預應力鋼結構索張拉施工控制的反分析方法

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1、星主旦全里翌垡竺塑王堡蘭查旦墮叁。預應力鋼結構索張拉施工控制的反分析方法曲曉寧羅堯治(浙江大學空間結構研究中心，浙江杭州310027)摘要：鋼結構體系與預應力新技術相結合而衍生出的預應力銅結構體系得到了迅速發(fā)展和廣泛地應用，預應力施工控制分析足其戈鍵。本文首先采用控制索應力的方法求出零狀態(tài)的節(jié)點坐標，并在此基礎上求出每級張拉控制力對應的索原長。然后通過控制索艇長，利用幾何非線性有限元選代技術進行反分析求出索分緩分批張拉備施工階段的結構內力和忙移。文中通過算例分析表明文中的反分析方法能有效、快速地張拉到設計預應力狀態(tài)。關鍵詞：控制索應力方法，反分析，分級分批張拉，幾何非線性有限元一、引言近年

2、來，鍘結構體系與預應力新技術相結合而衍生出的預應力鋼結構體系得到了迅速發(fā)展，這種結構形式正以其奇異多姿的建筑造型，非傳統(tǒng)的構造連接，快速的安裝工藝和良好的經濟性與口J靠性受到國內外土建屆的關注。如弦支穹頂，在單層網殼中施加頂應力，既保留了單層網殼性能及結構形式上的優(yōu)點，又吸收了張拉整體結構思想的精華。通過對預應力索張拉，使索內產生預拉力，使網殼結構產生反拱變形，從而使大跨度小矢跨比的甲層網殼的設計成為可能?？梢杂行У毓?jié)約了建筑空間。同時，剛性上弦的使用又避免了張拉整體結構的某些不足，消除了找形分析復雜，柔性屋面限制等因素的影響。由于受群索體系類型和施工條件限制，拉索施工通常采用分批張拉的施

3、工技術，同時結構的非線性增加了精確計算初始張拉力的難度．在張拉次序己知情況下，通常運用倒退分析法、前進分析法確定托索初始張拉力．確定拉索的張拉次序和初始張拉力是索系張拉的一個關鍵問題．拉索的初始張拉力是相對于確定的拉索張拉次序而言，不同張拉次序確定不同的初始張拉力．預應力鋼結構幾何形狀與預應力大小與施工順序密切相關。因此預應力分批、分級張拉是顱應力鋼結構的施工成形的關鍵問題。目前對索的施工方法大致可分為倒退分析法和前進分析法。倒退分析法也稱為反分析法．首先根據結構體系特點和施工的設備條件，初步擬定施工步驟，確定拉索張拉次序：然后以給定的設計索力狀態(tài)為初始狀態(tài)，按照擬定的拉索張拉施工步驟的逆

4、過程，對結構進行倒拆，分析每卸除一個旌工階段對剩余結構韻影響，從而可以算得拉索張拉各施工階段的拉索初始張拉力．前進分析法又稱正裝分析法．與倒退分析法相同，首先確定拉索張拉次序：然后以拉索施工前的狀態(tài)為初始狀態(tài)，采用與拉索張拉批次相同的次序，依次計算拉索各施工階段的結構內力和位移。、在實際施1=中．索力可能會與計劃張拉的值不同，既存在將索進行張拉，亦存在將索進行放松的情況，因此放松索力的情況電是必不可少的。本文采用一種新的計算施工控制索力的方法一控制索原長法±行反分析求索分級分批張拉的計算。下面闡述施工分級分組計算索力時要用到的幾個概念，’(1)零狀態(tài)：無自重、無預應力、無外荷載作用的放樣狀

5、態(tài)；(2)預應力狀態(tài)：實際施工完成，施加了預應力的狀態(tài)；(3)索原長：指索在無應力的自然狀態(tài)下長度，也即放樣長度或無應力長度。二、索的剛度矩陣桿單元時刻r的桿長為毛，桿件初始張力為毛；時刻f+△f桿長變?yōu)閦，桿件張力為丁，A為桿元截面積。索原長已知或已求得的二節(jié)點索桿單元剮度矩陣：工業(yè)建筑2007增刊1655第七廂全國現(xiàn)代結構工程學術研討會心l塒=嗚小眨孚一孚hos2∞i一了P。8％JSyM張力值固定得二節(jié)點索桿單元剛度矩陣【ekd魯]竽c。sec。sqJ譬一竿(·?s2引悱巨乏]三+墜cosz且f。5HW三、反分析法的計算原理爺s即sE三+墜cos2伊f．f’半cm只cjs只f’。竿co

6、sqc。s眭{’‘詈一孚(h毋叫孚cos細s嚷竿cosq礎三+墜cos2伊f‘(一)確定零狀態(tài)幾何’，先近似假定零狀態(tài)放樣幾何為預應力狀態(tài)的幾何．對所有單元形成單剛矩陣。并組裝成總剛矩陣，其中主動張拉索采用控制索應力的方法，即施JJ口內力為固定位(設計值)，進行非線性迭代。得到結構新的平衡幾何位置，計算所得位移為f“I，如果新的、F衡幾何與給定的預應力狀態(tài)幾伺接近，計算結束．否則重新將結構的零狀態(tài)幾何位置假定為從給定的預應力狀態(tài)幾何反向偏離I“l(fā)，進行菲線性迭代直至計算成形幾何與設計要求幾何一致，由此一次性得到零狀態(tài)幾何、預應力狀態(tài)或受荷狀態(tài)下粱、桿、被動張拉索內力。(二)計算各級張拉下的

7、索原長在非線性有限元理淪范圍。索在節(jié)點位置確定下．索原長和張力具有唯一的對應關系。因此Jji『后批索的張拉只影響結構受力狀態(tài)而不影響凌級張拉索的原長，因此可以控制每一級張拉索的原長來控制施工中需要張拉的索力。具體求解方法如下：(1)根據求得的零狀態(tài)on下節(jié)點也標；采用控制索應力的方法求得目標狀態(tài)索張力及節(jié)點坐標，并求出被動索的索原長，它在F面分級分批張扎過程中保持不變。(2)在零狀態(tài)。?；A上，對所有主動張拉索分級ff-