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关于索结构——(1)预应力和三种受力状态

徐珂兄在其博客“带座位的体育馆工程设计记录(08 索单元初始张拉力与索内力”中提出了关于拉索初始预拉力的疑问,并在本网站留言,约本人一起参与讨论。这是一个很好的话题,其实也是很多同行在实际工程设计中比较容易弄糊涂的一个问题。借此机会,顺便谈谈我的一点个人拙见,供大家参考。

索结构(或者有拉索的结构)不同于常规结构的地方就是拉索初始预应力对结构整体的刚度贡献。拉索是整体结构中的一根构件,其对结构整体刚度的贡献分为两部分:一是其材料刚度;二是几何刚度;其中,材料刚度像铰接杆件一样,是由于其横截面和材料刚度而产生的,只是由于索的材料比较柔,所以其材料刚度非常小,所以实际分析与设计中是可以忽略不计的。几何刚度是由于拉索中预应力对结构产生的刚度贡献,平常我们讲索对结构的刚度贡献通常就是指这部分刚度。索结构、张弦梁、弦之穹顶等结构体系正是充分利用拉索几何刚度对结构整体刚度的贡献。

那么在实际结构分析中,索的几何刚度怎样实现呢?这里我们不妨给出索结构分析中的三种状态:零状态、预应力状态、荷载状态。这里我不想采用常见专业论文中的术语来描述,那样太容易把大家搅糊涂,所以下面采用我自己的“普通话”来与大家交流。个人认为:(1)零状态就是受力分析时刚建好的模型,在此基础上我们可以得到结构的真实构件布置和受力状态;(2)预应力状态就是结构受外荷载之前的真实状态;这里有一些不同观点,有人认为是对索施加预应力,受力平衡之后的状态。我个人认为应该是平衡预应力之后,并考虑结构自重(甚至是恒载)的状态。(3)荷载状态是在预应力状态的基础上,结构承受外荷载的状态。这三个状态之间的关系为:零状态是找到预应力态的基础和手段;预应力态是荷载态的基础,结构必须在预应力态上才能施加外荷载。

这里我想多讨论一下零状态和预应力态的实际用途和意义。(1)零状态是实际工程设计和施工过程中不存在的一种状态。它只是我们为了得到预应力状态而假定,与预应力状态较为接近的一种拓扑关系。我们的目的是利用它找到预应力状态和预应力分布。所以说,它只是一种处理手法。同一个项目,不同的人计算,就可以利用不同的零状态,但是都可以得到几乎相同的目标——预应力状态。(2)预应力状态是具有实际意义的,它是我们设计的目标,也可以讲是建筑师给结构工程师的要求、任务。建筑施工刚完毕之后,大家看到的就是预应力状态。这个时候拉索是绷紧的,此时的索力就叫做拉索的预应力。这个状态结构是稳定的、平衡的,在此基础上施加一定的荷载之后,结构的变形一般也不会太大,和常规结构几乎没有什么不同。

大家看到,上文中我叫预应力状态下的索力为“拉索的预应力”。这就讲到了徐珂兄所讨论的问题。

在结构分析中,怎样让拉索起到提供刚度的作用,或者讲怎样得到拉索的预应力大小和分布。这就是从“分析零状态”到“预应力状态”这个过程所干的事。通常,在软件中我们先建立零状态计算模型,并给拉索一个初始条件,然后利用非线性有限元法,让软件计算并得到一个平衡的结果。这就是找形过程的简单描述。其中拉索的初始条件,可以有不同的处理方法,本网站文章“预应力在软件中的不同施加方法”讨论了常用的三种方法,分别为降温法、初始应变法和施加初始轴力法,大家可以看一下,这里就不详细讨论。其中初始轴力法就是徐珂兄采用的方法。

可以看出,零状态对应的是“初始轴力”,而预应力态对应的才是“预拉力”,这是完全不同的两个概念,其中“初始轴力”只是一种处理手法,并没有实际意义;而“预拉力”则是具有工程意义的,是设计院提供给施工单位的张拉目标。拿徐珂兄的工程来讲,4500则是初始轴力,而3090才是真正的拉索预拉力。找形完成之后,4500就没有用途了,可以忘记这个数字。

为什么会出现这个问题呢,我觉得这可能是大家采用MIDAS这款软件导致的,这个软件是采用初始轴力的方式施加预应力,而且初始轴力这个数值“赫然”显示在软件界面左边的列表上,以至于大家忽视了预应力的真正概念,混淆了“手段”和“结果”。

  • quote 1.土石人
  • 零状态在工作状态下,在施工阶段存在。通常是其余结构搭建好了,再张拉索。

    请教两个问题:
    1、施工中,索张拉过程控制的是"初始轴力(处理手段)4500"、还是“真正的拉索预拉力3090”?
    2、工程设计中,常常根据建筑外形建立零状态模型,正常使用阶段因为变形而不再是建筑最初要求的外形,这部分变形通常怎么考虑?施工单位预起拱来抵消这部分变形?
    cjc 于 2009-12-16 21:59:47 回复
    你好,第1个问题最近的两篇博文已经说的很清楚了,这里就不多说啦;第二个问题,实际上是找形的任务,也是目的之一。在索结构中,仅通过施工预起拱是很难达到目的的,往往可能会有很大的变形。
  • 2009-12-9 22:18:36 回复该留言
  • quote 2.zftj
  • “初始轴力”和“预拉力”之间的混淆的确很大程度上是由于MIDAS造成。MIDAS中“初始轴力”实际上是降温法的等效方法,具体“预拉力”能达到多少取决于边界条件。
    cjc 于 2010-4-14 8:36:46 回复
    对的,软件只是提供一个工具,具体什么方法都无所谓,关键是用户自己要掌握基本概念,认清事情的本质。很多朋友只是一贯的依赖软件,这样会走一些弯路。
    大家可以多讨论,交流中都能增长知识。
    tsots 于 2010-11-6 21:10:45 回复
    拉杆拱为例:
    状态1:将拱平放在水平地面上,用拉锁将两拱脚(距离L0)连接起来,并让拉锁保持拉力为0的直线状态;
    状态2:将该拉索拱竖起来,竖平面内保持一脚双向固定,另一脚竖向固定,形成外部简支结构,然后将索
    张拉到预定的拉力T,拔出量为S(无应力),此时拱脚水平距离L1由其自重推力与索拉力两者确定;
    状态3:在拱上施加其它荷载,拱脚水平距离会变化为L2;
    那么,状态1便是设计零状态;状态2就是自重预应力平衡态;状态3便是荷载态
    索长关系:状态2索长L1及状态3索长L2是受力索长,两者无应力索长相等,状态1索长L0为无应力索长,
    L0= 拔出量S + L1中或者L2中的无应力索长
    ANSYS/SUP2000/MIDAS中写入的预应力TA作用于结构输出了降低的预应力TB,这是结构弹性变形的结果
  • 2010-4-11 23:54:20 回复该留言
  • quote 3.zoe
  • 您好,我想问一下怎么用ansys计算悬索结构,我在网上搜了很长时间,都没有这方面的具体内容。我学过一段时间ansys,但是里面好像没有专门计算索的单元。初步找形时,设置完初始状态后,怎样找。
    cjc 于 2010-4-14 8:34:14 回复
    ansys中模拟索的单元是link10,你可以到网上搜一些资料,这方面的讨论和例子很多!
  • 2010-4-13 20:36:28 回复该留言
  • quote 4.LOOYIOLAU
  • 想问下崔工,你的程序中ETABS转到ANSYS后梁上的荷载梯形或三角形荷载均按均布荷载进行等效,是否ANSYS上BEAM单元无法施加梯形荷载,我查了下,感觉好像是没办法施加,想确定下!谢谢!
    cjc 于 2010-5-13 13:11:37 回复
    你好,我一般都是转换为均布荷载。梯形荷载我也没有用过。
  • 2010-5-12 22:28:45 回复该留言

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