设计索结构的一般过程

3.5.5　设计索结构的一般过程

事实上，索结构的范围很广，索结构的设计过程是一个反复的动态设计过程。详尽的设计过程可以参考有关的专著和文献［39］、［43］、［44］。文献［39］讨论了各种不同的索结构及其设计过程，但是，一言以蔽之，索结构具有共同的基本特点，即结构中的部分或所有杆件采用所谓柔性的只拉的索元，结构中应设计稳定系统，结构的刚度由预应力所贡献。

为了说明索结构设计的一般过程，也以索桁架为例。图3.5.1显示了一个平面索桁架，索桁架由下垂的承重索和上拱的稳定索组成。索桁架的斜腹杆可设计为刚性杆，也可设计为柔性杆。当结构类型确定后，即确定了索桁架后，就应设定设计参数。索桁架中的主要几何参数有：承重索的垂度，稳定索的拱度，承重索及稳定索的曲率以及腹杆之间的间距，其中承重索的垂度、稳定索的拱度是主要的几何参数。当跨度一定时，垂度和拱度的选择就应该根据荷载工况来确定，而垂度和拱度之和与结构的跨度也有关系：垂度和拱度之和越大，结构的刚度也越好，如果结构承受的荷载主要是竖向荷载，那么承重索的垂度较大就比较有利；如果结构承受的荷载主要是反向荷载，那么稳定索的拱度较大是有利的。但不论哪种情况，垂度和拱度总有一个关系，关系确定的原则是在导入预应力后，任何工况下结构都不能松弛。当然影响承重索和稳定索的内力还有腹杆之间的间距。在索结构中，不论哪种类型，垂度、拱度和曲率是主要的几何参数。

图3.5.1　索桁架

索结构设计的一般过程如下：

（1）设计几何参数或几何形状。当形状不确定时，或形状虽然可确定，但是形状的敏感性很强时，可以采用找形（Form Finding）技术确定几何形状及相应的预应力分布。如果结构形状可由解析函数或一组正定的离散数组，如坐标表示，则形状是确定的，这时，只需要确定预应力分布。这里的预应力是为了维持几何形状的。

（2）根据几何形状及相应的预应力分布确定预应力水平。预应力水平的确定可按3.1.6节所述的原则和过程进行，预应力值的确定可按5.9节预应力分析中所述方法进行。这里的预应力是为了对结构提供刚度。

（3）计算无应力时索段的原长。无应力时索段的原长可采用有限元法，利用只拉单元的功能计算，或采用机构理论计算。

（4）预应力导入的模拟分析。采用有限元法进行预应力导入分析时，常采用逆过程，同样，也可采用机构理论对索的牵引、张拉等预应力导入的全过程进行模拟分析。

（5）荷载态分析。

一般情况下，上述过程需要反复进行。

必须注意，无论在预应力态还是在荷载态的分析中，都应引入形状分析，在索段为完长的条件下，索系必须先经历一个与荷载和约束条件相应的“形状适应”过程，只有当完成这个形状之后，才能进行内力分析。现以图3.5.2所示的单索为例，它简单说明了索在加载中形状变化的过程。形状分析可采用基于几何软化的理论进行分析。

图3.5.2　单索加载过程的形状变化