16 预应力索拱结构选型及其受力特性分析.doc

文库下载 免费文档下载/本文档下载自文库下载网，内容可能不完整，您可以点击以下网址继续阅读或下载：/doc/099d1bd033d4b14e8524681d.html16预应力索拱结构选型及其受力特性分析789第!卷第期建筑结构#年月预应力索拱结构选型及其受力特性分析张宇峰舒赣平吕志涛（东南大学土木工程学院南京）$#%&提要结合某体育馆预应力索拱屋架方案的设计，研究了预应力索拱结构的优选和有限元分析方法，比较了不同布索方案和拱脚抗推刚度对预应力索拱结构内力和变形的影响，并提出了一些具体的设计建议。关键词预应力索拱有限元分析()* ,-./ 0101-.-2 ,456,(701-48-208-22-.0 10/ 8-68918(7 ,63),62 ;)，01 26-820;. -.01-(0 ) ，91(2-7(8)6,.01-7 , 0-5-)-,06,652 2)-01(.27(801-48-208-22-.0 10/ 8-68919()68-.01-77-902(77(89-:346,. 2569-)-,0(701-8-208-22-.0 10/ 8-6891)6.-* 77-8-,0291-)-2(796*5-6,.2=-/*69=6,0 018;208 . 443:.3，2()-2;-20 (,27(8.-2 ,68-48-2-,0-.?0?,01-,.333:：；!$%&(0 10/ 8-68917 , 0-5-)-,06,652 28-208-22-.3:4#一、引言拱式屋架以其外形美观、跨度大、受力合理、施工方便等特点，在厂房、展览厅、体育馆等大跨度建筑中有着十分广泛的应用。为了抵抗水平推力，在建筑净空能得到满足的情况下，工程中常采用拉杆拱的形式，以拉杆来承受拱的推力；当拉杆采用预应力索时，即构成预应力索拱体系，通过调节预加应力的大小，可以使各工况下拱脚最大水平推力达到最小。二、预应力索拱的优选及其有限元分析预应力索拱的优选就是指通过选用合适的索型、调节拱截面尺寸及预拉力的大小，以使在满足设计要求的同时，所需的支出（如用钢量、净空损失、施工难度等/doc/099d1bd033d4b14e8524681d.html）最小。对预应力索拱结构，如只需求出一组能满足设计要求的可行解，用结构力学方法便可直接得到；但如欲求出一组最优解，则必须对预加应力及拱身截面的大小进行多次调整，有时甚至还应进行多种布索方案的对比分析。此时仍用解析法求解未免过于繁琐，而用有限元法借助现有程序进行分析则应是一种可行的方法。影响预应力索拱结构最终受力性能的因素主要有以下几个：跨度、矢高、荷载、拱脚支座抗推刚度、拱截面特性、索型及索的预拉力大小。相对于梁式结构，预应力索拱中弯矩和挠度通常较小，因此拱身截面一般较小，通常截面高跨比在$!A!$BA之间。当拱脚抗推刚度较大时，截面高跨比还可进一步减小。索的最佳张拉力应使拱在最不利工况下的应力和挠度最小，在通常情况下，以平衡恒载产生的支座反力为宜。早在六十年代，前苏联便已在拱式屋#世纪五、架中大量采用了预应力索拱体系，并提出了一系列的$布索方案（图$）。笔者采用CDE#有限元计算软件，以梁单元模拟拱身和预应力索，计算得到采用图$布索方案（）（9）时拱身的受力特性与!6!的关系，如表$所示。表中圆弧形拱，拱身采用工字钢，A#6，拱脚抗推刚度#F取恒F$G)，=H)，!$!F$!载为$活载为B考虑满跨、半跨活载，基#=H)，=H)，本风压取#受风宽度&张拉力指使恒载I!A=H)；产生的拱脚推力接近于零时直接张拉于拱脚预应力索的张拉力。图$中方案（）（.）可称为第一类布索方案，预应6!拱的受力性能随!变化的规律索型!%&% %*%& %*%&% %*&% %*%最大应力#）（!表!张拉力（$!）#*&* ,*.%#-%#-%* #- # ://doc/099d1bd033d4b14e8524681d.htmlar扁平且张拉力较小时，在某些外载组合下可能出现索的松弛现象；单纯从受力角度来看，方案（）并不合理，1其所需的张拉力较大，而由此又使拱中产生很大的压应力，但此种布索方法带来的建筑净空高度损失最小，因此深受建筑师推崇，并且由于是分散布索，故相比于方案（），索节点的构造与施工将较简单，与方案（/），/（0）一样，张拉预应力索时除可采用单索张拉工艺外，还可采用支座位移法来简化工艺；方案（2）可用调节两组索节点3与3的间距来改变预加应力的大小，不4失为很有特色的整体施加预应力的可行方案。图%中方案（），（）可被称为第二类布索方案，其56主要应用于支座抗推刚度较大的大跨度拱式结构，预应力索存在的主要目的不是减小支座反力或位移，而是在保证稳定性的同时充分节省材料，张拉后的此种索拱结构的受力特性近似于拱式桁架，预应力索此时充当了桁架中弦杆和腹杆的角色，由于预应力索的材料强度高且拉索不存在构件受压失稳问题，因此十分经济有效，莫斯科吉纳摩体育馆跨度%.-的屋盖曾#。采用此种预应力索拱方案，其用钢量仅为#*$7挠度（）#%) )(,*#)%(,()-. ).# )*#.),-%-)*-&)3变化不大，但实质上应力的构成已发生了很大变化，未施加预应力时，翼缘压应力主要是由于弯矩引起的，轴力所产生的压应力对于!的影响很小，而在施加预AB应力后，拱体中弯矩明显减小，而轴向压力则明显增的主要构成部分。同时，当考虑风载加，以致成为!AB时，由于预应力引起的反拱将使缺乏有效支撑的下翼缘中的压应力超过上翼缘，这对于拱在弯矩作用平面外的压杆稳定是相当不利的。因此，在设计预应力索拱时，应注意加强拱的侧向支撑，必要时应在预应力筋锚固点附近适当地由上翼缘侧向支撑点增设一些斜撑至下翼缘板，以保证拱的平面外稳定。四、结语拱结构力流明确且外形美观。但拱脚处较大的支座反力或位移（当支座抗推刚度较弱时）往往是影响拱式屋架得到更广泛应用的主要因素。有限元计算结果表明：采用预应力索拱可以有效改善拱的受力性能，达到节约钢材、减小支座反力的目的。在按设计目的选择合适索型/doc/099d1bd033d4b14e8524681d.html的同时，还应注意以下问题：（）拱脚抗推刚度对预应力索拱的受力性能影响*较大，宜在拱脚增设水平向弹簧支座，以考虑拱脚支座的抗推刚度，而不宜采用固定铰或滑动铰支座。）不同的布索方案均有其各自的优缺点，在工程（!应用中，宜根据实际情况选用最合适的布索方案。）预加力并非越大越好，其在保证拱的强度、刚（%度、稳定性和尽可能减小支座反力之间存在着一个最佳平衡点，往往需要通过多次试算来确定，在一般情况下，以使恒载产生的支座水平反力最小为宜。）对于预应力索拱而言，在风载作用下往往可能（#产生较大反向水平支座反力，此支座反力甚至可能超过其他工况下引起的正向水平支座反力。）由于预应力筋的作用，拱身中的压应力大幅增（&加，因此在保证拱平面内压弯稳定的同时，应特别注意对拱平面外压杆稳定的验算。参考文献*CDCEAG28HC IHC CJDKAJ:LCAHMECIAD IHOPIOHC 2GEDM QIHAE :FNN，MH8OLDM QCH 2RK PKS*-/2DAIMKER陆赐麟预应力钢结构平面结构体系（*）!22钢结构，!,，2北京工业大学出版社，*-./2%陆赐麟2预应力钢结构2&,标准分享网 www.bzfxw