拉索式預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力技術(shù)和結(jié)構(gòu)特點，從拉索分布方式和拉索力學(xué)性能兩方面，分析了拉索式預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)是一種新型且高效的結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)用前景廣闊。

拉索式預(yù)應(yīng)力，鋼結(jié)構(gòu)，桁架結(jié)構(gòu)，力學(xué)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(yīng)用越來越廣泛，尤其是大跨鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)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(yīng)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)最常采用的形式是拉索，拉索預(yù)應(yīng)力鋼桁架結(jié)構(gòu)是應(yīng)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(yù)應(yīng)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(shè)有鋼拉索六組12根，拉索能否達到設(shè)計選定的預(yù)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力桁架結(jié)構(gòu)性能的影響因素，由此總結(jié)出在拉索預(yù)應(yīng)力張拉中預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)

所謂預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)指的是在傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)中引入預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)中，拉索式預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力桁架結(jié)構(gòu)性能的影響

拉索式預(yù)應(yīng)力桁架結(jié)構(gòu)性能優(yōu)良且應(yīng)用廣泛，拉索預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力桁架結(jié)構(gòu)計算模型

拉索的布索方式對預(yù)應(yīng)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(yīng)用ANSYS軟件來具體分析這幾個因素對拉索式預(yù)應(yīng)力桁架結(jié)構(gòu)性能所帶來的影響。

ANSYS軟件模擬拉索式預(yù)應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yù)應(yīng)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(yīng)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(yù)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yīng)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(yù)應(yīng)力桁架結(jié)構(gòu)的各個桿件的受力也大小不一，當(dāng)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力桁架結(jié)構(gòu)性能的影響

在拉索式預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(dāng)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(yù)應(yīng)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(dāng)?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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(shè)計拉索轉(zhuǎn)向角和預(yù)應(yīng)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(xué)性能對拉索式預(yù)應(yīng)力桁架結(jié)構(gòu)性能的影響

拉索力學(xué)性能對拉索式預(yù)應(yīng)力桁架結(jié)構(gòu)性能的影響具體表現(xiàn)于拉索預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力水平會影響最佳的拉索預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向角，預(yù)應(yīng)力水平越大，最佳的拉索轉(zhuǎn)向角就增大，反之，預(yù)應(yīng)力水平越小，最佳的拉索轉(zhuǎn)向角就減小。因此，在設(shè)計拉索預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yīng)當(dāng)從整體上對拉索式預(yù)應(yīng)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(xué)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(yù)應(yīng)力水平的優(yōu)化研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)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(yù)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(shè)計[J].機械設(shè)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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