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索桁架的稳定与预应力控制

来源:  作者:  日期:2005-1-20
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    点连接全玻璃幕墙在我国广泛使用已有几十年历史、2000年使用了约50万m2,一个工程使用几万m2的也为数不少。在建造这些幕墙时,积累了大量计算资料、试验参数和施工经验。同时,在设计、施工和使用中出现或提出一些亟待解决的问题,于是对积累的资料和经验进行总结,对拉索式点连接全玻璃幕墙桁架技术进行理论分析,找出其内在规律,提出一套完整的设计、计算、施工方案,来指导设计、施工是当前迫切的任务。

   索桁架的稳定与预应力控制是索桁架设计、施工技术中的关键问题。索桁架和一般钢架不一样,一般钢桁架的稳定是靠其几何形状(例如“三角形稳定性”)和截面几何特征(截面积和壁厚)来实现的。索桁架即使均由三角形所组成,索桁面也很大,不进行预应力控制也无法实现稳定。索桁架是柔性张拉结构,在没有施加预应力之前没有刚度,其形状也是不确定的,必须通过施加适当的预应力赋予其一定的形状,才能成为能承受外荷的结构。在给定的边界条件下,所施加的预应力系统的分布和大小(这是一套自平衡的内应力系统)同所形成的结构初始形状是互相联系的。如何最合理的确定这一初始形状和相应的自平衡预应力系统,就是张拉结构“外形确定”(或更确切地称为“初始平衡状态的确定”)这一命题要解决的任务。但不能认为预应力满足了始态的要求就算完成了任务(要满足始态的力系平衡,只要施加不太大的预应力就可以了),还要求预应力系统在终态(即索桁架承受最大设计水平作用时),任意一根索都不发生松弛,且保持一定大小的张力储备。

    预应力控制贯穿在施工阶段和使用阶段的全过程。我们讨论预应力时一定要分清预应力张拉控制应力值αcon和有效预应力值αpo。虽然两者紧密相关,实际上可以说是相互依存的,但严格的区分,两者并非同义语,而有不同的内涵。因为钢索在张拉时所建立的预应力,从构件开始制作直到安装、使用各个过程不断降低,实际上这种应力值损失就是由于钢索回缩变形引起的,所有预估的预应力损失发生后,钢索中的应力降低到预估的最低值,就是有效预应力,αpo=αcon-ЕαL。

    索桁架一般要预估下列预应力损失 :

    1、张拉端锚具变形引起的预应力损失αL1=a*E/L(先锚固、后张拉的可不计)
    2、转角处转向装置与钢索摩擦引起的预应力损失αL2=0.05*αcon(拉杆式可不计)
    3、逐榀张拉索桁架使主体结构变形,使已锚固的索桁架跨度缩短引起的预应力损失αL3=△*E/L[主体结构的刚度对第三项预应力损失影响很大,在两(三)根钢索(第一阶段有效)预应力的作用下主体结构如果变形过大,则第三项应力损失很大,对(最终)有效预应力值的影响很大。

    4、钢索(棒)松弛引起的预应力损失
    αL4=0.05*αcon(钢棒)
    αL4 =Φ[0.36*(αcon /f fptk)-0.18] *αcon(钢索) (当计算结果为负值时取为零)
    5、活(雪)荷载使主体结构变形,索桁架跨度减少引起的预应力损失αL5=△*E/L
    对拉索桁架αL≥80N/mm2;对拉杆桁架∑αL≥40N/mm2。

    预应力张拉控制应力值和有效预应力值对索桁架的力系平衡都有十分重要的影响,要分别评估。索桁架在承受最大设计水平作用后,要求承力索截面最大设计应力值应等于或小于钢索强度设计值。稳定索截面的应力值应大于或等于零(即稳定索索长大于或等于下料长度,这时钢索不会发生松弛)。特别要指出拉索式点连接全玻璃幕墙要承受正风压和负风压,即承力索和稳定索角色要互换,这样每一根索的截面应力都要控制在这个范围内。预应力张拉控制应力值和有效预应力值基本上是同时(不一定同步)增长。因此确定预应力张拉控制应力值是首要任务。对索衍架钢索预应力张拉控制是在预估各种预应力损失的基础上,在张拉时选择适当的预应力张拉控制应力值,预应力张拉控制应力值要根据作用在索桁架上的作用和钢索材料特点等多方面考虑后选用。

    预应力张拉控制应力值决定了钢索的下料长度,这一长度是衡量索桁架变位后稳定索是否松弛的基准(即在索桁架变位后稳定索索长缩短的极限为不能小于钢索下料长度)。

    预应力张拉控制力值也是建立有效预应力值的基础。有效预应力值对索桁架的变形有直接影响,它们成反比例关系,有效预应力愈大,索桁架变形愈小,反之变形愈大。提高有效预应力值是减少索桁架变形、提高其刚度的重要手段。如果有效预应力太小,索桁架很快变位到稳定索松弛而失稳。不过有效预应力过大,就会增加支承结构的负担,使主体结构构件截面加大,增加主体结构的造价,有时甚至可能使主体结构不堪负担。
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