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索桁架的穩定與預應力控制

來源:  作者:  日期:2005-1-20
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    點連接全玻璃幕墻在我國廣泛使用已有幾十年歷史、2000年使用了約50萬m2,一個工程使用幾萬m2的也為數不少。在建造這些幕墻時,積累了大量計算資料、試驗參數和施工經驗。同時,在設計、施工和使用中出現或提出一些亟待解決的問題,于是對積累的資料和經驗進行總結,對拉索式點連接全玻璃幕墻桁架技術進行理論分析,找出其內在規律,提出一套完整的設計、計算、施工方案,來指導設計、施工是當前迫切的任務。

   索桁架的穩定與預應力控制是索桁架設計、施工技術中的關鍵問題。索桁架和一般鋼架不一樣,一般鋼桁架的穩定是靠其幾何形狀(例如“三角形穩定性”)和截面幾何特征(截面積和壁厚)來實現的。索桁架即使均由三角形所組成,索桁面也很大,不進行預應力控制也無法實現穩定。索桁架是柔性張拉結構,在沒有施加預應力之前沒有剛度,其形狀也是不確定的,必須通過施加適當的預應力賦予其一定的形狀,才能成為能承受外荷的結構。在給定的邊界條件下,所施加的預應力系統的分布和大小(這是一套自平衡的內應力系統)同所形成的結構初始形狀是互相聯系的。如何最合理的確定這一初始形狀和相應的自平衡預應力系統,就是張拉結構“外形確定”(或更確切地稱為“初始平衡狀態的確定”)這一命題要解決的任務。但不能認為預應力滿足了始態的要求就算完成了任務(要滿足始態的力系平衡,只要施加不太大的預應力就可以了),還要求預應力系統在終態(即索桁架承受最大設計水平作用時),任意一根索都不發生松弛,且保持一定大小的張力儲備。

    預應力控制貫穿在施工階段和使用階段的全過程。我們討論預應力時一定要分清預應力張拉控制應力值αcon和有效預應力值αpo。雖然兩者緊密相關,實際上可以說是相互依存的,但嚴格的區分,兩者并非同義語,而有不同的內涵。因為鋼索在張拉時所建立的預應力,從構件開始制作直到安裝、使用各個過程不斷降低,實際上這種應力值損失就是由于鋼索回縮變形引起的,所有預估的預應力損失發生后,鋼索中的應力降低到預估的最低值,就是有效預應力,αpo=αcon-ЕαL。

    索桁架一般要預估下列預應力損失 :

    1、張拉端錨具變形引起的預應力損失αL1=a*E/L(先錨固、后張拉的可不計)
    2、轉角處轉向裝置與鋼索摩擦引起的預應力損失αL2=0.05*αcon(拉桿式可不計)
    3、逐榀張拉索桁架使主體結構變形,使已錨固的索桁架跨度縮短引起的預應力損失αL3=△*E/L[主體結構的剛度對第三項預應力損失影響很大,在兩(三)根鋼索(第一階段有效)預應力的作用下主體結構如果變形過大,則第三項應力損失很大,對(最終)有效預應力值的影響很大。

    4、鋼索(棒)松弛引起的預應力損失
    αL4=0.05*αcon(鋼棒)
    αL4 =Φ[0.36*(αcon /f fptk)-0.18] *αcon(鋼索) (當計算結果為負值時取為零)
    5、活(雪)荷載使主體結構變形,索桁架跨度減少引起的預應力損失αL5=△*E/L
    對拉索桁架αL≥80N/mm2;對拉桿桁架∑αL≥40N/mm2。

    預應力張拉控制應力值和有效預應力值對索桁架的力系平衡都有十分重要的影響,要分別評估。索桁架在承受最大設計水平作用后,要求承力索截面最大設計應力值應等于或小于鋼索強度設計值。穩定索截面的應力值應大于或等于零(即穩定索索長大于或等于下料長度,這時鋼索不會發生松弛)。特別要指出拉索式點連接全玻璃幕墻要承受正風壓和負風壓,即承力索和穩定索角色要互換,這樣每一根索的截面應力都要控制在這個范圍內。預應力張拉控制應力值和有效預應力值基本上是同時(不一定同步)增長。因此確定預應力張拉控制應力值是首要任務。對索衍架鋼索預應力張拉控制是在預估各種預應力損失的基礎上,在張拉時選擇適當的預應力張拉控制應力值,預應力張拉控制應力值要根據作用在索桁架上的作用和鋼索材料特點等多方面考慮后選用。

    預應力張拉控制應力值決定了鋼索的下料長度,這一長度是衡量索桁架變位后穩定索是否松弛的基準(即在索桁架變位后穩定索索長縮短的極限為不能小于鋼索下料長度)。

    預應力張拉控制力值也是建立有效預應力值的基礎。有效預應力值對索桁架的變形有直接影響,它們成反比例關系,有效預應力愈大,索桁架變形愈小,反之變形愈大。提高有效預應力值是減少索桁架變形、提高其剛度的重要手段。如果有效預應力太小,索桁架很快變位到穩定索松弛而失穩。不過有效預應力過大,就會增加支承結構的負擔,使主體結構構件截面加大,增加主體結構的造價,有時甚至可能使主體結構不堪負擔。
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