CN109190208A - 一种张拉整体结构的主动索预应力张拉量确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种张拉整体结构的主动索预应力张拉量确定方法。本发明提出主动索的张拉影响系数η的概念，并给出张拉影响系数的计算公式。将结构设计目标态的预应力索力的张拉进行分级，在每个张拉阶段内，各主动索的张拉量为主动索的目标变化量乘以本发明提出的张拉影响系数。结构最终的预应力索力目标态定义为向量{F}，最后一步张拉完成后获得的索力向量为{F}_m′，计算误差{μF}＝{F}‑{F}_m′，若计算所得误差不满足业主需求或者达不到规范要求，进行补张拉，补张拉的张拉向量{T}′也同样乘以张拉影响系数η。本发明提出的张拉影响系数，可以快速计算出主动索的张拉量来张拉主动索，计算简洁便利，同时精度也高。

Description

一种张拉整体结构的主动索预应力张拉量确定方法

技术领域

本发明涉及一种张拉整体结构，具体涉及一种主动索预应力张拉量确定方法。

背景技术

索穹顶结构等张拉整体结构是由拉索和压杆组成的柔性结构。通过拉索和压杆的预应力形成刚度，从机构状态到结构状态是通过张拉索穹顶中的主动索施加预应力的方式完成，即对索进行张拉使结构的内力和几何位形达到设计状态，即目标状态。索穹顶结构在其结构构件几何及截面尺寸已确定情况下，不同张拉方案所需的主动张拉索的张拉量(张拉力或者张拉位移)不同，导致完成时的结构的预应力状态可能与设计状态差异较大。目前索穹顶施工张拉方案很多，张拉量确定方法主要有施工反分析法(倒拆法)和正装迭代法。虽然迭代法、倒拆法能够以较高的精度确定主动张拉索的张拉量，但是过程较为复杂，不同张拉阶段的张拉量存在差异，施工张拉时可能存在不便。

所以目前多采用正装迭代法。正装迭代法整个过程均采用正算的方法，因此无需生成一套与正装计算数据不同的倒拆计算数据文件，大大减少了数据输入的工作量。并且，在正装迭代的过程中，可以同时计入混凝土收缩、徐变和结构几何非线性的影响，从而消除计算过程中的不闭合问题。正装迭代法虽然不必生成倒拆数据，但是仍然需要进行迭代，才能够获得较满意的计算结果。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种张拉整体结构的主动索预应力张拉量确定方法，以解决现有技术计算方法过程复杂、张拉量不一致的问题。本发明在索穹顶的张拉分析方法中属于正装法，但是按照本发明的方法张拉，不需要迭代。

技术方案：本发明提供了一种张拉整体结构的主动索预应力张拉量确定方法，包括以下步骤：

(1)通过找力分析方法求得张拉整体结构的设计目标态的预应力索力；

(2)选择需要张拉的索为主动索，其余索为被动索；

(3)计算主动索的张拉影响系数η；

(4)将结构设计目标态的预应力索力的张拉进行分级，每级预应力的张拉称为一个张拉阶段，在每个张拉阶段内，各主动索均完成一次张拉；若将结构最终的预应力索力目标态定义为向量{F}，张拉阶段分为m级，则每级张拉后的目标索力向量记为{F}_x(x＝1～m)，令第x阶段张拉完成后索力的目标变化量为最终索力{F}的θ_x倍，记为{ΔF}_x＝θ_x{F}(0≤θ_x≤1)，在{ΔF}_x中各主动索的索力变化量记为ΔF_i，x；

(5)第一阶段张拉将步骤(3)算得的张拉影响系数η乘以第一阶段张拉完成后索力的目标变化量{ΔF}₁，取出其中主动索的索力向量即为第一阶段主动索的索力张拉向量，记为{T}₁，{T}₁中的各项即第一阶段第i根主动索的张拉力T_1,i＝ηθ₁ΔF_i，1；按照{T}₁对结构的各个主动索依次进行张拉，第一阶段张拉完成后，整体结构各索获得的索力向量记为{F}₁′；

(6)第一阶段张拉完成后，依次对结构进行第x(x＝2～m)阶段的张拉，每阶段主动索的张拉向量记为{T}_x，在向量{T}_x中满足T_x,i＝ηθ_xΔF_i，x，第x阶段张拉完成后，整体结构各索获得的索力记为{F}_x′；张拉每级荷载后，则最后一步张拉完成后获得的索力向量为{F}_m′；

(7)计算误差{μF}：{μF}＝{F}-{F}_m′，若计算所得误差不满足业主需求或者达不到规范要求，一般为目标索力的5％，则进行补张拉，补张拉的张拉向量{T}′也同样乘以张拉影响系数，具体为{T}′＝η{μF}。

进一步，步骤(1)所述找力分析方法包括力密度法、动力松弛法。

进一步，步骤(3)当不考虑外环梁变形时，按照下式计算张拉影响系数η：

式中，F_i为第i根主动张拉索内力，ΔF_i为第i根主动张拉索张拉后的内力变化量，E_i、A_i、L_i分别为第i根主动张拉索的弹性模量、截面面积和拉索原长，F_j为第j根被动张拉索内力，ΔF_j为第j根主动张拉索张拉后的内力变化量，E_j、A_j、L_j分别为第j根主动张拉索的弹性模量、截面面积和拉索原长。

进一步，步骤(3)当考虑外环梁弯曲变形时，按照下式计算张拉影响系数η：

式中，F_i为第i根主动张拉索内力，ΔF_i为第i根主动张拉索张拉后的内力变化量，E_i、A_i、L_i分别为第i根主动张拉索的弹性模量、截面面积和拉索原长，F_j为第j根被动张拉索内力，ΔF_j为第j根主动张拉索张拉后的内力变化量，E_j、A_j、L_j分别为第j根主动张拉索的弹性模量、截面面积和拉索原长，E_k、I_k、L_k分别为第k根外环梁的弹性模量、截面惯性矩和环梁计算长度，F_k为与第k根外环梁连接的索内力，ΔF_k为与第k根外环梁连接的索内力的内力变化量。

有益效果：本发明提出张拉影响系数的概念，根据每阶段张拉的目标态预应力和张拉影响系数计算出主动索的张拉量来张拉主动索，计算快速便利，同时提高了精度。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为碳纤维索穹顶结构平面图；

图3为碳纤维索穹顶结构立面图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1所示，一种针对张拉整体结构的主动索预应力张拉量确定方法，以一个5.4米直径的碳纤维索穹顶模型为例，如图2、3所示。图2为碳纤维索穹顶的平面图，其中1、2和3分别表示内圈、中圈和外圈环索，①到分别为轴线1到12，最外圈A为外环梁。图3为碳纤维索穹顶的立面图，图中数字为各个部位尺寸，汉字说明分别为各个索或者杆的名称。

本实施例只说明其中一个张拉阶段张拉量的确定方法，其余阶段张拉量的确定可同理推出。具体步骤如下：

通过找力分析求得索穹顶结构的目标态预应力{F}。考虑到张拉斜索时张拉力传递更加均匀，张拉更加便利，所以选择外斜索和中斜索作主动张拉索，其余均为被动索。

完整张拉一次外斜索、中斜索为一个张拉阶段。现以最后一个张拉阶段为例，简述该张拉阶段的张拉步骤。假设该阶段张拉完成后，索穹顶整体的内力目标变化量{ΔF}＝0.2{F}。

所有计算参数如下表所示，主动张拉索在表中加粗显示。

将表中涉及到的参数代入下式计算：

可得η＝7.25；

因此可得主动张拉索张拉量为：

外圈斜索：η×811＝5880N

中圈斜索：η×532＝3430N

按此张拉量采用有限元软件对索穹顶进行张拉模拟，得到下表结果。从表中可以看到采用该专利提出的张拉影响系数计算所得的张拉量对主动索进行张拉，得到的结构索力误差比较小，说明该方法较便利的同时也具有较高的精度。

Claims (4)

1.一种张拉整体结构的主动索预应力张拉量确定方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)通过找力分析方法求得张拉整体结构的设计目标态的预应力索力；

(2)选择需要张拉的索为主动索，其余索为被动索；

(3)计算主动索的张拉影响系数η；

(4)将结构设计目标态的预应力索力的张拉进行分级，每级预应力的张拉称为一个张拉阶段，在每个张拉阶段内，各主动索均完成一次张拉；若将结构最终的预应力索力目标态定义为向量{F}，张拉阶段分为m级，则每级张拉后的目标索力向量记为{F}_x(x＝1～m)，令第x阶段张拉完成后索力的目标变化量为最终索力{F}的θ_x倍，记为{ΔF}_x＝θ_x{F}(0≤θ_x≤1)，在{ΔF}_x中各主动索的索力变化量记为ΔF_i，x；

(5)第一阶段张拉将步骤(3)算得的张拉影响系数η乘以第一阶段张拉完成后索力的目标变化量{ΔF}₁，取出其中主动索的索力向量即为第一阶段主动索的索力张拉向量，记为{T}₁，{T}₁中的各项即第一阶段第i根主动索的张拉力T_1,i＝ηθ₁ΔF_i，1；按照{T}₁对结构的各个主动索依次进行张拉，第一阶段张拉完成后，整体结构各索获得的索力向量记为{F}₁′；

(6)第一阶段张拉完成后，依次对结构进行第x(x＝2～m)阶段的张拉，每阶段主动索的张拉向量记为{T}_x，在向量{T}_x中满足T_x,i＝ηθ_xΔF_i，x，第x阶段张拉完成后，整体结构各索获得的索力记为{F}_x′；张拉每级荷载后，则最后一步张拉完成后获得的索力向量为{F}_m′；

(7)计算误差{μF}：{μF}＝{F}-{F}_m′，若计算所得误差不满足业主需求或者达不到规范要求，一般为目标索力的5％，则进行补张拉，补张拉的张拉向量{T}′也同样乘以张拉影响系数，具体为{T}′＝η{μF}。

2.根据权利要求1所述的张拉整体结构的主动索预应力张拉量确定方法，其特征在于：步骤(1)所述找力分析方法包括力密度法、动力松弛法。

3.根据权利要求1所述的张拉整体结构的主动索预应力张拉量确定方法，其特征在于：步骤(3)当不考虑外环梁变形时，按照下式计算张拉影响系数η：

式中，F_i为第i根主动张拉索内力，ΔF_i为第i根主动张拉索张拉后的内力变化量，E_i、A_i、L_i分别为第i根主动张拉索的弹性模量、截面面积和拉索原长，F_j为第j根被动张拉索内力，ΔF_j为第j根主动张拉索张拉后的内力变化量，E_j、A_j、L_j分别为第j根主动张拉索的弹性模量、截面面积和拉索原长。

4.根据权利要求1所述的张拉整体结构的主动索预应力张拉量确定方法，其特征在于：步骤(3)当考虑外环梁弯曲变形时，按照下式计算张拉影响系数η：

式中，F_i为第i根主动张拉索内力，ΔF_i为第i根主动张拉索张拉后的内力变化量，E_i、A_i、L_i分别为第i根主动张拉索的弹性模量、截面面积和拉索原长，F_j为第j根被动张拉索内力，ΔF_j为第j根主动张拉索张拉后的内力变化量，E_j、A_j、L_j分别为第j根主动张拉索的弹性模量、截面面积和拉索原长，E_k、I_k、L_k分别为第k根外环梁的弹性模量、截面惯性矩和环梁计算长度，F_k为与第k根外环梁连接的索内力，ΔF_k为与第k根外环梁连接的索内力的内力变化量。