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  作者：鄭曉敏                         

1模型介紹

    通過借鑒國內(nèi)外的類似結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出一種張拉整體高聳結(jié)構(gòu)，其主體部分是由簡單型的張拉整體三棱臺(tái)單元疊加組成的。張拉整體三棱柱單元有左旋和右旋之分，各單元體內(nèi)部，上下底面兩個(gè)三角形為等邊三角形，且旋轉(zhuǎn)角度為300。相鄰兩個(gè)單元之間互為左右旋，旋轉(zhuǎn)角度為600，以最大限度地消除單元體扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的疊加。單元之間利用層間托索和層間拉索來連接，在每兩層之間的拉索和托索都分別有兩種長度，將較短的拉索／托索命名為拉索／托索A，較長的命名為拉索／托索B。中間直筒作為電梯井道，通過直筒托索和直筒護(hù)索連接與主體部分連接。索與壓桿采用球節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，索長可調(diào)。結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

    該張拉整體高聳結(jié)構(gòu)高86. 28m，由7個(gè)張拉整體單元組成。結(jié)構(gòu)整體示意如圖2所示。

    壓桿以及直筒鋼管材質(zhì)為Q345，彈性模量為2. 06×105 M Pa。拉索的破斷應(yīng)力為u=1 870MPa，安全系數(shù)K=2.5，彈性模量為1. 95×105 M Pa。

結(jié)構(gòu)布置參數(shù)如表1所示。

2  三棱臺(tái)模塊制作誤差分析

2.1  節(jié)點(diǎn)制作誤差分析

    針對(duì)該結(jié)構(gòu)中索較粗且索力較大的特點(diǎn)，擬采用一種便于補(bǔ)償張拉的新型節(jié)點(diǎn)：將空心球節(jié)點(diǎn)焊接于壓桿一端，從球節(jié)點(diǎn)上伸出觸角鋼管，觸角鋼管上再連接螺紋套管。索從螺紋套管穿入，其延長線交于一點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)可以通過先張拉再調(diào)整螺紋管來達(dá)到調(diào)整索力的目的，節(jié)點(diǎn)示意如圖3所示。

    現(xiàn)取1．層模塊建立有限元模型，壓桿長27. 05m，水平索長17. 28m，層內(nèi)拉索長19. 68m。鋼管采用Q345鋼。壓桿采用1 000×20圓鋼管，觸角鋼管采用400×30圓鋼管，鋼索等效直徑為77. 8mm，彈性模量取1. 95×1011N/mm，球節(jié)點(diǎn)不建入模型。在上下水平索上均加上9×10-4的初應(yīng)變，在層內(nèi)拉索上加上1.8×10-3的初應(yīng)變。該結(jié)構(gòu)的基本模塊是通過索的延長線交于一點(diǎn)來形成一個(gè)三棱臺(tái)張拉整體單元，然而，在實(shí)際施工中，由于桿件制作誤差、熱焊接收縮、索的安裝偏差等各種因素都可能造成索的延長線不交于一點(diǎn)。三棱臺(tái)張拉整體單元具有對(duì)稱性，可將觸角鋼管分為3組：與層內(nèi)拉索相連的定義為觸角鋼管A，與水平索相連的定義為觸角鋼管B和C，構(gòu)件編號(hào)如圖4所示。

    采用蒙特卡羅法中的拉丁超立方法抽樣20 000次，尋找較不利的誤差分布。在模型中，觸角鋼管的長度對(duì)應(yīng)實(shí)際中球節(jié)點(diǎn)球心到索截面形心間的距離，使用初應(yīng)變來模擬桿件長度誤差，18根觸角鋼管的誤差完全獨(dú)立。各類觸角鋼管服從的變量分布如表2所示。

    取E=0. 005，0.015，0.025分別進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表3~5所示。

    由表3~5可以看出，隨著桿件初應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)差的增大，結(jié)構(gòu)索力的誤差越大。相比較而言，三棱臺(tái)張拉整體模塊的下水平索對(duì)于制作誤差較為敏感，當(dāng)初應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)差為0. 025時(shí)，其誤差的最大值達(dá)到了6%左右，這在施工中已經(jīng)不能忽視，而且桿件制作誤差引起的預(yù)應(yīng)力損失難以通過調(diào)整索力予以補(bǔ)償，故在構(gòu)件加工與安裝的過程中應(yīng)盡量提高精度。

2.2壓桿制作誤差分析

    在理想狀態(tài)下，三棱臺(tái)張拉整體模塊是一種單自應(yīng)力模態(tài)的結(jié)構(gòu)，3根層內(nèi)拉索的索力是相等的、6根水平索的索力亦是相等的，忽略自重時(shí)，層內(nèi)拉索與水平索的索力比為2:1。在本算例中，壓桿長度達(dá)到27. 05m（兩端球節(jié)點(diǎn)球心之間的距離），這樣大的尺度只能分段制造再進(jìn)行焊接，使得在實(shí)際施工中其尺寸很難做到完全精確。

    現(xiàn)使用局部敏感性分析的思想，施加應(yīng)變的方式模擬壓桿的制作誤差，任選一根壓桿分別加上±1/5 00的應(yīng)變（誤差值為54. 1mm），考慮結(jié)構(gòu)自重，得到各索的索力如表6，7所示。

    在施加壓桿的制作誤差后，各索的索力都發(fā)生了較大的變化，這是因?yàn)樵谟邢拊�軟件中，索的預(yù)應(yīng)力是通過施加初始應(yīng)變來施加的，在壓桿長度發(fā)生變化后，索的初應(yīng)變也受到了較大影響。然而在實(shí)際施工中，張拉時(shí)是通過索力來進(jìn)行控制的，故此處索力的整體性變化并不具有較大意義，只是原本索力相等的同類索，其索力變的不再相等，但是這種差異是非常微小的。從表中可以看出，壓桿伸長對(duì)索力造成的影響更大一些，對(duì)于上下水平索，這種差異不超過0.  16 %，對(duì)于層內(nèi)拉索，這種差異也不超過0. 34%，這在施工中可以忽略不計(jì)，說明該模塊對(duì)于壓桿長度的誤差并不敏感。

3  結(jié)構(gòu)整體索力誤差分析

    由于整體結(jié)構(gòu)中索較多，先將索分為層內(nèi)索（上下水平索和層內(nèi)拉索）、層間拉索托索、直筒護(hù)索吊索3組進(jìn)行靈敏度分析，選取出各類中對(duì)于結(jié)構(gòu)頂部位移（矢量和）影響較大的索，再統(tǒng)一進(jìn)行比較。

    采用蒙特卡羅法中的拉丁超立方法抽樣20 000次，假定所有的索都服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，取0. 02，0. 04 ,0. 06倍的各索初應(yīng)變，對(duì)于以上3組索分別進(jìn)行20 000次蒙特卡羅模擬，并進(jìn)行靈敏度分析。由各組靈敏度計(jì)算結(jié)果，選取較為重要的1層模塊層內(nèi)拉索、2層模塊層內(nèi)拉索、4層模塊上水平索、2層模塊下水平索、1-2層層間拉索A，1-2層層間托索A，1-2層層間拉索B，2-3層層間托索A，34層層間托索A，4-5層層間托索A，4-5層層間托索B，5-6層層間托索B，1層直筒吊索共計(jì)13根索進(jìn)行結(jié)構(gòu)頂部以及各層模塊頂點(diǎn)位移靈敏度分析。

    計(jì)算結(jié)果表明，1-2層層間拉索B及托索A，1層直筒托索對(duì)于結(jié)構(gòu)各層的位移的影響最大，2層模塊下水平索、3，4，5層模塊層間托索也對(duì)結(jié)構(gòu)位移影響較大。這些索可以定義為全局敏感性索，在施工時(shí)，對(duì)于其索力需加以更為精確的控制。

    為觀察索力誤差對(duì)于結(jié)構(gòu)形狀的影響，提取各模塊頂點(diǎn)的x，y，z向位移的最值，測點(diǎn)布置如圖5所示，結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表8~10所示。

    從計(jì)算結(jié)果可以看到，隨著索力誤差的標(biāo)準(zhǔn)差的增大，結(jié)構(gòu)在各個(gè)方向的位移也會(huì)產(chǎn)生顯著的變化，原本的位移越大這種變化的幅度也越大。但是總的來說，即便在誤差的標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到0. 06倍的索初應(yīng)變時(shí)，結(jié)構(gòu)的位移依然在允許范圍之內(nèi)，說明該結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體，也體現(xiàn)了張拉整體結(jié)構(gòu)的自平衡特性，這是傳統(tǒng)的高聳結(jié)構(gòu)所不具有的。

4  結(jié)語

本文針對(duì)張拉整體高聳結(jié)構(gòu)，使用蒙特卡羅法從三棱臺(tái)模塊和結(jié)構(gòu)整體2個(gè)層次分析了施工誤差帶來的影響，并進(jìn)行了靈敏度分析。對(duì)于三棱臺(tái)模塊考慮的是構(gòu)件的長度誤差，計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)模塊對(duì)于觸角鋼管的長度誤差較為敏感，而對(duì)壓桿長度的誤差并不十分敏感。對(duì)于結(jié)構(gòu)整體的索力誤差分析表明，小范圍內(nèi)的索力誤差不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的形狀造成顯著影響，這印證了張拉整體高聳結(jié)構(gòu)的自平衡特性，靈敏度分析則幫助我們找出了全局敏感性索，在施工中需對(duì)這些索予以更加精確的控制。

5[摘要]針對(duì)張拉整體高聳結(jié)構(gòu)這一新型結(jié)構(gòu)形式，在綜合其他張拉結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，分別使用蒙特卡羅法以及局部敏感性分析的方法研究了節(jié)點(diǎn)制作誤差以及壓桿長度誤差對(duì)于單模塊索力的影響，并針對(duì)施工中可能出現(xiàn)的索力誤差，使用蒙特卡羅法研究了索力誤差對(duì)于結(jié)構(gòu)位形的影響，并進(jìn)行了靈敏度分析排序，找出了對(duì)于結(jié)構(gòu)較為重要的全局敏感性索。研究發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)具有較好的自平衡性能，能夠在一定范圍內(nèi)抵抗施工誤差帶來的影響。