索结构预应力控制的研究及其应用

李 嵩 湖北工业大学建筑与土木工程学院，湖北 武汉 430068

网壳式的结构是常见的预应力控制结构，就是采用网壳式的结构，这种结构的受力相对来说比较稳定和均匀，这种结构的大部分结构的受力点就是杆结构，还有一种网壳结构式单层的网壳结构，这种结构有着自己的独特优点，那就是结构简单，透光率好，外观大方符合时代审美观，因而非常适宜做为玻璃采光顶的屋面结构。

1 设计思路

网壳机构有很多中，比如常见的柱面形式的网壳，抛物面网壳，球面网壳等等，由于他们的主受力结构就是整个结构中的杆结构，在受力方面很难的控制，稳定失衡的现象很常见。对结构应力的控制也是主要控制的这方面的受力。不过有些鞍形的网壳结构受力主要就是杆杆结构的受压和受拉，相比较来说这种结构有很好的整体稳定性，网格的结构也比较简单，适用于那些更大的跨度空间结构建设。鞍形网壳和预应力鞍形索网相类似，都具有良好的形状稳定性和刚度，但是都需要较大截面的边缘构件以保证强度和刚度要求，因此边缘构件的合理设计成为是否采用这种体系的关键。

2 预应力鞍形索网结构分析

预应力鞍形索网钢架结构主要的组成结构是钢索结构，这种结构有着特殊曲面，两组钢索在各交点上连接。预应力鞍形索网曲面形式复杂多样，千姿百态，结构简洁明快，挡光率低，非常适宜做为玻璃采光顶的屋面结构。预应力鞍形索网具有良好的形状稳定性和刚度，但是需要较大截面的边缘构件以保证强度和刚度要求，因此边缘构件的合理设计成为是否采用这种体系的关键。

3 张弦杂交结构及其他边界效应分析

张弦杂交结构及其他边界效应分析，这种复合的结构，主要是通过横向腹杆结构和上下弦索结构组成的结构。通过特殊的预应力控制这种结构能够充分的发挥出自身的受力性质，在结构的整体稳定性方面能够发挥出最大作用。这种张弦梁结构整体上有着很大的优势，这种结构的刚度取决于结构的上弦抗弯曲结构和拉索结构的横截面，这种结构也是一种常见的半刚性结构，通常有以下的特点:(1)结构整体的承载能力高。相对来说这种结构的整体承重能力有了极大的提高，张弦梁的结构中的索结构可以有效的调整结构中的刚性结构的受力以及结构内应力的分布。比如，在一个结构中，刚性结构是梁结构的情况下，这是梁下通常使用撑杆和索结构的组合，索结构连着梁结构的两端，这个机构在承受载荷的时候，梁受到弯曲剪力的作用，在负载达到一定的程度时，结构的预应力控制可以通过调整梁的结构布置来平均分配负载产生的应力，也可以通过控制跨度方向上的受力，调整梁的横截面积的受力情况;(2)使用荷载作用下的结构变形小。这种复合的结构能够大大的提高结构整体的刚性，在有负载的情况下这种结构的变形是非常小的，关键就是张弦梁中的索结构和梁结构的结合这种科学的组合共同的平衡应力，使结构整体的受力平衡;(3)结构有一定的自平衡功能。这种结构还有一种其他钢架结构无可比拟的优点，那就是结构自身有一定自我调节结构整体平衡的能力，这种调节的原理就是，拱形的构件能够在水平方向上产生一定的应力，结构中索的牵引力能够有效的平衡侧向结构内部受力。这样的结构能让结构支座的作用充分的发挥出来，而且结构的设计方便，装吊容易;(4)适应性强。这种复合的结构中的组合结构可以根据实际的施工环境进行一定的调整，能够最大程度的发挥出结构的审美要求;(5)设计制作以及施工简便。同其他的钢架结构相比，这种复合的结构在设计的方面相对比较方便，由于这种复合结构的自适应性比较强，所以在施工和制作的时候可以灵活的运用，在运输的过程中这种复合的结构可以方便的拆装运输。

4 工程案例

(1)工程概况。本工程是在两座旧的建筑物之间的既有建筑屋顶添加采光屋顶，在原有的基础上，不能增大整个建筑结构的受力负担。根据实际的情况，对这项工程，采用马鞍索网结构来建设采光顶，使用张弦梁和索衔架当做是纵向的边界支撑结构，横向的支撑结构使用特制的单钢管结构，在这个结构的下部要设计小立柱作为整体的分支支撑。在整个结构中只要能够保证稳定索和承重索在水平投影方向上是垂直位置结构，相邻的网格四点在同一平面中，就能完成整个结构的建设。采用此结构的优点在于:材料用量少，结构整体的质量轻，透光率高，针对这种设计要求和环境要求十分的匹配;缺点在于:此方案为国内首次应用，还处在一个探索过程，这种结构对承重杆的要求非常的高，相对于梁的位置要求也很高。

(2)施工步骤。整体结构的安装和结构形状的控制→玻璃安装前的静力准备→结构张拉应力的补偿→完善和应力加载。在此过程中要对各个阶段的支撑杆处的应力变化进行测试。

(3)施工方案比选。方案一:依照原有设计的预应力，把索网结构整体的张拉到结构设计的初始态，然后，铺设顶层的玻璃，逐渐的让索网结构达到一种平衡状态。综合来说，这种方案很容易完成施工，但是，这种方案，对两边原有旧建筑物的拉力很大，很可能导致旧建筑的破坏。方案二:通过对结构的张拉加载的张拉过程，首先，以设计预应力的三分之一力进行设计的张拉成形，然后，铺设顶棚的玻璃板，当顶棚的玻璃板铺好以后，通过张拉，让结构中索的轴力逐渐达到计算设计的要求。这套方案设计及施工有些复杂，不过，这套方案的优点就是能够充分的利用结构中钢材的反复受力的特性，减轻边缘构件和边缘建筑物的受力。

综合的分析上面的设计施工方案，发现第二套方案更加的合理。所以使用第二套方案。

5 施工模拟

首先，使用设计预应力值要求的三分之一为初始预应力值对整个索网结构进行预应力的张拉到位，张拉成形以后，得出的最终结果和上述的找形结果保持一致。就整个索结构的索内预应力是找形的三分之一就是4.92700kN。然后，加载玻璃板。最后再次的张拉到位。

(1)计算条件。①结构的上弦拱、下弦索均为抛物线，其初始的结构曲线方程为:拱的斜率变化同上层屋面的结构一致，索内斜率浮动同腹杆的位置保持一致。②腹杆结构同拱的衔接模式为铰接模式。索结构和拱结构对结构的边缘构件有很大的拉力，所以，把张弦梁结构一端进行铰接，还要限制这部分平面范围内的水平以及竖向的线位移，而另一端只限制竖直方向上的位移，这样就允许了结构在水平方向自由滑动，进而消除了索和拱对结构的支座产生了很大的水平拉力，进而减轻了边缘构件的负载，同时，又减轻了结构在使用中的内应力。但是这样结构会有较大的水平支座位移，尤其在温度荷载下(40 度温差)，应予以注意。

竖向荷载在每个节点上按照设计值取为6.02KN，水平荷载在每个节点上均按照设计值取为11.988KN。(计算变形时按照标准值分别取为5.10KN 和8.88KN)。单元上的节点荷载由玻璃四角传来，按面积生成。温度荷载取正负50 度。温度线膨胀系数取1.1e-5。

(2)结果分析。为了保证张弦桁架在最不利荷载的情况下不会松弛，应给水平拉索和垂直拉索施加一定的预应力。计算分析表明，在同时作用竖向荷载、水平荷载和升温50 度的荷载下为最不利荷载。此时，为了保证节点位移控制在1/250 以内，需要给拉索初始张拉应力最大值为170Mpa。