拉索拱桁架結構受力性能研究

摘要：拉索拱桁架結構是預應力鋼結構的一種，其工作性能受到預應力值、撐桿數目、拉索垂度等的影響。文章從剛度、內力和變形的角度對拉索拱桁架結構進行了理論分析，通過對一榀拉索拱桁架結構運用SAP2000進行了有限元模擬，分析了各影響因素對結構的影響程度，得出了有益結論，對實際工程設計具有一定的指導意義。

關鍵詞：拉索拱桁架結構；受力性能；預應力；撐桿；拉索垂度 文獻標識碼：A

中圖分類號：TU356 文章編號：1009-2374（2015）06-0017-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0437

1 概述

拉索拱桁架結構是由承受軸力的拱形桁架、截面較小的高強鋼索和撐桿組成，并通過對索施加一定大小的預應力使三者成為一個整體結構，承受外力荷載。由于結構形式簡單，能夠充分利用鋼材的抗拉強度并跨越較大的空間，且自身為自平衡體系，制作安裝較網架結構簡單，因此廣泛應用于大跨度空間結構中。本文運用大型有限元分析軟件SAP2000建立30m跨度單榀拉索拱桁架結構模型，分析了預應力大小、撐桿數目和拉索垂度等影響因素對結構受力性能的影響，得到了不同的計算數據，通過畫出不同影響因素的影響曲線，總結出了一些結構剛度、內力和位移變化的規律，得出了有益結論，希望能在今后的工程設計中給予參考。

2 模型建立

某車間廠房結構形式為拉索拱桁架結構，每榀之間設置水平支撐或拉條以保證結構的平面外穩定。由于拉索拱桁架結構主要以平面傳力為主，可以取其中的一榀進行分析。每榀拉索拱桁架跨度為30m，間距為10m，室內凈高為6.5m，初步擬定撐桿數量為7根，撐桿間距為3m，桿件之間以及結構與基礎連接均為鉸接，拱桁架每節點所受恒載和活載均為10kN模型的建立與計算采用通用有限元結構分析與設計軟件SAP2000。桁架各桿件和下弦拉索均采用該軟件中的框架單元模擬，由參考文獻[2]可知，釋放撐桿及桁架各桿件兩端的彎矩可以模擬鉸接連接，將拉索的抗彎屬性設置為較小值可以模擬索單元。

2.1 預應力施加

拉索拱桁架結構中，引入預應力可以抵消荷載應力，調整內力峰值，增強結構剛度及穩定性，賦予零剛度結構以必要的剛度，變幾何可變體系為幾何不變體系。此外，在結構受到向上的風荷載時，為了避免拉索出現松弛，也需要有一定的預應力儲備，以防止結構喪失整體受力能力。但在引入預應力的同時，結構也會有部分桿件內力增大，惡化其受力條件并增大材耗。因此，預應力值的確定是拉索拱桁架結構中關鍵問題之一。在SAP2000中可以通過施加溫度荷載模擬索中的預應力。

2.2 非線性分析

對拉索拱桁架結構進行分析時，拱桁架中各桿件一般處于彈性階段，對于拉索的分析，在索受到預拉力張拉繃緊后，通常也考慮索的應力-應變關系處于彈性階段，不考慮材料非線性因素，只需考慮幾何非線性的因素。

由于拉索拱桁架結構必須經過預張拉才能產生剛度承受荷載，因此在結構非線性分析時，必須正確安排初始分析工況，其他荷載工況的分析以此為初始條件，通常情況下以溫度荷載模擬的預應力工況為初始分析工況。各非線性分析工況的結果一般不能疊加，對于荷載組合，必須通過正確安排非線性分析工況的先后次序，后一個非線性分析工況從前一個非線性分析工況結束時的狀態、剛度矩陣開始，繼承前一個工況的所有荷載效應。本文模型的荷載工況分析順序為溫度荷載、自重荷載、恒載、活載。

3 結果分析

拉索拱桁架結構計算分析中，確定預應力值大小、撐桿數目、拉索垂度是關鍵問題。它們決定了拱桁架的結構找形、構件截面的選型等一系列工作。撐桿數目和拉索垂度還影響結構內力及位移，拉索的垂度需滿足室內凈高要求。

由于上述因素僅在屋架平面內影響結構受力性能，因此可以選取一榀拉索拱桁架結構進行分析。從圖2的模態分析中可以發現，結構的前四階振型僅第二階振型受到預應力值、撐桿數目和拉索垂度的影響，因此本文各影響因素的分析主要基于第二階振型的模態數據。

3.1 預應力值影響分析

僅調整預應力值大小，其他影響因素不變，分析結果見圖3，由圖可知，預應力大小與結構的周期和跨中位移呈線性遞減關系。這是因為增大拉索預應力，結構剛度加大，周期和跨中位移減小。

對拉索拱桁架結構來說，一般都要對索施加一定的預應力使結構產生剛度承受荷載。增大預應力值能夠減小結構在使用荷載作用下的撓度，但過大的預應力會增大拱桁架的軸力，使結構用鋼量變大，所以一般情況預應力值大小由結構撓度限值決定。

3.2 撐桿數目影響分析

其他影響因素不變，僅調整撐桿數目，分析結果見圖4，由圖可知，撐桿數目增加結構周期和跨中位移減小，撐桿數目初期影響較大，當撐桿數目多于3個時對周期和跨中位移的影響較小，結構受力性能不再明顯改善，而用鋼量卻隨撐桿數目的增加而增加，故撐桿數目并非越多越好。比較撐桿數目3和4以及5和6可以發現，跨中附近撐桿對結構剛度影響比支座附近的撐桿明顯。當撐桿數目為5時，結構周期和跨中位移取最小值，所以工程設計中拉索拱桁架結構應保證跨中有一道撐桿，同時應合理布置撐桿位置，將一定數量的撐桿布置在跨中附近，以最大程度地發揮撐桿的作用。

3.3 拉索垂度影響分析

分析圖5和圖6可以發現，預應力值和撐桿數目不變時，索的垂度與結構周期和跨中位移呈線性遞減關系，與中間撐桿軸力呈線性遞增關系。這是因為垂度越大結構剛度越大，結構的周期和跨中位移就會減小。增加拉索垂度會增大預應力在重力方向的分力，因此中間撐桿的軸力增大。雖然增大拉索垂度能夠減小跨中位移，但是如果垂度過大，在同樣的預應力情況下，會增大撐桿向上頂起拱桁架的趨勢，也即會增大結構的起拱。結構起拱較大時在風吸作用下會更容易產生失穩破壞，所以從建筑和結構穩定性方面考慮，拉索的垂度不宜太大。

4 結語

由上述計算分析可知：（1）提高預應力值、撐桿數目、拉索垂度等要素能夠改善拉索拱桁架結構的受力性能，提高結構的承載力，但不同的要素影響程度不同，預應力值和垂度影響較為明顯，撐桿數目多于3個時對結構影響較小；（2）與其他位置撐桿相比跨中撐桿所受軸力最大，對拉索拱結構剛度影響最大，撐桿數目為5個時結構周期和跨中位移最小。在實際結構設計中建議撐桿數目為3個或5個，同時應設置跨中撐桿，并加強對其穩定性分析；（3）對拉索施加預應力，主要作用是使撐桿和拱桁架形成穩定的結構體，提高結構的承載能力，但施加的預應力并非越大越好，對拉索施加預應力應考慮構件的材料、截面和結構的跨度等因素綜合確定。

參考文獻

[1] 張自強.空間張懸梁結構體系受力機理及穩定性能研究[D].重慶交通大學，2012.

[2] 黃明鑫.大型張弦梁結構的設計與施工[M].濟南：山東科學技術出版社，2005.

[3] 吳軼群.一種新型張弦梁結構的靜力穩定性分析與施工方案比較[D].同濟大學，2008.

[4] 北京金土木軟件技術有限公司，中國建筑標準設計研究院.SAP2000中文版使用指南[S].北京：人民交通出版社，2006.

[5] 北京金土木軟件技術有限公司.CSI分析參考手冊

[S].2006.

作者簡介：黃超（1981-），男，湖北荊門人，武漢都市環保工程技術股份有限公司結構工程師。

（責任編輯：周 瓊）