拉索式预应力桁架结构性能影响因素探讨

崔 卫 娟

(山西一建集团有限公司，山西 太原 030012)



拉索式预应力桁架结构性能影响因素探讨

崔 卫 娟

(山西一建集团有限公司，山西 太原 030012)

介绍了拉索式预应力技术和结构特点，从拉索分布方式和拉索力学性能两方面，分析了拉索式预应力在张拉过程中对桁架结构性能的影响，指出拉索式预应力结构是一种新型且高效的结构形式，应用前景广阔。

拉索式预应力，钢结构，桁架结构，力学性能

随着我国社会经济的发展进步，国内建筑市场蓬勃发展，钢结构应用越来越广泛，尤其是大跨钢结构的应用十分广泛。而随着钢结构跨度不断增大，钢结构自身重量会越来越大，相应的钢结构实际载荷就会减少，继而影响建筑带来的经济效益。所以，减轻钢结构的自重十分重要，其中一个有效方法就是开发出合理的钢结构形式。而拉索式预应力钢桁架结构就是一种新型高效的钢结构形式。预应力钢结构最常采用的形式是拉索，拉索预应力钢桁架结构是应用最为广泛的一种结构。

结合甘肃省泾川县体育场——看台罩棚工程进行分析探讨。本工程采用空间钢桁架结构与预应力拉索相结合的斜拉结构体系，前端2榀主桁架跨度115 m，16榀次桁架跨长20.78 m，次桁架与次桁架之间由XG连接，桅杆最高点约44 m。设有钢拉索六组12根，拉索能否达到设计选定的预拉力水平关系到整个结构体系的受力性能。因此项拉索预应力施工技术对分公司是一项冷门技术，鉴于此，笔者深入分析了拉索式预应力桁架结构性能的影响因素，由此总结出在拉索预应力张拉中预应力桁架结构的性能，希望能够在建筑工程施工过程中保证钢结构施工及工程整体的安全。

1 拉索式预应力钢结构

所谓预应力钢结构指的是在传统钢结构中引入预应力，进一步增强结构材料的弹性强度，重新分布结构内力，并增大钢结构承载能力的一种钢结构形式。预应力钢结构比传统的钢结构的结构刚度更强，弹性也更强，性能大大改善。其原因就在于钢结构中引入预应力后，通过调整钢结构内部抗力与外部的载荷之间的关系，充分挖掘钢结构材料的弹性强度。预应力钢结构并非是加固结构本身，也没有减小钢结构的外部载荷能力，而是通过增强材料弹性强度、转移内力，来提高整体的钢结构的刚度和载荷能力。在预应力钢结构中，拉索式预应力钢桁架是国内外研究最早和最为广泛的钢结构形式。具体的拉索式预应力钢桁架结构类型有拱式桁架、连续桁架、简支桁架、立体桁架等。

2 拉索分布方式对拉索式预应力桁架结构性能的影响

拉索式预应力桁架结构性能优良且应用广泛，拉索预应力有助于竖向支撑桁架结构，可以减小拉索内力，与悬索结构和斜拉结构相比，拉索的利用率更大，并且结构的安全性能更高，经济效益也更明显。这一部分主要从拉索分布方式角度，分析拉索的转向角度与索托节点位置，对拉索式预应力桁架结构的具体影响，同时得出各个影响因素在什么样参数取值范围内，拉索式预应力桁架结构受力更加合理，经济效益能够达到最大化。

2.1 拉索式预应力桁架结构计算模型

拉索的布索方式对预应力桁架结构性能的影响，主要涉及拉索内力、腹杆内力、平斜杆内力、弦杆内力等因素，下文通过应用ANSYS软件来具体分析这几个因素对拉索式预应力桁架结构性能所带来的影响。

ANSYS软件模拟拉索式预应力桁架结构构件。在ANSYS索托桁架模型中，采用不同单元对结构构件进行模拟。桁架弦杆和边柱大多采用Beam188单元，因为，在钢结构的载荷下，桁架弦杆会产生轴力、剪力和弯矩，而边柱同样也受轴力、剪力和压力的影响，考虑到剪切变形，采用Beam188单元进行模拟比较适合。而剪力、弯矩和轴力对桁架腹杆的影响相对较小，那么就可以使用Link8单元对桁架腹杆进行模拟研究。由于拉索只受拉力影响，应用Link10单元来模拟拉索的松弛比较合适，尤其要注意，在使用Link10单元时应选择只受拉的选项。

ANSYS软件模拟拉索节点。通常在ANSYS软件模型中，使用弹簧单元、自由度耦合来对拉索节点的情况予以模拟。实际的拉索式预应力桁架结构中，索托的节点与桁架可以相对滑动。模拟索托节点其实就是通过将桁架和拉索直接接触的节点与桁架上的节点一一对应且连接起来，建立弹簧单元。某一处拉索的支撑力和摩擦力的大小可以通过拉索的预拉力值来求出。在没有摩擦滑动时，其弹簧刚度等于0，那么索可以沿着其与滑道的切线方向自由的滑动。而如果存在摩擦滑动，此时的索与滑道接触的切线方向就会出现弹簧，可以通过实验得出摩擦力的值、滑移的距离，以此确定弹簧的刚度。

2.2 索托节点位置对桁架结构性能的影响

在拉索式预应力桁架结构中，由于拉索节点位置的不同，因而会影响预应力桁架结构的内力以及整体位移情况。索托结构的重要问题就是要弄清应该如何布置索托节点位置。通过ANSYS来计算不同索托节点布置方案下，拉索内力的变化情况，从而将索力的摩擦损失计算出来。不同的节点布置，各个杆件的内力值都不相同，在相同的索托节点布置方案下，对桁架结构影响最大的就是索刚度。而在索托节点布置方案一定的情况下，各个杆件的内力值大小各不相同。而随着索托节点位置逐渐向钢结构的中心移动，索力是不断减小的。

综合上述分析，在索托节点位置不同的情况下，拉索式预应力桁架结构的各个杆件的受力也大小不一，当索托节点在桁架结构的1/3节点左右时，索托节点对整个预应力桁架结构的受力是最佳的，此时结构杆件的最大内力值达到最小，并且结构杆件的受力较为均匀，充分发挥结构材料的弹性强度性能。

2.3 拉索转向角对拉索式预应力桁架结构性能的影响

在拉索式预应力桁架结构中，索对桁架有支撑反力和水平方向上的力，相比于斜拉钢结构，拉索式预应力桁架结构，在拉索的转向角小于60°时，索托中索的利用率远远大于斜拉结构中索的利用率。当索与梁的角度大于60°时，斜拉结构索的利用率就大于拉索式预应力桁架结构中索的利用率。因此，要根据具体的实际情况，采用适当的结构形式，以保证钢结构的受力更加均匀合理。在弹簧刚度和张拉力没有发生变化的情况下，随着拉索转向角的不断增大，拉索的索力不断减小，同时索力的摩擦损失率持续增大。索力摩擦损失随着预应力水平的升高而增加，增大到一定程度就趋于稳定。

随着拉索转向角度的不断减小，索刚度对整体结构的位移影响增大。要达到整体预应力桁架结构的受力比较均衡，整体位移比较适中，同时结构材料的性能得到良好发挥的目的，必须根据具体情况，选择最优的拉索转向角范围。通过对不同拉索转向角下的结构整体位移情况和杆件内力值的分析可知，在拉索转向角为20°时，结构的最大的竖向位移和整体位移情况较好，材料性能发挥到最大限度。所以，在设计拉索转向角和预应力水平的过程中，要结合工程施工的具体情况，综合考虑相关因素，选取最合适的方案。

3 拉索力学性能对拉索式预应力桁架结构性能的影响

拉索力学性能对拉索式预应力桁架结构性能的影响具体表现于拉索预应力水平、拉索截面、索托桁架结构杆件的受力情况、结构位移等方面。随着拉索预应力水平的增加，桁架的平直杆、上弦杆和平斜杆就会随之逐渐减小。不同拉索预应力水平会影响最佳的拉索预应力转向角，预应力水平越大，最佳的拉索转向角就增大，反之，预应力水平越小，最佳的拉索转向角就减小。因此，在设计拉索预应力水平和转向角时，必须将两者结合起来加以考虑。

4 结语

只有充分且全面的探究拉索式预应力桁架结构性能的各种影响因素，才能在具体的工程施工过程中，合理选择并控制影响桁架结构的因素，继而保证工程施工的安全和使用效率。所以，相关人员应当从整体上对拉索式预应力桁架结构，以及拉索的几何布置、节点的位置、拉索转向角、拉索力学性能等对桁架结构杆件的受力、竖向位移产生的影响进行分析，只有这样才能够为施工作业的顺利进行提供可靠的保障。

[1] 杨维国,邹 清,李兴坡,等.索托结构中拉索预应力水平的优化研究[J].中国矿业大学学报,2012,41(2):219-224.

[2] 俞福利,刘中华.月牙轮辐式索桁架结构的预张力偏差分析及调整技术[J].空间结构,2013,19(4):67-73.

[3] 胡桂川,刘敬花.基于CAE分析的机械结构优化设计[J].机械设计与研究,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

崔卫娟(1979- )，女，工程师

TU375.5

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