索結構預應力控制的研究及其應用分析的論文
索結構預應力控制的研究及其應用分析的論文
網殼式的結構是常見的預應力控制結構，就是採用網殼式的結構，這種結構的受力相對來說比較穩定和均勻，這種結構的大部分結構的受力點就是杆結構，還有一種網殼結構式單層的網殼結構，這種結構有著自己的獨特優點，那就是結構簡單，透光率好，外觀大方符合時代審美觀，因而非常適宜做為玻璃採光頂的屋面結構。
1 設計思路
網殼機構有很多中，比如常見的柱面形式的網殼，拋物面網殼，球面網殼等等，由於他們的主受力結構就是整個結構中的杆結構，在受力方面很難的控制，穩定失衡的現象很常見。對結構應力的控制也是主要控制的這方面的受力。不過有些鞍形的網殼結構受力主要就是杆杆結構的受壓和受拉，相比較來說這種結構有很好的整體穩定性，網格的結構也比較簡單，適用於那些更大的跨度空間結構建設。鞍形網殼和預應力鞍形索網相類似，都具有良好的形狀穩定性和剛度，但是都需要較大截面的邊緣構件以保證強度和剛度要求，因此邊緣構件的合理設計成為是否採用這種體系的關鍵。
2 預應力鞍形索網結構分析
預應力鞍形索網鋼架結構主要的組成結構是鋼索結構，這種結構有著特殊曲面，兩組鋼索在各交點上連線。預應力鞍形索網曲面形式複雜多樣，千姿百態，結構簡潔明快，擋光率低，非常適宜做為玻璃採光頂的屋面結構。預應力鞍形索網具有良好的形狀穩定性和剛度，但是需要較大截面的邊緣構件以保證強度和剛度要求，因此邊緣構件的合理設計成為是否採用這種體系的關鍵。
3 張弦雜交結構及其他邊界效應分析
張弦雜交結構及其他邊界效應分析，這種複合的結構，主要是透過橫向腹杆結構和上下弦索結構組成的結構。透過特殊的預應力控制這種結構能夠充分的發揮出自身的`受力性質，在結構的整體穩定性方面能夠發揮出最大作用。這種張弦梁結構整體上有著很大的優勢，這種結構的剛度取決於結構的上弦抗彎曲結構和拉索結構的橫截面，這種結構也是一種常見的半剛性結構，通常有以下的特點: ( 1) 結構整體的承載能力高。相對來說這種結構的整體承重能力有了極大的提高，張弦梁的結構中的索結構可以有效的調整結構中的剛性結構的受力以及結構內應力的分佈。比如，在一個結構中，剛性結構是梁結構的情況下，這是梁下通常使用撐杆和索結構的組合，索結構連著梁結構的兩端，這個機構在承受載荷的時候，梁受到彎曲剪力的作用，在負載達到一定的程度時，結構的預應力控制可以透過調整梁的結構佈置來平均分配負載產生的應力，也可以透過控制跨度方向上的受力，調整梁的橫截面積的受力情況; ( 2) 使用荷載作用下的結構變形小。這種複合的結構能夠大大的提高結構整體的剛性，在有負載的情況下這種結構的變形是非常小的，關鍵就是張弦梁中的索結構和梁結構的結合這種科學的組合共同的平衡應力，使結構整體的受力平衡; ( 3) 結構有一定的自平衡功能。這種結構還有一種其他鋼架結構無可比擬的優點，那就是結構自身有一定自我調節結構整體平衡的能力，這種調節的原理就是，拱形的構件能夠在水平方向上產生一定的應力，結構中索的牽引力能夠有效的平衡側向結構內部受力。這樣的結構能讓結構支座的作用充分的發揮出來，而且結構的設計方便，裝吊容易; ( 4) 適應性強。這種複合的結構中的組合結構可以根據實際的施工環境進行一定的調整，能夠最大程度的發揮出結構的審美要求; ( 5) 設計製作以及施工簡便。同其他的鋼架結構相比，這種複合的結構在設計的方面相對比較方便，由於這種複合結構的自適應性比較強，所以在施工和製作的時候可以靈活的運用，在運輸的過程中這種複合的結構可以方便的拆裝運輸。
4 工程案例
( 1) 工程概況。本工程是在兩座舊的建築物之間的既有建築屋頂新增採光屋頂，在原有的基礎上，不能增大整個建築結構的受力負擔。根據實際的情況，對這項工程，採用馬鞍索網結構來建設採光頂，使用張弦梁和索銜架當做是縱向的邊界支撐結構，橫向的支撐結構使用特製的單鋼管結構，在這個結構的下部要設計小立柱作為整體的分支支撐。在整個結構中只要能夠保證穩定索和承重索在水平投影方向上是垂直位置結構，相鄰的網格四點在同一平面中，就能完成整個結構的建設。採用此結構的優點在於: 材料用量少，結構整體的質量輕，透光率高，針對這種設計要求和環境要求十分的匹配; 缺點在於: 此方案為國內首次應用，還處在一個探索過程，這種結構對承重杆的要求非常的高，相對於梁的位置要求也很高。
( 2) 施工步驟。整體結構的安裝和結構形狀的控制→玻璃安裝前的靜力準備→結構張拉應力的補償→完善和應力載入。在此過程中要對各個階段的支撐杆處的應力變化進行測試。
( 3) 施工方案比選。方案一: 依照原有設計的預應力，把索網結構整體的張拉到結構設計的初始態，然後，鋪設頂層的玻璃，逐漸的讓索網結構達到一種平衡狀態。綜合來說，這種方案很容易完成施工，但是，這種方案，對兩邊原有舊建築物的拉力很大，很可能導致舊建築的破壞。方案二: 透過對結構的張拉載入的張拉過程，首先，以設計預應力的三分之一力進行設計的張拉成形，然後，鋪設頂棚的玻璃板，當頂棚的玻璃板鋪好以後，透過張拉，讓結構中索的軸力逐漸達到計算設計的要求。這套方案設計及施工有些複雜，不過，這套方案的優點就是能夠充分的利用結構中鋼材的反覆受力的特性，減輕邊緣構件和邊緣建築物的受力。
綜合的分析上面的設計施工方案，發現第二套方案更加的合理。所以使用第二套方案。
5 施工模擬
首先，使用設計預應力值要求的三分之一為初始預應力值對整個索網結構進行預應力的張拉到位，張拉成形以後，得出的最終結果和上述的找形結果保持一致。就整個索結構的索內預應力是找形的三分之一就是4. 92700kN。然後，載入玻璃板。最後再次的張拉到位。
( 1) 計算條件。①結構的上弦拱、下弦索均為拋物線，其初始的結構曲線方程為: 拱的斜率變化同上層屋面的結構一致，索內斜率浮動同腹杆的位置保持一致。②腹杆結構同拱的銜接模式為鉸接模式。索結構和拱結構對結構的邊緣構件有很大的拉力，所以，把張弦梁結構一端進行鉸接，還要限制這部分平面範圍內的水平以及豎向的線位移，而另一端只限制豎直方向上的位移，這樣就允許了結構在水平方向自由滑動，進而消除了索和拱對結構的支座產生了很大的水平拉力，進而減輕了邊緣構件的負載，同時，又減輕了結構在使用中的內應力。但是這樣結構會有較大的水平支座位移，尤其在溫度荷載下( 40 度溫差) ，應予以注意。
豎向荷載在每個節點上按照設計值取為6. 02KN，水平荷載在每個節點上均按照設計值取為11. 988KN。( 計算變形時按照標準值分別取為5. 10KN 和8. 88KN) 。單元上的節點荷載由玻璃四角傳來，按面積生成。溫度荷載取正負50 度。溫度線膨脹係數取1. 1e - 5。
( 2) 結果分析。為了保證張弦桁架在最不利荷載的情況下不會鬆弛，應給水平拉索和垂直拉索施加一定的預應力。計算分析表明，在同時作用豎向荷載、水平荷載和升溫50 度的荷載下為最不利荷載。此時，為了保證節點位移控制在1 /250 以內，需要給拉索初始張拉應力最大值為170Mpa。