中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會
建筑鋼結(jié)構(gòu)分會主辦
徐珂兄在其博客“帶座位的體育館工程設(shè)計(jì)記錄（08） 索單元初始張拉力與索內(nèi)力”中提出了關(guān)于拉索初始預(yù)拉力的疑問，并約本人一起參與討論。這是一個(gè)很好的話題，其實(shí)也是很多同行在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中比較容易弄糊涂的一個(gè)問題。借此機(jī)會，順便談?wù)勎业囊稽c(diǎn)個(gè)人拙見，供大家參考。
索結(jié)構(gòu)（或者有拉索的結(jié)構(gòu)）不同于常規(guī)結(jié)構(gòu)的地方就是拉索初始預(yù)應(yīng)力對結(jié)構(gòu)整體的剛度貢獻(xiàn)。拉索是整體結(jié)構(gòu)中的一根構(gòu)件，其對結(jié)構(gòu)整體剛度的貢獻(xiàn)分為兩部分：一是其材料剛度；二是幾何剛度；其中，材料剛度像鉸接桿件一樣，是由于其橫截面和材料剛度而產(chǎn)生的，只是由于索的材料比較柔，所以其材料剛度非常小，所以實(shí)際分析與設(shè)計(jì)中是可以忽略不計(jì)的。幾何剛度是由于拉索中預(yù)應(yīng)力對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的剛度貢獻(xiàn)，平常我們講索對結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)通常就是指這部分剛度。索結(jié)構(gòu)、張弦梁、弦之穹頂?shù)冉Y(jié)構(gòu)體系正是充分利用拉索幾何剛度對結(jié)構(gòu)整體剛度的貢獻(xiàn)。
那么在實(shí)際結(jié)構(gòu)分析中，索的幾何剛度怎樣實(shí)現(xiàn)呢？這里我們不妨給出索結(jié)構(gòu)分析中的三種狀態(tài)：零狀態(tài)、預(yù)應(yīng)力狀態(tài)、荷載狀態(tài)。這里我不想采用常見專業(yè)論文中的術(shù)語來描述，那樣太容易把大家攪糊涂，所以下面采用我自己的“普通話”來與大家交流。個(gè)人認(rèn)為：（1）零狀態(tài)就是受力分析時(shí)剛建好的模型，在此基礎(chǔ)上我們可以得到結(jié)構(gòu)的真實(shí)構(gòu)件布置和受力狀態(tài)；（2）預(yù)應(yīng)力狀態(tài)就是結(jié)構(gòu)受外荷載之前的真實(shí)狀態(tài)；這里有一些不同觀點(diǎn)，有人認(rèn)為是對索施加預(yù)應(yīng)力，受力平衡之后的狀態(tài)。我個(gè)人認(rèn)為應(yīng)該是平衡預(yù)應(yīng)力之后，并考慮結(jié)構(gòu)自重（甚至是恒載）的狀態(tài)。（3）荷載狀態(tài)是在預(yù)應(yīng)力狀態(tài)的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)承受外荷載的狀態(tài)。這三個(gè)狀態(tài)之間的關(guān)系為：零狀態(tài)是找到預(yù)應(yīng)力態(tài)的基礎(chǔ)和手段；預(yù)應(yīng)力態(tài)是荷載態(tài)的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)必須在預(yù)應(yīng)力態(tài)上才能施加外荷載。
這里我想多討論一下零狀態(tài)和預(yù)應(yīng)力態(tài)的實(shí)際用途和意義。（1）零狀態(tài)是實(shí)際工程設(shè)計(jì)和施工過程中不存在的一種狀態(tài)。它只是我們?yōu)榱说玫筋A(yù)應(yīng)力狀態(tài)而假定，與預(yù)應(yīng)力狀態(tài)較為接近的一種拓?fù)潢P(guān)系。我們的目的是利用它找到預(yù)應(yīng)力狀態(tài)和預(yù)應(yīng)力分布。所以說，它只是一種處理手法。同一個(gè)項(xiàng)目，不同的人計(jì)算，就可以利用不同的零狀態(tài)，但是都可以得到幾乎相同的目標(biāo)——預(yù)應(yīng)力狀態(tài)。（2）預(yù)應(yīng)力狀態(tài)是具有實(shí)際意義的，它是我們設(shè)計(jì)的目標(biāo)，也可以講是建筑師給結(jié)構(gòu)工程師的要求、任務(wù)。建筑施工剛完畢之后，大家看到的就是預(yù)應(yīng)力狀態(tài)。這個(gè)時(shí)候拉索是繃緊的，此時(shí)的索力就叫做拉索的預(yù)應(yīng)力。這個(gè)狀態(tài)結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的、平衡的，在此基礎(chǔ)上施加一定的荷載之后，結(jié)構(gòu)的變形一般也不會太大，和常規(guī)結(jié)構(gòu)幾乎沒有什么不同。
大家看到，上文中我叫預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下的索力為“拉索的預(yù)應(yīng)力”。這就講到了徐珂兄所討論的問題。
在結(jié)構(gòu)分析中，怎樣讓拉索起到提供剛度的作用，或者講怎樣得到拉索的預(yù)應(yīng)力大小和分布。這就是從“分析零狀態(tài)”到“預(yù)應(yīng)力狀態(tài)”這個(gè)過程所干的事。通常，在軟件中我們先建立零狀態(tài)計(jì)算模型，并給拉索一個(gè)初始條件，然后利用非線性有限元法，讓軟件計(jì)算并得到一個(gè)平衡的結(jié)果。這就是找形過程的簡單描述。其中拉索的初始條件，可以有不同的處理方法，本網(wǎng)站文章“預(yù)應(yīng)力在軟件中的不同施加方法”討論了常用的三種方法，分別為降溫法、初始應(yīng)變法和施加初始軸力法，大家可以看一下，這里就不詳細(xì)討論。其中初始軸力法就是徐珂兄采用的方法。
可以看出，零狀態(tài)對應(yīng)的是“初始軸力”，而預(yù)應(yīng)力態(tài)對應(yīng)的才是“預(yù)拉力”，這是完全不同的兩個(gè)概念，其中“初始軸力”只是一種處理手法，并沒有實(shí)際意義；而“預(yù)拉力”則是具有工程意義的，是設(shè)計(jì)院提供給施工單位的張拉目標(biāo)。拿徐珂兄的工程來講，4500則是初始軸力，而3090才是真正的拉索預(yù)拉力。找形完成之后，4500就沒有用途了，可以忘記這個(gè)數(shù)字。
為什么會出現(xiàn)這個(gè)問題呢，我覺得這可能是大家采用MIDAS這款軟件導(dǎo)致的，這個(gè)軟件是采用初始軸力的方式施加預(yù)應(yīng)力，而且初始軸力這個(gè)數(shù)值“赫然”顯示在軟件界面左邊的列表上，以至于大家忽視了預(yù)應(yīng)力的真正概念，混淆了“手段”和“結(jié)果”。
以上我提到了零狀態(tài)，大家注意的話，會發(fā)現(xiàn)后來我提到了“分析零狀態(tài)”。這是因?yàn)槲矣X得索結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)、施工過程中，可能會提到兩個(gè)“零狀態(tài)”。而這兩個(gè)“零狀態(tài)”又完全不是一個(gè)概念，所以，這里想就這個(gè)問題再與大家深入討論一下。
上邊已經(jīng)講過，在結(jié)構(gòu)找形分析之前，會建立一個(gè)用于找形分析的初始幾何模型，這里不妨稱其為“分析零狀態(tài)”。這個(gè)“零狀態(tài)”模型只是一種簡單的拓?fù)潢P(guān)系，在其基礎(chǔ)上給拉索一定的初始條件，利用非線性有限元法，可以得到平衡的“預(yù)應(yīng)力狀態(tài)”。這個(gè)零狀態(tài)是利用軟件分析時(shí)的起步狀態(tài)，它沒有任何實(shí)際的工程意義，只是我們利用它來得到平衡態(tài)的一種手段。
然后施工過程中，也有一種“零狀態(tài)”，這里我們不妨稱其為“施工零狀態(tài)”。這是設(shè)計(jì)完成后，施工單位根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的幾何拓?fù)潢P(guān)系（預(yù)應(yīng)力態(tài)），簡單地把各構(gòu)件連接起來而得到的一種狀態(tài)。此時(shí)，雖然絕大部分構(gòu)件都被連接起來，但是拉索的預(yù)應(yīng)力并沒有完全實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檫€沒有開始張拉。待張拉完畢，拉索的預(yù)應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)值后，就得到了預(yù)應(yīng)力狀態(tài)。
可以看到下面的關(guān)系：
（1） 分析零狀態(tài)→計(jì)算→預(yù)應(yīng)力狀態(tài)；
（2） 施工零狀態(tài)→張拉→預(yù)應(yīng)力狀態(tài)；
分析零狀態(tài)和施工零狀態(tài)最終都是得到了預(yù)應(yīng)力狀態(tài)，但是他們兩個(gè)卻是完全不同的兩個(gè)概念。
分析零狀態(tài)在上一篇博文中已經(jīng)討論過，就不詳細(xì)討論了，這里說說施工零狀態(tài)是怎么來的。設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)完整后，給施工單位的資料有：拓?fù)潢P(guān)系、預(yù)應(yīng)力具體數(shù)值。這些數(shù)據(jù)通常都是預(yù)應(yīng)力平衡狀態(tài)下的結(jié)果。也就是說，索長和預(yù)應(yīng)力大小是拉索拉緊狀態(tài)下的數(shù)據(jù)。施工單位會根據(jù)這些數(shù)據(jù)，反算拉索松弛狀態(tài)下的長度，也就是下料長度。然后將下料長度的索運(yùn)至施工現(xiàn)場進(jìn)行施工。利用下料長度的索，按照設(shè)計(jì)院提供的拓?fù)潢P(guān)系，拼裝起來的結(jié)構(gòu)就是施工零狀態(tài)。
其實(shí)，施工零狀態(tài)是很難用軟件計(jì)算出來的，除非是比較簡單的結(jié)構(gòu)體系。因?yàn)楹苡锌赡苡行├髟趶埨?，處于極度松弛狀態(tài)，就像一根繩子堆在地上一樣，這種狀態(tài)是沒法用有限元方法計(jì)算的。不過，有一種理論叫“機(jī)構(gòu)位移理論”，據(jù)說可以較為準(zhǔn)確地算出索結(jié)構(gòu)的施工零狀態(tài)，記得同濟(jì)大學(xué)的錢若軍老師利用這種理論算過佛山世紀(jì)蓮體育場的施工張拉過程。感興趣的朋友可以找錢老師討論討論。
所以，分析零狀態(tài)只是一種處理手法，沒有實(shí)際工程意義；而施工零狀態(tài)是施工張拉前的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，具有實(shí)際工程意義。
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