單層索網結構有限元模型預應力施加方法探究

2018-06-09 02:18:30張航

建材與裝飾 2018年24期

張航

引言

單層索網幕墻結構作為點支式玻璃幕墻一種新型的柔性支承結構，以其建筑結構現代時尚、簡約清透、實用美觀、便于施工等眾多優點贏得越來越多設計師的喜愛，得到更普遍的應用。單層平面索網是一種柔性張拉結構體系，它由柔性的鋼拉索正交或斜交布置組成，未施加預應力時沒有剛度，結構形狀也不確定，必須施加預應力才能形成初始剛度。本文對單層索網結構的有限元模型拉索預應力施加方法進行探究。

1 工程背景

本文主要以佛山某超高層建筑項目為研究背景，工程結構高度250m，整體設計創意采納了中國傳統習俗中漂浮的孔明燈造型，于250m高的辦公塔樓頂部創造氣派的天景空間。天燈位于頂部5層，高29.7m，是本建筑最大的亮點，也是結構設計的難點。為最好地實現建筑師的意圖、滿足業主經濟性的要求，以及得到最佳的安全性和功能使用性，結構設計突破性地在250m超高空采用了通透輕盈的單層索網幕墻（圖1），索網幕墻所處高度、跨度國內外均罕見[1，2]。

天燈層結構體系采用了超高空單層索網幕墻-巨型空間鋼框架結構（如圖2所示），在建筑的四個角部設置了四根格構柱，格構柱的頂部由水平鋼桁架拉結成為穩定的空間鋼框架體系。在鋼框架圍閉的區域內，設置了四片單層雙向平面索網幕墻。

2 有限元模型預應力施加方法

圖1 建筑實景圖

圖2 單層索網幕墻-巨型鋼框架結構

隨著預應力技術的發展成熟，預應力鋼筋、預應力拉索在工程上得到廣泛的應用，但通過有限元法計算預應力效應，仍然存在著模擬誤差較大、預應力損失無法自動計入等不少問題，尤其是不能如實反映隨時間或外荷載變化，預應力鋼束的實際應力變化情況。所以，采用有限元法如何準確模擬預應力效應越來越受到人們的關注。

目前，工程上常用的有限元模型預應力施加方法有等效荷載法、降溫法、初始應變法等，以及SAP2000所提供的目標力法。本文根據工程實際情況，提出了考慮支座位移的降溫法。

2.1 等效荷載法

對一些簡單的靜定結構，等效荷載法是應用自平衡原理，將結構中的預應力和錨具視為施載體從結構中脫離，把它們轉化為等代的等效荷載，再當作外荷載施加到結構上。因此，要計算預應力對結構的作用，關鍵是求得其等效荷載。應用到有限元分析中，則關鍵是求得預應力作用的等效節點荷載。

采用等效荷載法計算分析可以方便地得到滿足設計精度的計算結果。但是，等效荷載法沒有考慮預應力構件和整體結構的變形協調關系，將預加應力視為一成不變的外荷載，無法真正考慮預應力在構件受各種外荷載作用下的實際應力、應變情況。對于比較復雜的結構，存在誤差較大，結果較粗的問題。如果研究預應力混凝土結構的基本性能，可以考慮采用分離式的等效荷載法，將預應力轉換為等效荷載力直接施加到混凝土上，然后根據初等梁理論進行分析，具有代表性的做法就是目前行業內一些程序采用束梁分離模型[3]。

但是考慮本工程實際情況，主要研究對象為被施加初始預應力單層索網結構本身的受力與變形，等效荷載法并不適用。該方法可考慮作為索網周邊支承結構受力分析的簡化方法。

2.2 降溫法

整體降溫法，是通過對預應力構件的單元實施溫降，將預應力構件和整體結構作為一個整體進行受力分析，從而模擬預應力構件對整體結構產生的預應力效應。研究預應力結構局部的應力應變響應時，宜采用整體式的降溫法。降溫值是根據溫度與預應力產生的線應變相等的原則確定的，按式（1）計算。

式中：Δt為需施加的溫降值；A為預應力構件的截面面積；α為預應力構件的線膨脹系數；E為預應力構件的彈性模量；N為所需施加的預應力。

這種方法可以靈活控制不同位置的預應力值，可以模擬預應力的損失。

2.3 初始應變法

給預應力構件單元設定一個初始拉伸應變，構件有收縮變形的趨勢，在兩端受到約束的情況下構件單元內部形成預拉力。初始應變值按公式（2）計算：

式中：ε0為預應力構件的初始應變；N為預應力值；E為預應力構件彈性模量；A為預應力構件的截面面積。

初應變法通常不能考慮預應力損失，且工作量較大，目前較少采用。

2.4 目標力法

SAP2000有限元分析軟件提供了一種基于目標索拉力的預應力施加方式，即目標力法。該方法通過迭代計算，考慮張拉過程中的構件變形、支座變形、溫度變化等影響，最終在張拉完成時達到所設定的拉力值。當采用柔性支座時，目標力法可以方便快速地施加拉索預應力。

2.5 考慮支座位移的降溫法

采用SAP2000有限元軟件的目標力法設定拉索預應力值，需要大量次數的迭代計算，計算機計算時間較長，效率較低，而且容易發生計算結果不收斂的問題。在索網結構幕墻方案比選、支承結構選取分析時，若采用目標力法施加拉索預應力值，將在計算上耗費大量時間，不利于工程師把握關鍵問題。本工程考慮支承結構的變形，結合傳統降溫法，提出了一種考慮支座位移的降溫法作為預應力施加方法。

給拉索施加預應力后，索網周邊支承結構承受預拉力而產生變形，拉索應變值減小，從而導致預應力損失。若為每根拉索指定相同的降溫值，最終張拉結束時由于邊界跨中變形大、兩端變形小（如圖3、圖4所示），位于跨中位置的拉索所形成的預應力值將低于兩端拉索預應力值。為施工方便，同方向每根拉索將賦予相同的預應力值。因此，采用有限元法模擬預應力施加，本工程考慮索網結構支座位移，提出考慮支座位移的降溫法，根據公式（3）確定降溫值。