预应力索—杆协同网架最优预应力值范围的探讨

闫建勇

通过3D3S钢结构设计软件设计具有实际工程意义的平面尺寸为48 m×48 m，网格为4 m，网架高度为4 m的中等跨度网架，然后通过对3D3S设计出的普通网架进行预应力改造，上弦及腹杆规格不变，将下弦刚性杆件全部替换为柔性拉索(结构用绞合钢丝索)，运用有限元分析软件ANSYS建立计算模型(见图1)，研究索—杆协同网架结构在预应力态(初态)和载荷态(终态)的变形等性能，探讨结构的最优预应力值的范围。

图1 ANSYS结构平面布置图

图2 预应力态分析

一般，确定预应力钢结构中合适的预应力值通常应遵循两个原则:

1)在满足结构应力和挠度要求的前提下，用钢量较省;

2)确定方法简单易行，便于工程控制与实现。这两条原则对于正放四角锥预应力索—杆协同网架同样适用。下文将通过对索—杆协同网架结构的静力态及荷载态特征杆件的内力分析来确定预应力值的一定范围。

1 索—杆协同网架的预应力态静力分析

静力分析是结构的基本分析，在该分析中，着重模拟结构的预应力状态及荷载态。本节探讨预应力态，即只考虑结构的自重和预张力时的分析。现将不同预应力大小情况下，结构特征点(85节点)的最大位移及特征杆件(上弦235、腹杆1107、下弦525)的轴力表示在图2中。

1)由图2a)可知，位移曲线明显分为两个阶段，当预张力小于25 kN时，位移随预张力的增加呈线性下降;当预张力大于25 kN时，位移随预张力的增加呈线性上升;当预张力等于25 kN时，位移最小接近于零。其结果充分表明了拉索的预张力对结构的影响，当反拱产生的位移小于自重产生的位移时，结构的位移随预张力的增加而减小，但仍是向下挠曲;当反拱的位移大于自重的位移时，结构的位移则向上挠曲;只有当反拱的位移等于自重的位移时，结构的位移最小。

2)由图2b)可知，网架特征杆件上弦235单元的预应力—轴力曲线和位移的变化规律相同，当预张力小于120 kN时，轴力随预张力的增加呈线性下降即杆件压力在逐渐减少;在预张力大于120 kN时，特征杆件由受压转向受拉，其轴力—拉力随预张力的增加呈线性上升;只有当预张力等于120 kN时，轴力最小。

3)由图2c)可知，特征杆件腹杆1107单元随预张力值的增大，由压杆转向了拉杆，更充分发挥了杆件的抗拉性能。

4)由图2d)可知，特征杆件下弦索525单元随预张力值的增大，由于自重产生的轴力不变，而预应力逐渐加大，故总的轴力呈线性下降。

图3 荷载态分析

2 索—杆协同网架的荷载态静力分析

由上面对预应力态下特征点(节点85)和杆件(上弦235、腹杆1107、下弦525单元)的曲线分析，我们可以假定预应力值范围为20 kN～30 kN之间。下面将对荷载态(静载)下，预应力值与挠度(节点85)、轴力(杆件235单元、886单元、505单元)的关系进行探讨(见图3)。

首先，结构在常规状态下以承受静载为主，故本文所指的荷载态是指结构在静载状况下。从图3a)静载状态下预应力—位移曲线分析可知:当预张力小于150 kN时，位移随预张力的增加呈线性下降;当预张力大于150 kN时，位移随预张力的增加呈线性上升;当预张力等于150 kN时，位移最小接近于零即网架结构挠度为零。从图3b)预张力—轴力曲线可知:随着预应力值的增加，特征杆件235的轴力(压力)在逐渐减小。此外，随预应力值的增大腹杆单元886的轴压力亦在降低，下弦索单元505轴力亦在下降。

通过以上预应力态和荷载态的分析表明，由于拉索预应力的施加，使结构的位移和内力发生明显变化，合理的预张力取值应是使上部结构的挠度、弯矩和轴力最小，又不致增加过大负担。由该结构的静力分析结果可知，其合理的预应力取值应在140 kN～160 kN之间，即自重作用下产生的轴力较小(施工过程)，及荷载(静载)态下向下挠度与预张力产生的向上反拱接近相等，即预张力的作用正好克服了由自重和静载产生的挠度时。

3 结语

通过上述对新型预应力协同网架的静力分析，可得出如下结论:

1)拉索中的预应力值的大小直接影响到结构的静力特性，过大和过小的预应力对结构均不适宜。

2)最优值应使荷载(静载)态下向下挠度与预张力产生的向上反拱接近相等，即预张力的作用正好克服了由自重和静载产生的挠度时。

3)对于本文设计的结构中拉索预应力值的范围，主要依其挠度控制，取其合理值为140 kN～160 kN之间。

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