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。
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”。