預應力索—桿協同網架最優預應力值范圍的探討

閆建勇

通過3D3S鋼結構設計軟件設計具有實際工程意義的平面尺寸為48 m×48 m，網格為4 m，網架高度為4 m的中等跨度網架，然后通過對3D3S設計出的普通網架進行預應力改造，上弦及腹桿規格不變，將下弦剛性桿件全部替換為柔性拉索(結構用絞合鋼絲索)，運用有限元分析軟件ANSYS建立計算模型(見圖1)，研究索—桿協同網架結構在預應力態(初態)和載荷態(終態)的變形等性能，探討結構的最優預應力值的范圍。

圖1 ANSYS結構平面布置圖

圖2 預應力態分析

一般，確定預應力鋼結構中合適的預應力值通常應遵循兩個原則:

1)在滿足結構應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。這兩條原則對于正放四角錐預應力索—桿協同網架同樣適用。下文將通過對索—桿協同網架結構的靜力態及荷載態特征桿件的內力分析來確定預應力值的一定范圍。

1 索—桿協同網架的預應力態靜力分析

靜力分析是結構的基本分析，在該分析中，著重模擬結構的預應力狀態及荷載態。本節探討預應力態，即只考慮結構的自重和預張力時的分析。現將不同預應力大小情況下，結構特征點(85節點)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，當預張力小于25 kN時，位移隨預張力的增加呈線性下降;當預張力大于25 kN時，位移隨預張力的增加呈線性上升;當預張力等于25 kN時，位移最小接近于零。其結果充分表明了拉索的預張力對結構的影響，當反拱產生的位移小于自重產生的位移時，結構的位移隨預張力的增加而減小，但仍是向下撓曲;當反拱的位移大于自重的位移時，結構的位移則向上撓曲;只有當反拱的位移等于自重的位移時，結構的位移最小。

2)由圖2b)可知，網架特征桿件上弦235單元的預應力—軸力曲線和位移的變化規律相同，當預張力小于120 kN時，軸力隨預張力的增加呈線性下降即桿件壓力在逐漸減少;在預張力大于120 kN時，特征桿件由受壓轉向受拉，其軸力—拉力隨預張力的增加呈線性上升;只有當預張力等于120 kN時，軸力最小。

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

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

圖3 荷載態分析

2 索—桿協同網架的荷載態靜力分析

由上面對預應力態下特征點(節點85)和桿件(上弦235、腹桿1107、下弦525單元)的曲線分析，我們可以假定預應力值范圍為20 kN～30 kN之間。下面將對荷載態(靜載)下，預應力值與撓度(節點85)、軸力(桿件235單元、886單元、505單元)的關系進行探討(見圖3)。

首先，結構在常規狀態下以承受靜載為主，故本文所指的荷載態是指結構在靜載狀況下。從圖3a)靜載狀態下預應力—位移曲線分析可知:當預張力小于150 kN時，位移隨預張力的增加呈線性下降;當預張力大于150 kN時，位移隨預張力的增加呈線性上升;當預張力等于150 kN時，位移最小接近于零即網架結構撓度為零。從圖3b)預張力—軸力曲線可知:隨著預應力值的增加，特征桿件235的軸力(壓力)在逐漸減小。此外，隨預應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。

通過以上預應力態和荷載態的分析表明，由于拉索預應力的施加，使結構的位移和內力發生明顯變化，合理的預張力取值應是使上部結構的撓度、彎矩和軸力最小，又不致增加過大負擔。由該結構的靜力分析結果可知，其合理的預應力取值應在140 kN～160 kN之間，即自重作用下產生的軸力較小(施工過程)，及荷載(靜載)態下向下撓度與預張力產生的向上反拱接近相等，即預張力的作用正好克服了由自重和靜載產生的撓度時。

3 結語

通過上述對新型預應力協同網架的靜力分析，可得出如下結論:

1)拉索中的預應力值的大小直接影響到結構的靜力特性，過大和過小的預應力對結構均不適宜。

2)最優值應使荷載(靜載)態下向下撓度與預張力產生的向上反拱接近相等，即預張力的作用正好克服了由自重和靜載產生的撓度時。

3)對于本文設計的結構中拉索預應力值的范圍，主要依其撓度控制，取其合理值為140 kN～160 kN之間。

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