考慮初彎曲預(yù)應(yīng)力撐桿柱初張力取值探究

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1、考慮初彎曲預(yù)應(yīng)力撐桿柱初張力取值探究　　摘要：本文通過對(duì)含有初彎曲的預(yù)應(yīng)力撐桿柱進(jìn)行張拉過程和受荷過程的分析，得到了確定最佳張力的原則和方法。分析結(jié)果表明，由于初彎曲的引入，鋼柱在外荷載作用下發(fā)生縱向壓縮的同時(shí)還產(chǎn)生橫向彎曲變形，且橫向彎曲所占比例較大，導(dǎo)致對(duì)拉索初張力的需求比按理想壓桿計(jì)算的大得多。因此，預(yù)應(yīng)力撐桿柱的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分注意構(gòu)件初彎曲的影響和拉索初張力的取值。關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力撐桿柱；初彎曲；最佳張力；中圖分類號(hào)：TU323文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：0引言鋼結(jié)構(gòu)中柱子的截面尺寸一般情況下由強(qiáng)度和穩(wěn)定條件確定，而穩(wěn)定性往往成

2、為設(shè)計(jì)中的控制因素。桿件長細(xì)比越大，穩(wěn)定性對(duì)強(qiáng)度承載力的折減越大，鋼材強(qiáng)度利用的越不充分。采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)可以使柱子不受長細(xì)比的制約，延緩或避免桿件失穩(wěn)影響，從而節(jié)約材料、減輕自重、降低成本[1-3]。11預(yù)應(yīng)力撐桿柱利用預(yù)應(yīng)力手段去改善結(jié)構(gòu)受力的邊界條件，即在桿件中間增設(shè)彈性支撐以提高立柱的穩(wěn)定荷載臨界值。近年來，隨著鋼結(jié)構(gòu)的迅速發(fā)展，尤其是大型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的大量出現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力撐桿柱得到廣泛應(yīng)用。早期主要用于高聳塔桅結(jié)構(gòu)，近20年來在大跨度鋼結(jié)構(gòu)中也開始應(yīng)用。英國在1952年興建的倫敦博覽會(huì)的會(huì)標(biāo)運(yùn)用了預(yù)應(yīng)力撐桿柱的受力思想，因預(yù)應(yīng)力鋼

3、索的作用使77m高的塔頂側(cè)向位移減小到原來的1/4～1/5[1]。1992年為巴塞羅那奧運(yùn)會(huì)建造的通訊塔主承重結(jié)構(gòu)也是采用了三節(jié)間三邊外撐桿的預(yù)應(yīng)力撐桿柱形式，塔高288m。另外還可以將預(yù)應(yīng)力撐桿置于鋼管柱內(nèi)部，即內(nèi)撐式預(yù)應(yīng)力撐桿柱，既可提高穩(wěn)定承載力，又使建筑造型簡約美觀。2003年由東南大學(xué)和南京市建筑設(shè)計(jì)研究院聯(lián)合設(shè)計(jì)的南京圖書館新館即采用了這種方案[4]。預(yù)應(yīng)力撐桿柱中初張力的確定十分關(guān)鍵。拉索中施加的初始預(yù)應(yīng)力如果太小，則不能給中心桿提供有效的側(cè)向支撐，也就不能提高預(yù)應(yīng)力撐桿柱的穩(wěn)定承載力；但如果太大，則會(huì)削弱穩(wěn)定承載力和

4、強(qiáng)度承載力。實(shí)際上，高強(qiáng)鋼索的初張力無需太大,只要保證鋼索在各受力階段始終處于繃緊狀態(tài)而不松弛，鋼索、鋼柱、撐桿形成整體工作效應(yīng)即可。這樣因張拉預(yù)應(yīng)力而在撐桿柱中產(chǎn)生的壓力最小，從而使預(yù)應(yīng)力對(duì)柱穩(wěn)定承載力的提高相對(duì)最大。11在預(yù)應(yīng)力撐桿柱的計(jì)算理論中，國內(nèi)外的一些學(xué)者已經(jīng)做了一些研究工作[4-7]。Hafez[8]等針對(duì)理想撐桿柱推導(dǎo)了初始張力和屈曲荷載的線性關(guān)系表達(dá)式，但沒有考慮初始缺陷的影響。陸賜麟在借鑒前蘇聯(lián)的研究成果上曾兩次對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼壓桿進(jìn)行了理論分析[1]，研究了壓桿在初始預(yù)應(yīng)力作用下中心柱及拉索內(nèi)力分配規(guī)律、預(yù)應(yīng)力壓桿的

5、強(qiáng)度極限、拉索初始預(yù)應(yīng)力、壓桿體系在軸向荷載下的整體穩(wěn)定性，另外還對(duì)局部預(yù)應(yīng)力鋼壓桿和平行索預(yù)應(yīng)力鋼壓桿進(jìn)行了計(jì)算與分析，但同樣沒有考慮初始缺陷的影響。本文通過對(duì)含有初彎曲的預(yù)應(yīng)力撐桿柱進(jìn)行張拉過程和受荷過程的分析，得到了確定最佳張力的原則和方法。1初彎曲對(duì)初張力取值的影響理想的軸心受壓柱(預(yù)應(yīng)力撐桿柱)的失穩(wěn)屬于第一類穩(wěn)定問題(分支點(diǎn)失穩(wěn))，其穩(wěn)定承載能力為屈曲臨界力；而實(shí)際構(gòu)件總是存在初彎曲、初偏心和殘余應(yīng)力等因素的影響，構(gòu)件的失穩(wěn)屬于第二類穩(wěn)定問題(極值點(diǎn)失穩(wěn))，其穩(wěn)定承載能力為極限承載力。本文主要針對(duì)本文主要針對(duì)第二類穩(wěn)定問

6、題，考慮初彎曲對(duì)初張力取值的影響（初偏心的影響可以通過等效初彎曲來考慮）。11為保證預(yù)應(yīng)力撐桿體系在喪失穩(wěn)定前每一拉索始終參與受力，拉索的初張力必須具有足夠的力度。體系在極限荷載作用下，達(dá)到極限狀態(tài)即將喪失穩(wěn)定時(shí)，任意節(jié)間中每一拉索因預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的伸長量必須大于因極限荷載作用而導(dǎo)致的縮短量。對(duì)理想壓桿，外荷載逐漸增加到極限荷載過程中，中心柱產(chǎn)生縱向壓縮，但仍然保持直線狀態(tài)，柱周邊的拉索逐漸縮短；對(duì)具有一定初彎曲的壓桿，外荷載逐漸增加到極限荷載過程中，中心柱一方面產(chǎn)生縱向壓縮，使柱周邊的拉索逐漸縮短，另一方面產(chǎn)生橫向彎曲，使柱凸側(cè)的拉索

7、伸長，柱凹側(cè)的拉索縮短，算例如圖1所示。圖1含初彎曲的預(yù)應(yīng)力撐桿柱模型Fig.1themodelofprestressedstayedcolumn由于屬于極值點(diǎn)失穩(wěn)問題，在即將到達(dá)極限荷載時(shí)，柱子將產(chǎn)生較大的橫向彎曲，對(duì)拉索伸長、縮短的影響也較為顯著。如果按照理想壓桿的變形模式進(jìn)行初張力的確定，則偏于不安全：一方面，柱凹側(cè)的拉索因縮短量大而松弛；另一方面，柱凸側(cè)的拉索因伸長量大而進(jìn)入塑性狀態(tài)甚至拉斷。因此，確定拉索的初張力時(shí)考慮初彎曲的影響十分必要。2含初彎曲預(yù)應(yīng)力撐桿柱初張力的有限元分析2.1分析模型柱采用鋼管柱□100×8，長6

8、000mm，鋼材為Q345B。拉索采用j15.2型1860級(jí)高強(qiáng)度、低松弛鋼絞線，有效截面面積為140mm2。撐桿長度為0.2m，因其剛度一般較大，通常忽略其軸向及彎曲變形，故分析中可取與鋼管柱相同的截面。柱兩端均為鉸結(jié)，拉索與柱、撐