预应力钢结构虚拟张拉技术研究

□□ 苗　杰　(运城职业技术学院，山西 运城　044000)



预应力钢结构虚拟张拉技术研究

□□ 苗杰(运城职业技术学院，山西 运城044000)

摘要：预应力钢结构是现代社会和经济发展的必需品，但是预应力钢结构施工工序麻烦，尤其是施工过程中不可预测性强，存在潜在的危险，也可能由于施工不当造成所施工的建筑物不能满足使用要求。在施工前进行模拟分析来预测可能出现的问题，改善施工条件，优化施工方案，可保证预应力钢结构安全、经济、稳定地进行施工。

关键词：预应力；模拟分析；钢结构；计算机

引言

预应力钢结构尤其是大跨度钢结构，如张拉整体式、全张力柔性、悬拉锁结构等的施工，与结构的成型过程有着直接的联系。如果选用的张拉力、张拉顺序、张拉设备不当，都将使拉锁结构难以达到设计要求和使用要求。因此，为了选择适当的方案进行设计和施工，最近几年推出了虚拟现实技术——虚拟张拉技术[1]。

虚拟张拉技术是借助于计算机结合现实中的因素进行模拟仿真分析，便于在施工前了解施工中可能遇到的问题，避免施工过程中的安全隐患，使建设单位和施工单位提前了解施工过程中可能遇到的问题[2]。在施工前采取一定的措施进行事前控制，确保施工的顺利和安全实施，不仅可以降低工程造价，而且可以确保工程安全进行、缩短工期。

1虚拟技术的必要性和作用

目前所建设的大跨度空间钢结构建筑，尤其是钢结构拉索结构施工时，可以采用刚柔相济后完全柔性的施工方案与虚拟张拉技术同时应用，共同发展[3]。通常可以在以下几个方面进行应用：

(1)大跨度钢结构建筑因为其工程的受力情况的复杂性，并且在施工过程中很多工作具有不可逆转性，在施工过程中的受力情况也在不断发生变化，因此为保证工程的施工可靠度，应首先进行模拟分析，当一切就绪时方可进行施工，以避免施工过程中可能出现的重大事故和失误。

(2)在模拟分析后对施工方案进行优化再进行模拟，以确保施工过程中的张拉顺序和张拉力，因此进行模拟分析后选择最优方案进行施工。

(3)可以对张拉施工人员和张拉设备进行优化配置，增大张拉的可操作性并且可以节省工程总造价，必要时对张拉施工人员进行培训和考核[4]。

(4)采用模拟分析较试验室进行模拟试验和缩小模型节省时间、安全、造价低，并且进行模拟分析时可以进行多次模拟操作，精度也较试验室和缩小模型高。

2模拟基本原理和技术应用

2.1　模拟技术组成

模拟技术是根据预应力钢结构施工过程的实际操作进行分析，其中包含了许多学科的共同建设。模拟技术的核心部分包括以下3个方面：

2.1.1可视化与交互技术

可视化是通过计算机显示技术与图形学融合，将模拟施工过程通过映射方式进行交换的行为和过程；而交互过程是现实生活中的人通过大脑判断与模拟分析的软件进行信息交流[5]。

2.1.2建模技术

首先，应先将施工过程在计算机软件中使用图形学建立一个与真实情况一样的模型。这个模型可以反映工程的形态和用途、类型等，是真实工程的映射。根据实际施工工程的情况，通过建筑用CAD等软件建立相同的模型，形成一个可视化操作的模型。

2.1.3仿真技术

对真实的工程进行模拟分析，通过验算和对比，最后优化得到最佳的方案进行张拉施工。因此，模拟分析也可以称为是一种试验方法和手段，但是与真实的试验相比，模拟并没有将工程和构件缩小后进行计算，而是根据真实数据进行处理，因此采用模拟分析更具真实性和实用性。其中模拟仿真技术分析主要包括：方案的优化分析、力学分析、结构转换、监控和预警、管理、维护等仿真。张拉仿真技术的基本原理如图1所示。

图1　张拉仿真技术的基本原理

2.2　建模与仿真

2.2.1单元模拟与分析

在预应力结构中，索单元是最基本的单元。模拟分析通常分析预应力结构的初始状态、加载状态和卸载状态，分析方法主要有连续化假定(有限元分析)和离散化假定(非有限元分析)。连续化假定是当前模拟分析使用最广泛的软件，因为连续化简单易操作，并且也易懂，但其缺点是不接近于实际，因为实际工程并不是连续性的，而是具有较高的离散性，因此，离散化假定更适合预应力结构的模拟分析。使用离散化模拟分析时，应该考虑以下假定：大位移、小应变、只受拉力和自重、初始垂直度。应采用以下方法进行模拟：离散二节点直线单元法、曲线索单元和基于Ernst公式的弹性模量法。

2.2.2仿真分析

通常采用的模拟方法主要有以下4种：

(1)等效荷载法。将预应力结构上受到的预拉力作为外部荷载，不考虑结构的刚度。在我国的很多知名预应力钢结构中使用了这种等效荷载法进行模拟分析，如成都新国际会展中心等。由于这种方法忽略了结构的刚度影响，因此不能了解结构的较大位移和应力刚化效应，也不能确定拉索之间的索力影响，其模拟效果并不好，因此在很多实际工程中很少使用等效荷载法。

(2)初始应变法。初始应变法较等效荷载法更先进一些，它考虑了结构的刚度和拉索之间的索力影响，相对于等效荷载法更准确、更先进一些。

(3)模拟环境降温法。在拉索受力时，受力部位会产生变形和热量，这些热量的积聚使预应力钢结构更容易发生变形，间接地使结构发生初始应变。

2.2.3张拉全过程模拟

由于预应力钢结构中拉索数量较多，并且拉索的类型也千差万别，因此施工过程中不可能对其进行整体性张拉。应该根据工作人员的经验、预应力结构的特点、设备数量、施工条件等确定张拉方案。由于预应力钢结构的刚度相对较小，可采取分阶段、分批次进行张拉后考察群索之间的索力相互影响，因此选择一个合理的张拉顺序和张拉力极为重要。

通常预应力拉索的全过程模拟分析主要有以下3种方法：

(1)顺序法。顺序法又称为正算法。根据现场施工的正常顺序进行仿真分析，循环之后得到真实的张拉力。

(2)逆序法。逆序法又称为倒序法，即进行模拟分析时与实际情况恰好相反，按照相反的顺序进行模拟仿真分析。具体做法为：先做成最终模型，然后按照相反的施工方案进行模拟，最后得到的拉索模拟力即为拉索的真实张力。

(3)混合法。混合法即使用顺序法和逆序法共同进行模拟。首先采用逆序法假定结构的最终模型和无应力长度，使用初始应变反映真实情况，最后保留初始应变采用顺序法对预应力结构进行模拟仿真分析。

3基于仿真虚拟技术的建筑施工

3.1　虚拟技术的意义

利用虚拟技术模拟施工过程，可在施工之前掌握各个部件的相互关系与对应位置，对其采用多种不同的施工方案，精确计算工况应力，并且优化调整施工方案，这对于建筑施工具有特殊意义。项目施工方案的选定与优化，以施工经验、实际条件和施工工艺为出发点存在很多局限，而且现代建筑施工还存在很多不确定的影响因素，所以施工过程不能完全照搬复制。将仿真虚拟技术应用于施工中，能科学、直观地展示施工措施与方法，当方案对比定量完成后，进行优化施工方案的选择。将新技术与革新引入仿真模拟技术，能使施工人员在成本较低的情况下实践新思路与施工工艺，同时对创造性的发挥与利用也有很大影响，它能真实说明技术成效，减少建筑施工过程的投入时间，减小采用新工艺与新技术带来的风险。同时施工管理能提前模拟施工流程，及时发现施工管理中的安全与质量隐患，从而采取对应的措施预防与强化，改善现场管理的效果。

3.2　三维动画的使用

施工模拟是在建筑工程施工前对施工过程进行模拟展示与体验，并且结合应用软件调整施工偏差与变更，以优化整个施工过程。虚拟技术的第一步是预演，也就是从结构设计到场地施工方案、施工工艺的实施，同时涉及施工各个步骤的信息管理，到工程竣工验收的整个过程，全部展现给管理与施工人员。在虚拟施工的状态下，它能准确地展示施工结果与步骤，与传统施工相比，能提前发现施工设计中的质量问题和安全隐患，适当缩短施工时间，协调施工技术。利用反演时间，可以调整施工步骤与参数，结合施工设计要求与业主需要，进行多样施工和精细管理，以此优化施工方案。

按最优配方制作香菇酱共10批，按照1.4.5项下方法对样品进行测定，实验结果及限量标准见表6。结果显示各项指标均符合标准要求。

4结语

在当代预应力钢结构进行张拉处理时，首先采用模拟分析其在张拉处理时可能遇到的问题，选择合理的施工方案进行施工，这在后期施工过程中可以避免一些错误和危险，因此在进行预应力钢结构施工时先采用模拟分析很有必要。模拟分析时可以采用顺序法、逆序法和混合法，其中混合法即将顺序法和逆序法共同作用进行模拟，其模拟效果与真实施工情况接近。在进行预应力张拉处理时先采用模拟分析，可以得到较好的效果。

参考文献：

[1] 张晓伟，张勇.预应力后张法张拉施工技术分析[J].科技与企业，2013(16)：192-193.

[2] 张沛，冯健.张拉整体结构的稳定性判定及刚度分析[J].土木工程学报，2013(10)：48-57.

[3] 周一一，陈联盟.浅谈张拉整体结构发展的历史与趋势[J].空间结构，2013(4)：11-17.

[4] 葛家琪，张爱林，刘鑫刚，等.索穹顶结构整体张拉成形模型试验研究[J].建筑结构学报，2012(4)：23-30.

[5] 江磊鑫，郭彦林，田广宇.索杆结构张拉过程模拟分析方法研究[J].空间结构，2010(1)：11-19.

(编辑盛晋生)

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Virtual Tensioning of Prestressed Steel Structures

MIAO Jie

(Yuncheng Polytechnic College，Yuncheng，Shanxi，044000，China)

Abstract：Prestressed steel structure is a necessity of modern social and economic development，but there is trouble，strong unpredictability and potential danger in the construction process and the buildings may not meet the requirements due to improper construction.This paper argues that simulation analyzing before construction can help predict the possible problems，improve the construction conditions，optimize the construction scheme，and eventually ensure the safe，economic and stable construction.

Key words：prestress；simulation analysis；steel structure；computer

收稿日期：2015-11-13

作者简介：苗杰(1987-)，女，陕西华阴人，助教，硕士，从事教学工作。

中图分类号：TU 758.11

文献标识码：A

文章编号：1009-9441(2015)06-0009-03