单元拼装式自平衡预应力网格结构成型方法的研究

付浩然，李国东，鄂 婧，李笑鲜

（东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

1 引言

单元拼装式自平衡预应力网格结构是一种新式的预应力空间钢结构，结构是由结构基本单元拼装组成，结构的基本单元的形状为一几何多面体，该几何多面体是由外部只能承受拉力的柔性拉索和内部按照一定规则设置的刚性压杆组成。

2 单元拼装式预应力网格结构的成型方法

结构成型是指在实现结构的空间几何形态并在预应力结构中建立既定预应力的过程。通常情况下，直接张拉预应力拉索的拉索法是预应力空间钢结构广泛采用的结构成型手段，但是拉索法并不适合单元拼装式自平衡预应力网格结构的成型，这与自平衡预应力网格结构的结构特征和构造特点相关。

首先，在单元拼装式自平衡预应力网格结构中拉索的根数众多，绝大多数拉索的设计预应力不同，张拉过程中各拉索之间索力相互影响大，拉索张拉控制应力确定困难。

其次，自平衡预应力网格结构的各个节点上关联的构件数量较多，难以为数量众多的拉索的张拉提供必要的作业空间和锚固空间，工程实施困难，结构成型质量难以保证。

因此，单元拼装式自平衡预应力网格结构上通常从结构构件的空间上协调变形特点上解决其成型的难题。丝扣拧张法就是一种通过伸长压杆间接实现拉索张拉的拉索预应力建立方法。丝扣拧张法的技术特点如下：为实现压杆的伸长，在压杆的两端分别设置一定长度的丝扣方向相反的螺栓，安装压杆时将两端的螺栓旋入端部的球形节点的螺中，结构拼装完成后，旋转压杆使杆端的螺栓自节点构件中旋出，压杆实现伸长，同时与该压杆连接的拉索实现张紧。

3 结构成型的步骤及措施

采用丝扣拧张法实现单元拼装式自平衡预应力网格结构的成型需按照以下步骤实现（如图1所示）：

（1）结构单元拼装，依据设计图纸将组成预应力网格结构的各结构单元体组装完成，由于在结构的拼装阶段压杆不需伸长，因此结构单元体中各构件的预应力为零。

（2）结构整体拼装。此阶段的主要工作是按照预应力网格结构体系的拓扑特点，将各结构单元体拼装对位。为保证成型质量，拼装时需布设脚手架及脚手板，脚手板上应设置临时垫块或临时支架，确保结构在成型前各节点构件不悬空。

图1 翘曲型网架结构成型示意图

（3）结构成型。预应力网格结构体系的成型是组成结构的各结构基本单元体按一定顺序逐批成型的过程。结构成型时，需根据预应力网格结构体系的空间形状及结构基本单元体的空间分布规律指定压杆的伸长顺序，压杆的丝扣拧张作业应以网壳结构的基本单元体作为基本的作业单位，各作业单位间的作业顺序自结构的中心处的结构基本单元体开始，然后依次向预应力索杆网格结构的边界方向分批逐次地开展，同批的作业单位的成型需同步完成。

在具体实施时拉索中的预应力可以通过简单的计算获得，假设拉杆j与压杆k相关联，通过拉索的控制张拉应力可以从拉索的弹性工作特点换算出拉索的理论伸长长度，为实现该拉索的可以通过下式计算出压杆的理论伸长量为：

其中的 是压杆k与拉索j的空间夹角。通过合理的估算结构中拉杆的伸长量值就可确定压杆的理论伸长量，从而实现每根拉索的预应力度。

当所有的压杆完成既定的伸长量后，结构的应力状态和空间形态均达到既定的成型状态，实现了结构成型。

4 结论

本文深入地讨论了适用于单元拼装式自平衡预应力索杆结构体系结构的成型方法，获得的主要结论如下：

（1）单元拼装式自平衡预应力索杆结构构造特征决定了拉索法难以应用在这种结构的成型上，丝扣拧张法是一种合适的结构成型方法。

（2）丝扣拧张法实施简便，由于其实施的效果与实施的过程无关，只取决于压杆的和拉杆成型前后的状态，因此成型效果良好。

（3）用丝扣拧张法实现单元拼装式自平衡预应力索杆结构的成型应按照结构单元拼装、结构整体拼装和结构成型这三个步骤实现，在结构成型阶段需结合结构体系的拓扑特点，优选合理的结构单元间的成型方案。

（4）丝扣拧张法对结构的节点构件的尺寸、构造等要求严格，节点的优化设计值得深入研究。

[1] 刘锡良.现代空间结构[M].天津：天津人学出版社，2003.

[2] 翟广泛，刘晚成，吴桂娟.单元拼装式自平衡预应力钢结构 构件加工与安装[J]. 森林工程，2006，22(4)：52-54.