拉索预应力钢桁架体系的研究

拉索预应力钢桁架体系的研究
摘要：拉索预应力钢桁架在传统非预应力桁架结构形式的基础上，沿杆身长度布索或在桁架平面内进行廓内或廓外布索，局部或整体地施加预应力以改善单个或大部分杆件的受力状态以节约钢材。

本文对预应力钢桁架的一般形式、方案优化设计和工程应用方面进行研究
关键词：预应力；拉索；钢桁架；方案优化
Abstract: the lasso prestressed steel truss in traditional form of prestressed truss structure, on the basis of body along the stem length of cable in truss plane or cloth within the inside or outside the contours of the contours of the cloth cable, the partial or whole to prestress to improve individual or most of the stress of a pole to save steel. In this paper, the general form of the prestressed steel truss optimization design and engineering, scheme in the application for research
Keywords: prestressed; The lasso; Steel truss; Scheme optimization
预应力技术最早出现在十九世纪末期，并在钢筋混凝土结构中广泛应用。

其基本原理是在结构中引入初始应力，扩大构件的弹性工作范围，籍此提高结构的承载力和刚度，从而改善结构的受力性能. 预应力技术在钢结构中的应用是在此基础上发展而来，它具有优秀的静、动力特性和良好的技术经济指标，可以称得上是当代建筑科学中的最新成就,拥有广阔的发展前景。

拉索式预应力钢桁架体系是预应力钢结构中应用较为广泛的一种, 该体系的特征是在传统非预应力平面桁架结构形式的基础上，沿杆身长度布索或在桁架平面内进行廓内或廓外布索，局部或整体地施加预应力以改善单个或大部分杆件的受力状态以节约钢材。

如果工艺允许，可采取多次预应力技术，从而进一步提高经济效益。

1、拉索预应力钢桁架体系概述：
平面结构体系中预应力钢桁架的类型多种多样，如钢－混凝土混合钢桁架、钢索桁架、弹性变形钢桁架、张弦粱式钢桁架及拉索钢桁架等。

它们都是利用各种手段在承受全部荷载之前单次或多次地引入预应力以对多数杆件卸载、降低内力峰值或提高结构刚度。

拉索预应力桁架是预应力钢结构学科中研究最早、最广泛的一种结构形式，已涉及的类型有简支桁架、连续桁架、悬臂桁架、拱式桁架、立体桁架等．
在体系中引入预应力可调节部分杆件（称为卸载杆）的受力状态以节约钢
材，但同时结构内也会有部分杆件内力加大(称为增载杆)，因受力条件恶化而增大材耗。

卸载杆的钢材节约与增载杆的材耗增长两者抵消后才是结构的经济效益，这类结构的材料节约量一般在10％-20％左右，在一定条件下施加多次预应力可获得更好的经济效益。

由于增载杆的同时存在，如何合理地进行拉索预应力的方案设计成为决定经济效益的关键。

2、桁架的形式与设计
2.1桁架的形式
桁架的形式取决于跨度、荷载、功能及工艺条件等多种因素，还要考虑预应力的经济效益及施工的可能性。

拉索一般布置在拉杆范围内，如简支桁架布索于下弦(图1a,b,c)，悬臂桁架布索于上弦并可根据受力重叠布索(图1f)。

一般中、小长度的单跨可采用平行弦桁架(图1a,b)，构件尺寸规格少，制造安装力便；跨度较大时采用弧形桁架(图1c)，弦杆内力均匀，截面选择合理；大跨结构时可采用预应力经济效益最高的拱式结构(图1g,h)。

预应力拉索的布置有两种方案：一是局部布索，拉索沿单杆全长或同类杆件全长布置(图1b,c)，预应力只影响布索杆件。

这类布索适用于跨度大、荷载重，单独运送单元，布于受拉力较大的杆件上；第二种是整体布索，分为廓内布索(图1a)和廓外布索(图1d,e)。

整体布索方案一般在工地张拉，工艺简单，用料省，如果净空尺寸允许，廓外布索经济效益最好[5].
张拉索不仅对大部分杆件卸载，而且明显地提高桁架刚度。

如果工艺条件允许，可采用多次预应力技术提高经济效益。

多数钢桁架体系实际是三维受力的，因计算分析方便而简化为平面体系，常用的立体钢桁架截面有正、倒三角形和四边形几种（图1i）。

图1预应力钢桁架结构形式图
2.2桁架的设计
根据受拉杆件的内力大小选择合适的型钢截面。

一般可选用成对热轧角钢组成的截面对称布索，或采用封闭截面如圆管，方管或对焊角钢截面便于拉索的维护且具有等稳定性，能承受较大的预压应力；轻钢结构可选用单角钢或冷弯薄壁型钢，重型桁架时则选用热轧工字钢和槽钢组成的截面以便拉索的设置和监护。

预应力索的张拉力根据结构体系、荷载、体形、钢索布置等要求确定。

对体内布置的钢索张拉应力可取0.6～0.7 ，对体外、下弦、斜拉等, 张拉索应力可取0.2～0.4 。

索桁架中钢索只能承受轴向拉力，在最不利荷载作用下,索单元中不允许出现压力,一般尚应保留一定的拉力值,以确保索桁架正常工作。

根据规范[3]，压杆中的应力应按下式计算：
，
式中：为第i根压杆的应力;为荷载作用下第i根压杆的内力;为预应力下第i根压杆的内力;为压杆稳定系数;为第i 根压杆横截面面积；f为压杆抗压强度设计值。

3、预应力方案的优化比较
虽然廓外布索经济效果好，但因拉索系统突出在结构轮廓之外，影响室内使用功能和空间，应用范围有局限性，所以采用廓内布索方案且使用条件不受任何制约的立体桁架广泛应用于中等跨度以上的体育馆、剧院、展览厅、交通枢纽及工业车间等建筑物。

如何在轮廓内布索的预应力方案是关键。

最优方案应是在预应力作用下，结构具有最多数量的卸载杆且自重最小。

本文对一平行弦倒三角立体钢桁架的四种布索方案(图2)进行了研究和分析。

方案Ⅰ是只沿下弦直线布索，相当于局部布索，预应力效果只限于下弦杆。

采用整体布索的折线形Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ方案，则可使下弦小荷载内力杆获得较小反向预应力，大荷载内力杆获得较大反向预应力，符合“方向相反，力度相应”的要求，且使部分腹杆由中性杆转化为卸载杆。

只在上弦端部一些节间会不可避免地出现增载杆，但其恰为荷载内力较小的杆件，且多为构造杆，因此因预应力增载而使杆件截面加大的杆数不多。

对不同折索方案进行比较(图2Ⅱ、III、Ⅳ)的目的，就在于提高卸载杆数量及经济效益，减小增载杆增载程度及范围。

图2平行弦立体钢桁架布索方案及杆件代号
通过分析比较得出：折线形整体布索方案Ⅱ、III、Ⅳ优于局部下弦布索方案Ⅰ,前者具有较多卸载杆，且卸载力度与荷载内力基本相应，后者只有下弦受益，对荷载内力力度不同的杆件卸载程度不同且不能相应；预应力只对立体桁架两个主受力平面的杆件产生明显影响，对水平杆件基本不产生效应；随着拉索折点沿下弦向支座方向移动，下弦的受益程度加大，而上弦的增载程度降低且范围缩小。

从研究分析得到的效益（表1）及折点构造简化程度等综合考虑，选用Ⅱ或III 是相对合理的方案。

设计时需综合考虑各方面因素进行预应力方案优化设计，选择一个合理、经济的方案进行设计。

表1 立体桁架及其杆件的预应力效益相对值
布索方案ⅠⅡIII Ⅳ
上弦杆S 0 －0.536 －1.098 －1.417
下弦杆U ＋6.000 ＋0.522 ＋5.080 ＋4.614
压腹杆C 0 ＋0.654 ＋0.894 ＋0.999
拉腹杆D 0 ＋1.308 ＋1.341 ＋1.332
水平杆H、E 0 －0.268 －0.182 －0.137
整体立体桁架＋6.000 ＋6.680 ＋6.035 ＋5.391
4、多次预应力技术的在钢桁架中的应用
多次预应力的初期应用，主要是为了充分利用构件的强度从而节约钢材，目前在钢桁架结构体系中，多次预应力使整个结构体系均匀受力和安全等因素得到了重视。

但施加预应力的次数过多会带来许多弊病，由于多次张拉，结构已具有较大的内部能量，一旦作用有偶然荷载将会带来严重的后果，过多次的张拉必将增加施工周期和管理难度，造成不必要的麻烦。

这种工艺适用于下列情况：(1)桁架恒载较大，且可分批施加；(2)具有适合多次预应力工艺要求的结构图形，即主要设计杆件具有最大卸载系数；(3)制造与安装能满足多次预应力工艺要求。

多次预应力的次数，应根据每个工程项目的结构型式及布置、荷载取值、张拉设备及方式、锚具等实际情况，按以下原则综合确定：（1）有效利用预应力钢材的高强度和足够的安全储备；（2）使结构或构件均匀受力，方便截面设计；（3）张拉的分级宜均匀，便于设计、施工和控制，（4）节约钢材。

利用计算机仿真试验分析是确定合理的施加预应力次数的有效途径之一。

1959年前苏联中央建筑结构科学研究院完成了首例多次预应钢桁架模型的破坏试验，证明了多次预应力工艺的经济性与可行性。

所试验的多次预应力钢桁架比非预应力的梯形桁架节约钢材约23．6％,比单次预应力桁架节约钢材10％左右，用科学试验的数据及结果首次证明了多次预应力钢结构的经济性、可靠性及可行性。

五、工程应用和展望
拉索预应力钢桁架目前已经在很多工程中得到的应用。

2000 年, 中山大学珠海校区风雨球场屋盖跨度76. 6 m,采用斜拉索钢拱架体系，拉索有主索、斜索、水平索及下索（图3 a）。

2002年，广州国际会展中心张弦式钢桁架屋盖，跨度达126米（图3 b）。

(a) (b)
图3 拉索预应力钢桁架的工程应用实例
对于拉索预应力钢桁架，还有一些问题需要进行深入系统地研究。

（1）方案选择时，如何确定索的优化布置方式、探索预应力施加幅度的优化理论和方法，如何进一步节约钢材以取得更好的经济效益；(2)设计计算时节点构造、风振下索结构的疲劳问题、索的防火防腐、竖向地震作用、温度作用、影响预应力控制问题的主要因素和机理分析、预加应力值的简便实用测量及监控方法、预应力损失的简便补充方法、简便适用于多次张拉预应力钢结构施工的支座研制等问题。

(3)多次预应力可靠性方面，应加强多次预应力钢结构可靠性分析实用方法、考虑结构整体稳定约束的多次预应力钢结构可靠性优化设计方法、预应力钢结构的节点、端部构造优化设计及适合多次预应力特点的结构拓扑优化设计。

（4）施工技术方面，改进现有拉索构造,便于商品化生产; 研制拉索(杆) 专用张拉设备, 使之轻便实用;开发新的预应力施工方法等。

相信随着研究的不断深入和工程实践经验的不断积累，这种结构形式会有广阔的发展空间。

参考文献
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