预应力对悬索结构力学性能的影响

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇预应力对悬索结构力学性能的影响范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘 要：在结构形式一定的前提下，合理匹配索体中预应力大小在悬索结构设计中占有重要的地位，它不仅决定结构的受力状态，而且对结构的稳定性产生着重要的影响。本文将结合工程实例“大跨度悬索避难帐篷”，对结构进行模拟分析并进行试验研究，将两者的分析结果进行对比。分析结果表明，索体中预应力越大，结构的内力越大，而结构的稳定性却随着预应力的增大先表现出提高后下降的趋势。

关键词：悬索结构；预应力；稳定性；

1引言

悬索结构设计主要包括选择合理的结构形式及与之相匹配的预应力分布，结构的几何形式因工程的需要基本确定，而我们知道一个受力合理的悬索结构它的结构形式与预应力分布是相匹配的。这样，在结构几何形式一定的情况下，合理的设置预应力大小成为悬索结构设计分析的关键所在。

目前，国内外对悬索结构的力学性能分析及理论研究较多，如沈世钊[1]对悬索结构的形式、解析计算方法及有限元分析等进行了精湛的研究， Schek ,H.J.、 Barnes,M.R. 、Haber,R.B. and Abel,J.F.[2]等人对悬索结构的初始形态分析也进行了深入研究，还有很多专家对悬索结构也做了相关的分析研究。可以说，悬索结构的理论研究达到了一定的高度。但对于实际工程，设计者、施工人员往往尽可能的增大索体的预应力，以满足结构的力学性能指标。然而，经计算与试验分析表明，较大的预应力不仅增加了构件的内力，而且结构的稳定性却随着预应力的施加变得复杂多样化。因此，能够合理的设计出预应力大小对悬索结构的设计分析起着至关重要的作用。

力学性能试验分析

试验过程及分析

为了明确预应力大小对结构力学性能的影响，我们从两方面内容进行研究，一是结构的节点位移，另一个是结构的受力状态。

悬索避难帐篷张拉试验采用三组脚手架组成结构的支撑体系，通过横向与斜方向索体的张拉将其稳固与地面，横向与纵向的跨度尺寸可根据需要自行确定。在本次试验中，纵向跨度为5m，横向脚手架底部之间跨度2m，脚手架底部与索基础之间跨度3.4m，此悬索结构以获得实用新型专利授权[4]，具体结构形式如图1所示。

（a）（b）

图1 张拉试验

试验中，我们可以通过控制索的伸长量来改变索体中的预应力大小。索的伸长量由紧线器控制，通过紧线器的螺母调节可以任意的改变索的伸长量，进而有效的控制索体中的预应力大小。索体中预应力大小与索的伸长量之间的关系为：。

表1-1 索材料参数

材料 质量密度 弹性模量 泊松比 线膨胀系数

索 78.5 0.3

试验结果

试验中，对索分别施加1kN~50kN大小不等的预应力，分别记录不同预应力作用下节点的位移及构件的内力。结果显示，支柱的内力随着预应力的增大而增大，其分析结果如图2所示。而顶部节点的位移并未随着预应力的增大成线性变化，在节点位移与预应力大小的变化曲线中出现了拐点，结构在先期表现出随着预应力的增大节点的位移逐渐减小，后期随着预应力的增大节点的位移也逐渐增大。以顶部节点J1为例，其位移变化曲线如图3所示。

图2预应力大小对支柱轴力的影响图3预应力大小对节点位移的影响

有限元模拟分析

在sap2000中我们可以通过施加温度荷载的方法来模拟索中的预应力[3]。我们知道杆件的弹性模量E和应变比有如下关系：（1）

其中 ；（2）

； （3）

联立上述公式：（4）

式中，为索的预应力；为应变比；为索的弹性模量；、分别为索的伸长量及原长；为温度变化。

为便于与试验结果对比分析，我们同样对索施加1kN~50kN大小不等的预应力，以5kN为例，结构的变形图及柱的受压内力图如图4、5所示。

图4结构变形图 图5 结构内力图

试验分析与模拟结果对比分析

将上述的实验分析与模拟分析结果进行对比，在相等的设计参数下，对比结构中顶部节点的位移，分析结果如图6所示。分析表明，无论试验分析还是模拟计算分析，结构节点位移并未随着预应力的增大而减小，而是随着预应力的增大，节点的位移曲线表现出先减小后增大的趋势。这是由于先期预应力较小时，结构表现出很强的非线性，结构的稳定性较差，导致节点的位移较大。随着预应力的增大，结构的稳定性并没有提高反而更差，这是由于增大的预应力与结构的整体刚度不相匹配造成的。图6显示试验分析与模拟计算分析的位移曲线走势基本吻合。

（a）（b）

（c）（d）

图6预应力分布对节点位移的影响

5结论

本文通过对工程实例―大跨度悬索避难帐篷进行了静力性能计算分析与试验分析，并总结出下列相关结论：

（1）悬索结构设计中，并不是索的预应力越大，结构的稳定性越好，即合理的设计与结构形式相匹配的预应力大小成为悬索结构设计分析的关键所在。因此，悬索结构设计中，要准确的计算出合理的预应力分布。

（2）结构构件的内力随着预应力的增大而增大。因此，在结构的设计中，要同时考虑构件的受力状态与结构的稳定性要求，达到最合理的结构形式。

6参考文献

[1]沈世钊,徐崇宝,赵臣,武岳.悬索结构设计[M].中国建筑工业出版社,2005,(3):159-163.

[2]H.J.Schek, The Force Density Method for Form-finding and Computation of General Network,[C]. Comp Mech in Appl.Mech and Engr, 1973.

[3]Haug E,Powell GH, Analytical shape finding for cable nets. Tokyo and Kyoto: IASS Pacific Symp. PartⅡ on Tension Structures and Space Frames, 1972: 83-92.

[4]孙长征，赵同峰.一种大跨度预应力悬索避难帐篷：CN，201120280670.5[P].2011.08.04

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。