拉索预应力折线型立体桁架拱布索方案研究

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1、拉索预应力折线型立体桁架拱布索方案研究老船木家具图片http://www.lcmlt.com/dlong　　摘要：针对折线型立体桁架拱结构，提出了4种拱平面内的布索方案，研究了4种方案下预应力拱结构的静力及稳定性能，分别从结构位移的减小、索初始预拉力值的高低、水平支反力的降幅、杆件内力分布的均匀性及结构稳定性的提高5个方面与未布索立体桁架拱作了综合对比.结果表明，按照桁架拱在极限荷载作用下的屈曲形态布置撑杆拉索能够最有效地改善拱的静力性能，提高其稳定极限承载力.另外，由对预应力桁架拱的失稳模态分析发现，拉索通过撑杆对结构施加预应力能更有效地约束结构的整体变形.　　　　　　forPret

2、ensionedFoldedLineType3D?trussedArch　　现代预应力技术与空间网格结构的结合，是现代建筑施工中，空间结构的最新成就.通过对国内已建成的大跨度预应力空间结构的力学特性分析可知[1]：1）预应力使空间结构刚度大幅提高；2）预应力可调节空间结构杆件内力（减或增）.这两点特性已成为工程中合理选择预应力方案及进行预应力空间结构优化的重要衡量指标.目前，针对预应力球面网壳结构的布索方案研究、受力特性分析及结构优化设计，已有很多文献［2-5］研究，而对于预应力立体桁架拱结构的力学特性分析则较少，结构形式多为斜拉立体桁架和抛物线型张弦立体桁架［6-9］，预应力体系

3、的布置方式较为单一.为进一步提高立体桁架拱结构刚度，改善其受力性能，研究适于立体桁架拱结构的预应力方案极为必要.　　因此，本文针对折线型立体桁架拱，提出4种布索方案，并对这4种方案下的预应力拱结构进行静力及稳定性分析，分别从结构位移的减小、索初始预拉力值的高低、水平支反力的降幅、杆件内力分布的均匀性及结构稳定性的提高这5个方面与未布索立体桁架拱作综合对比，并由此获得折线型立体桁架拱的最优布索方案及其适用范围.　　1立体桁架拱布索分析　　1.1布索思路　　图1所示为折线型立体桁架拱，其特点是：跨度大、上下弦杆件应力分布不均、水平支座反力大.为减小桁架拱挠度、提高结构刚度及整体稳定性，降低

4、支座水平反力，同时使杆件内力分布更趋均匀、材料强度得到充分利用，考虑如下布索思路.　　湖南大学学报(自然科学版)2011年　　第8期贺拥军等：拉索预应力折线型立体桁架拱布索方案研究　　1）索选择布置在立体桁架拱受力敏感区域，用较小的索力换取较大的杆力；　　2）对于配有撑杆的布索方案，将撑杆反向作用　　于立体桁架拱位移较大的节点处，从而最大程度地约束结构形变，提高结构整体刚度.　　1.2布索方案　　基于以上布索思路，提出如图2所示的4种立体桁架拱布索方案(其中粗实线表示撑杆，细实线表示拉索)，具体如下.　　方案1（图2(a)）：将4根撑杆作为折线拱的支架，两两呈V字形，对称布置于拱1/3

5、和2/3跨对应位置的下弦节点处，撑杆长度约为桁架拱矢高的一半，通过拉索的连接，最终形成一种弦弓式桁架拱结构?　　方案2（图2(b)）：将6根等长撑杆径向均匀布置于桁架拱下弦节点处，杆长约为桁架拱矢高的1/3，再通过拉索的相互拉结作用，最终在桁架拱下部形成一层拉索撑杆加强层?　　方案3（图2(c)）：按照桁架拱在极限荷载作用下的屈曲形态（跨中部分下凹，两边上凸）[10]，在拱跨中内侧和两端外侧布置拉索，使拉索与拱相交的位置处于拱屈曲的反弯点上(此反弯点大致在拱轴线长的3/10处)，在拉索与拱之间布置撑杆，杆长约为桁架拱矢高的1/3?　　方案4（图2(d)）：在桁架拱1/4和3/4跨部

6、位对应的下弦节点之间布置水平拉索，在拱两端支座及1/4和3/4跨部位对应的下弦节点之间布置交叉拉索，最终形成一种交错布索桁架拱结构.　　2静力及稳定性分析　　2.1结构计算模型及分析方法　　采用有限元分析法来研究预应力桁架拱的受力性能，整个分析过程仅限于材料的弹性范围内，并假定拱结构只在平面内变形.所采用的分析软件为ANSYS有限元软件，其中主体桁架拱杆件及撑杆选用LINK8单元，拉索选用LINK10单元.另外，各单元之间均假定为铰接.桁架拱两端的支承形式采用上下弦固定铰支.采用初始应变法对结构施加初始预应力，换算公式为σ=Eε，其中E为索的弹性模量，ε为对索施加的初始应变，σ为索内产

7、生的初始预应力.在对结构进行静力及稳定性分析的过程中仅考虑其几何非线性，并利用牛顿　　拉弗森法和弧长法追踪结构屈曲过程.　　2.2静力性能分析与对比　　在拱结构中，矢跨比的改变对整体结构受力性能的影响最为明显，因此，本节通过采用上述有限元分析法，先对不同矢跨比下结构的最大节点位移降低率及索初始预拉力的分布情况进行研究，找出矢跨比对结构受力性能的影响规律，然后，在矢跨比取定值的情况下，综合考虑索初始预拉力、最大节点竖向位移、最大水平支座反力以及杆