ResearchProgressofCable'sParametersinPre-stressedSteelStructure
苟鑫淤GOUXin曰杨思琦于YANGSi-qi（淤中国建筑西南设计研究院有限公司，成都610042；于江苏科技大学土建学院，镇江212003）（淤ChinaSouthwestArchitecturalDesignandResearchInstituteCorp.，Ltd.，Chengdu610042，China；于SchoolofArchitectureandCivilEngineering，JiangsuUniversityofScienceandTechnology，Zhenjiang212003，China）
摘要院拉索参数的确定是预应力钢结构的关键问题之一。本文总结了预应力钢结构中拉索关键参数的研究状况，着重分析了存在问题和研究趋势，并结合竖向预应力钢结构体系简要介绍了一种新的拉索参数确定方法。
Abstract:Thedeterminationofcable'sparametersisoneofthekeyproblemsforpre-stressedsteelstructure.Thispapersummarizedtheresearchoncable'sparametersinpre-stressedsteelstructure,andputemphasesontheanalysisofexistingproblemsandresearchingtrend,thenintroducedonemethodtodeterminecable'sparametersforverticalpre-stressedsteelstructure.
关键词院预应力；钢结构；拉索；参数Keywords:pre-stress；steelstructure；cable；parameters
中图分类号院TU394文献标识码院A文章编号院1006-4311（2014）16-0157-030
引言预应力为钢结构带来了巨大的创新潜力，无论对于结构体系形式，还是在提高性能、节省材料等内在品质上，预应力都显示出旺盛的生命力。预应力钢结构学科从诞生到现在经历了近七十年，从最初的预应力钢梁、钢屋架和钢栈桥等发展到预应力刚架、空间桁架、网架及网壳结构，以及索网、索膜、弦支穹顶等新型结构[1]。近年来我国预应力钢结构的发展势头尤其迅猛，这既是我国经济发展在建筑领域的外在表现，更是节约能源、降低成本对于建筑结构内在的技术发展要求。
通过拉索实现对钢结构施加预应力，是预应力钢结构中的一个重要群体。因此，拉索在预应力钢结构中扮演着重要角色，如何确定拉索参数，包括拉索直径及拉索初拉力，成为预应力钢结构关键的学术问题。
1基于结构拓扑关系袁确定初始预应力分布模态的研究近20多年，预应力空间钢结构的研究和应用一直是热点；其中拉索的初始预应力分布模态是一个关键问题；国外起步相对较早，近10年则以国内为主。
基于平衡矩阵理论确定索穹顶初始预应力分布，Pellegrino和Calladine上世纪八九十年代做了开创性的工作[2][3]。2001年，袁行飞、董石麟[4]针对Geiger提出的索穹顶体系，从其特有的杆件拓扑关系入手，提出了整体可行预应力概念，即“杆受压、索受拉；同类杆件初始内力相等；满足整体自应力平衡”，依据该准则确定初始预应力分布，进而利用优化方法求解预应力水平系数，获得索穹顶的最终预应力。2003年及2004年，分别根据肋环型索穹顶和葵花型索穹顶的结构特征，从节点平衡入手，推导出初始预应力分布的快捷估算公式[5][6]。2007年，基于上述整体可行概念，Yuan等[7]提出了一种能够求解各种索穹顶结构的整体自应力模态方法（DSVD法），并对具有多个整体自应力模态的索穹顶结构，以外圈环索初内力最小为目标、以各模态组合系数为参数进行优化，获得最终预应力。2010年，Wang等[8]考虑拉索自重，对Geiger索穹顶的上述预应力分布简化计算理论进行了完善。
通过上述研究，可以比较方便的确定拉索预应力分布，而且具有明确的结构概念，利于定性判断，纵观上述研究还深刻体现了“提出一般概念和准则寅个体研究寅归纳更普遍的方法”这样一条螺旋递进思路；但上述文献同时指出，最终的预应力度则需要根据后续各荷载工况进行优化分析来确定，并研究了不同优化模型和算法。2010年，刘学春、张爱林[9]首次将粒子群优化算法引进到预应力钢结构优化中，考虑荷载多工况作用，对几何形状、预应力度、截面尺寸实现同步优化，研究成果应用于2008奥运会羽毛球馆。通过优化分析确定拉索截面和预拉力，是一种方法，并具有精确性。但是优化工作量较大，特别是难于反映拉索参数与结构性能的影响关系，或者说难以定性甚至简捷的定量确定拉索参数。
类似于索穹顶初始预应力分布模态的定性或简捷定量的确定方法研究，关于弦支穹顶预应力值的这种确定方法也得到了一定研究。
2003年，康文江、陈志华等[10]针对Lamella弦支穹顶的拓扑关系及目标工况的竖向静载受力特点，根据力的节点平衡，推导出拉索内力预估公式，继而再通过目标工况的静力、动力分析，迭代修正，获得最终拉索预拉力。
2010年，Cao等[11]提出通过局部分析法，利用节点内力平衡关系，获得弦支穹顶的自应力分布模态；再根据弦支穹顶的构成关系、支座反力、节点内力平衡以及风载作用引起的拉索松弛效应等，综合确定拉索预拉力。然后按照设计规范，通过静力、动力分析，修正拉索预拉力。
根据上述研究成果，在实际工程的方案或初步设计中，可以比较方便的确定拉索预拉力值。但是很显然，上述确定方法还仅是依据荷载规范的目标工况，主要针对竖向静载，通过节点内力平衡关系，建立的拉索预拉力确定方法。至于工况过程中（比如存在竖向活载；或在竖向荷载基础上施加水平荷载等）对于拉索预拉力取值的影响；其他结构性能指标（比如刚度、稳定等）如何制约拉索预应力取值准则等缺乏研究；超越目标工况的后期行为更难以反映。要害在于拉索的作用缺乏深刻研究。
2基于参数分析袁确定拉索参数的研究上述研究是从结构的拓扑关系及力的平衡，确定预拉力等参数。通过参数分析，研究拉索直径及预拉力变化对于结构性能的影响，从而确定拉索参数，同步获得了较多研究。
2002年，ChanSiu-Lai,舒赣平等[12]通过简单模型理论推导及数值分析；2008年，R.R.deAraujo等[13]通过缩尺模型试验和数值分析，研究了拉索撑杆式钢压杆初始缺陷、预拉力、撑杆刚度等对于极限承载力的影响关系，并以“极限承载力最大”为准则获得最佳初始预拉力。通过预拉力与某性能指标（构件极限承载力）的关系，建立预拉力的准则，无疑为其他预应力构件、甚至预应力结构提供了良好思路。
2001年，田畑博章、岡田章、斎藤公男[14]针对第一类张拉整体桁架拱，构建了一种简单模型，设定三种预拉力值级别，对比分析了该模型的受力性能，包括各杆件内力、控制点挠度、以及自振频率等基本动力特性。
2006年，唐红等[15]针对武汉体育中心体育馆张弦天穹网壳，依据“通过控制预应力拉索的变形来控制网壳的变形”，进行预应力设计，对拉索与网壳进行整体非线性分析，确保各组合工况下拉索目标内力与初始预拉力相等，从而控制了拉索变形。该文提出了一种示范性的实际设计过程，但分析工作量巨大。
2008年，任俊超、张其林等[16]针对郑州会展中心的斜拉式张弦桁架结构，利用ANSYS，间隔变化预拉力值，研究预拉力值与结构稳定安全系数以及屈曲模态的关系，认为预拉力值对结构稳定性能的影响比较复杂，无明显规律。
2009年，Xue等[17]针对上海Yuanshen竞技场张弦梁结构，利用ANSYS，对矢跨比、梁截面尺寸、拉索直径等参数，通过间隔变化这些参数的取值，获得了适合于该工程的参数；进一步对拉索预拉力值，利用ANSYS优化功能，进行了优化分析。认为拉索预拉力取值准则为：使恒载作用下张弦梁的最大挠度尽可能小。
关于预应力空间结构中预拉力值对于结构性能的影响研究，上述研究具有前阶段的典型特征，即针对具体工程或具体的结构形式，通过一定的数值分析方法，以某几种最不利工况（一般按照荷载规范确定），在弹性范围内研究预拉力值与结构性能的影响关系，从而指导该工程设计、施工。由于预应力空间结构的复杂性，具有普遍适用性的，哪怕是适用于某一类预应力空间结构的，拉索参数取值准则及影响规律尚未获得。要害在于针对具体工程进行数值分析，获得的参数影响规律缺乏理论支撑，普遍适用准则难以获得。
3考虑弹塑性的参数分析袁确定拉索参数的最新进展随着分析技术的提高以及计算机硬件发展，近年关于预应力空间结构的塑性分析开始展开。
2007年，孔丹丹、丁洁民[18]针对三个不同形式的张弦空间结构实际工程，以恒定的拉索直径和预拉力，对它们进行了弹塑性全过程非线性分析，讨论了屈服机制、失效机制。并以目标工况，对简化的张弦网壳进行了参数分析，分析了撑杆高度、预拉力大小、荷载对称性等对张弦网壳极限承载力的影响。
2008年，河野俊作、岡田章等[19]针对原先按照弹性设计的张弦结构（已建成），按照日本保有水平耐力概念，根据静载增分解析获得的恢复力模型，分别采用地震动时程分析和质点模型等价线性化法，进行了罕遇地震弹塑性分析，验证了上述结构满足现行日本规范。
值得特别指出的，2010年，D.Yan等[20]利用塑性极限分析方法，通过设定合理的破坏机制，根据能量平衡原理，研究了单塔斜拉桥的冗余度。该文为考虑弹塑性，深入研究预应力钢结构拉索参数的确定方法，提供了一种思路。
塑性发展过程中拉索的作用、拉索参数变化的影响尚未研究，至于根据塑性状态下的结构特征如何确定拉索直径及预拉力更是未见报道。
综合上述预应力钢构件及预应力空间结构，关于拉索直径及预拉力参数确定方法的研究，可以发现：淤拉索预应力研究相对较多，但拉索直径则研究较少。存在问题：对于超静定结构，拉索直径对于结构的刚度、构件内力分配等都有重要影响，而且拉索直径与预拉力值实际是相互关联。
于根据结构的拓扑关系，以目标工况（主要是竖向荷载），利用力的平衡关系，建立了较简捷的预拉力预估方法。存在问题：仅以目标工况作为确定拉索参数的依据，对于工况过程中以及其他工况下，拉索参数的确定依据缺乏研究；仅以弹性状态确定拉索参数，罕遇状态下结构发生塑性后，拉索参数的确定依据缺乏研究；仅以力的平衡确定拉索参数，其他结构性能指标如何确定拉索参数缺乏研究。
盂针对具体结构，采用间隔变化拉索参数，对拉索参数的影响规律进行了研究，并以目标工况下结构性能为判断准则，确定较优的拉索参数。存在问题：拉索参数的影响规律一般只适用于该具体结构，难以指导普遍工程；获得的拉索参数影响规律，大多通过一定数量的数值分析获得，缺乏深层次的理论解释，也正是此才难以指导一般工程；依据该方法确定的拉索参数，难以有效判断拉索内力松弛甚至破断后结构性能，这已经成为不少专家对于已建预应力空间结构的担忧。
榆塑性研究刚刚起步。
4竖向预应力结构体系关键参数预估理论研究现状2008年至今，唐柏鉴及其团队逐步形成了“竖向预应力钢结构”的概念，并获得系列国家授权专利，其中典型体系如图1耀3所示。
文献[21-24]深刻研究了巨型钢框架-预应力复合支撑体系（图1，A体系）静载下各阶段预应力受力机理及结构性能，基于“复合支撑内力平衡和最不利工况下最下层拉索剩余拉力接近为零”双重结构性能指标，提出依据竖向静载确定拉索预拉力、依据反对称水平静载确定拉索直径的确定准则，并建立了详细确定理论。还进一步通过pushover分析初步研究了主要构件截面参数与破坏模式的关系，以及基于能量平衡采用动力时程分析法考察了体系抗震性能。
5结语预应力技术可以使钢结构向更大、更轻、更好、更省方向发展已成为不争的事实。学术界对于预应力钢结构的探索和研究在不断进行，本文重点介绍了拉索预应力钢结构中拉索关键参数的研究现状，分析了目前存在的问题，并简要介绍了竖向预应力钢结构体系中预拉力及拉索直径取值准则的研究概况。
参考文献院[1]陆赐麟,张爱林,张国军.预应力钢结构学科的发展与深化[J].建筑钢结构进展,2005，8（2）：43-48.[2]PellegrinoS,CalladineCR.MatrixAnalysisofStaticallyandKinematicallyIndeterminateFrameworks[J].InternationalJournalofSolidsandStructures,1986,22(4):409-428.[3]PellegrinoS.StructuralComputationwiththeSingularValueDecompositionofEquilibriumMatrix[J].InternationalJournalofSolidsandStructures,1993,30(21):3025-3035.[4]袁行飞,董石麟.索穹顶结构整体可行预应力概念及其应用[J].土木工程学报,2001,34(2):33-38.[5]董石麟,袁行飞.肋环型索穹顶初始预应力分布的快速计算法[J].空间结构,2003,9(2):3-9.[6]董石麟,袁行飞.葵花型索穹顶初始预应力分布的简捷计算法[J].建筑结构学报,2004,25(6):9-14.[7]XingfeiYuan,LianmengChen,ShilinDong.Prestressdesignofcabledomeswithnewforms[J].InternationalJournalofSolidsandStructures,2007,44:2773-2782.[8]ZhenhuaWang,XingfeiYuan,ShilinDong.SimpleapproachforforcefindinganalysisofcircularGeigerdomeswithconsiderationofself-weight[J].JournalofConstructionalSteelResearch,2010,66:317-322.[9]刘学春.新型大跨度弦支穹顶结构体系创新研究与奥运工程应用[D].北京工业大学博士学位论文,2010.[10]WenjiangKang,ZhihuaChen,Heung-FaiLam,ChenranZuo.Analysisanddesignofthegeneralandoutmost-ringstiffenedsuspen-domestructures[J].EngineeringStructures,2003,25(13):1685-1695.[11]Qing-shuaiCao,Zhi-hongZhang.Asimplifiedstrategyforforcefindinganalysisofsuspendomes[J].EngineeringStructures,2010,32(1):306-318.[12]Siu-LaiChan,Gan-pingShu,Zhi-taoLv.Stabilityanalysisandparametricstudyofpre-stressedstayedcolumns[J].EngineeringStructures,2002,24:115-124.[13]R.R.deAraujo,etc.Experimentalandnumericalassessmentofstayedsteelcolumns[J].JournalofConstructionalSteelResearch,2008,64:1020-1029.[14]田畑博章，岡田章，斎藤公男.の構造特性に関する研究-初期張力を考慮した構造(Type1)について[J].日本建築学会構造系論文集,2001,第549号:91-98.[15]唐红,蔡元奇.张弦式网壳结构中的拉索预应力值设计方法的应用研究[J].武汉大学学报(工学版),2006,39(2):119-122.[16]任俊超,张其林,童丽萍.预张力值对郑州会展中心斜拉结构的稳定性能影响分析[J].工业建筑,2008,38(5):100-103.[17]WeichenXue,ShengLiu.Designoptimizationandexperimentalstudyonbeamstringstructures[J].JournalofConstructionalSteelResearch,2009,65:70-80.[18]孔丹丹.张弦空间结构的理论分析与工程应用[D].同济大学博士学位论文，2007.[19]河野俊作,岡田章,宫里直也,斎藤公男.弾性範囲内で設計された式骨組架構(SKELSION)の弾塑性応答性能について[J].日本建築学会関東支部研究報告集,2008:141-144.[20]D.Yan,C.C.Chang.Vulnerablityassessmentofsingle-pyloncable-stayedbridgesusingplasticlimitanalysis[J].EngineeringStructures,2010,32(1):306-318.[21]唐柏鉴,阮含婷.巨型钢框架预应力复合支撑体系性能初探[J].广西大学学报(自然科学版),2010,35(4):574-581.[22]唐柏鉴,顾盛.预应力巨型支撑-钢框架结构初始预拉力取值准则[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2010,26(3):480-484.[23]唐柏鉴,顾盛.巨型钢框架复合支撑体系的拉索预拉力预估理论[J].土木建筑与环境工程，2012,13(6):651-657.[24]顾盛,唐柏鉴.巨型钢框架预应力复合支撑体系拉索截面积预估方法[J].中国矿业大学学报（自然科学版），2013，42（3）：489-494.__作者简介院苟鑫（1976-），男，四川平昌人，工程师，硕士研究生，研究方向为工程设计；杨思琦（1990-），女，江苏镇江人，硕士研究生，主要从事钢结构研究。