预应力钢结构索张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兰查旦堕叁。预应力钢结构索张拉施工控制的反分析方法曲晓宁罗尧治(浙江大学空间结构研究中心，浙江杭州310027)摘要：钢结构体系与预应力新技术相结合而衍生出的预应力铜结构体系得到了迅速发展和广泛地应用，预应力施工控制分析足其戈键。本文首先采用控制索应力的方法求出零状态的节点坐标，并在此基础上求出每级张拉控制力对应的索原长。然后通过控制索艇长，利用几何非线性有限元选代技术进行反分析求出索分缓分批张拉备施工阶段的结构内力和忙移。文中通过算例分析表明文中的反分析方法能有效、快速地张拉到设计预应力状态。关键词：控制索应力方法，反分析，分级分批张拉，几何非线性有限元一、引言近年

2、来，铡结构体系与预应力新技术相结合而衍生出的预应力钢结构体系得到了迅速发展，这种结构形式正以其奇异多姿的建筑造型，非传统的构造连接，快速的安装工艺和良好的经济性与口J靠性受到国内外土建届的关注。如弦支穹顶，在单层网壳中施加顶应力，既保留了单层网壳性能及结构形式上的优点，又吸收了张拉整体结构思想的精华。通过对预应力索张拉，使索内产生预拉力，使网壳结构产生反拱变形，从而使大跨度小矢跨比的甲层网壳的设计成为可能。可以有效地节约了建筑空间。同时，刚性上弦的使用又避免了张拉整体结构的某些不足，消除了找形分析复杂，柔性屋面限制等因素的影响。由于受群索体系类型和施工条件限制，拉索施工通常采用分批张拉的施

3、工技术，同时结构的非线性增加了精确计算初始张拉力的难度．在张拉次序己知情况下，通常运用倒退分析法、前进分析法确定托索初始张拉力．确定拉索的张拉次序和初始张拉力是索系张拉的一个关键问题．拉索的初始张拉力是相对于确定的拉索张拉次序而言，不同张拉次序确定不同的初始张拉力．预应力钢结构几何形状与预应力大小与施工顺序密切相关。因此预应力分批、分级张拉是颅应力钢结构的施工成形的关键问题。目前对索的施工方法大致可分为倒退分析法和前进分析法。倒退分析法也称为反分析法．首先根据结构体系特点和施工的设备条件，初步拟定施工步骤，确定拉索张拉次序：然后以给定的设计索力状态为初始状态，按照拟定的拉索张拉施工步骤的逆

4、过程，对结构进行倒拆，分析每卸除一个旌工阶段对剩余结构韵影响，从而可以算得拉索张拉各施工阶段的拉索初始张拉力．前进分析法又称正装分析法．与倒退分析法相同，首先确定拉索张拉次序：然后以拉索施工前的状态为初始状态，采用与拉索张拉批次相同的次序，依次计算拉索各施工阶段的结构内力和位移。、在实际施1=中．索力可能会与计划张拉的值不同，既存在将索进行张拉，亦存在将索进行放松的情况，因此放松索力的情况电是必不可少的。本文采用一种新的计算施工控制索力的方法一控制索原长法±行反分析求索分级分批张拉的计算。下面阐述施工分级分组计算索力时要用到的几个概念，’(1)零状态：无自重、无预应力、无外荷载作用的放样状

5、态；(2)预应力状态：实际施工完成，施加了预应力的状态；(3)索原长：指索在无应力的自然状态下长度，也即放样长度或无应力长度。二、索的刚度矩阵杆单元时刻r的杆长为毛，杆件初始张力为毛；时刻f+△f杆长变为z，杆件张力为丁，A为杆元截面积。索原长已知或已求得的二节点索杆单元剐度矩阵：工业建筑2007增刊1655第七厢全国现代结构工程学术研讨会心l埘=呜小眨孚一孚hos2∞i一了P。8％JSyM张力值固定得二节点索杆单元刚度矩阵【ekd鲁]竽c。sec。sqJ譬一竿(·⋯s2引悱巨乏]三+坠cosz且f。5HW三、反分析法的计算原理爷s即sE三+坠cos2伊f．f’半cm只cjs只f’。竿co

6、sqc。s眭{’‘詈一孚(h毋叫孚cos细s嚷竿cosq础三+坠cos2伊f‘(一)确定零状态几何’，先近似假定零状态放样几何为预应力状态的几何．对所有单元形成单刚矩阵。并组装成总刚矩阵，其中主动张拉索采用控制索应力的方法，即施JJ口内力为固定位(设计值)，进行非线性迭代。得到结构新的平衡几何位置，计算所得位移为f“I，如果新的、F衡几何与给定的预应力状态几伺接近，计算结束．否则重新将结构的零状态几何位置假定为从给定的预应力状态几何反向偏离I“l，进行菲线性迭代直至计算成形几何与设计要求几何一致，由此一次性得到零状态几何、预应力状态或受荷状态下粱、杆、被动张拉索内力。(二)计算各级张拉下的

7、索原长在非线性有限元理沦范围。索在节点位置确定下．索原长和张力具有唯一的对应关系。因此Jji『后批索的张拉只影响结构受力状态而不影响凌级张拉索的原长，因此可以控制每一级张拉索的原长来控制施工中需要张拉的索力。具体求解方法如下：(1)根据求得的零状态on下节点也标；采用控制索应力的方法求得目标状态索张力及节点坐标，并求出被动索的索原长，它在F面分级分批张扎过程中保持不变。(2)在零状态。兀基础上，对所有主动张拉索分级ff-