

(Shanxi1stConstructionGroupCo.,Ltd,Taiyuan030012,China)

The thesis introduces cable-prestressed technology and its structural features.Starting from two aspects of cable distribution modes and cable mechanical property,it analyzes the impact of cable-prestressed upon truss structure property in tensioning an pulling process,and finally points out that: the cable-prestressed structure is a kind of new and high efficient structural form,which will have wide application prospect.

cable-prestress,steel structure,truss structure,mechanical property

1009-6825(2016)29-0040-02

2016-08-05

崔衛(wèi)娟(1979- )，女，工程師

TU375.5

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