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拉索结构中几种不同预应力施加方式的比较

【摘要】本文通过等效降温法、等效初应变法和施加装配应力法三种不同方

式模拟拉索预应力的施加，对结构进行静力分析，并对计算结果进行比较。

【关键字】ansys；拉索；单元类型

1.1基本理论[1]

用ansys对预应力结构进行分析时，一般可采用初应变法、降温法等方法

加载预应力，结构分析后发现预应力索力会“损失”很多。这是因为刚张拉完毕且

结构变形后该索的内力是已知的张拉力；而如果直接施加该张拉力，则是在结构

未变形的基础上施加，故结构变形后，张拉力发生了变化，不足初张拉力的数值。

在一般情况下，预应力可分为虚设预应力和真实预应力。所谓虚设预应力，

即刚体结构、无自重、无外荷载时的拉索拉力；真实预应力即考虑结构刚度、

无自重、无外荷载时的拉索拉力。通常所说的索张拉力是指考虑结构刚度、有自

重、有外荷载时的拉力。

1.2计算模型

1.2.1工程简介

天津市某酒店西餐厅为标准椭球体单层网壳结构，长轴92m，短轴66m，

高20m，采用张拉索结构体系。主管采用箱型截面（200×300×10——1000×300×20

变截面）；主檩采用箱型截面（300×200—500×200，壁厚10）；次檩采用

150×70×5、250×150×6到250×250×10不等；落地柱为1400×600混凝土柱；

柱顶环梁为600×200×12；中央压力环上弦为Φ500×12，下弦325×16，腹杆

Φ219×10。在压力环下弦和主管间张拉预应力索，索截面为Φ40，设计初始预拉

力200kN。柱底刚接。

1.2.2模型中单元的选取

（1）结构中所有杆件（包括混凝土柱）均采用Beam188单元模拟。

Beam188单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构，该单元基于铁木辛

哥梁结构理论，并考虑了剪切变形的影响。

Beam188是三维线性（2节点）或者二次梁单元（见图2-4）。每个节点有

六个或者七个自由度，自由度的个数取决于KEYOPT(1)的值。当KEYOPT(1)

＝0（缺省）时，每个节点有六个自由度；节点坐标系的x、y、z方向的平动和

绕x、y、z轴的转动。当KEYOPT(1)=1时，每个节点有七个自由度，这时引

入了第七个自由度（横截面的翘曲）。这个单元非常适合线性、大角度转动和/

或非线性大应变问题[2]。

当NLGEOM打开的时候，Beam188的应力刚化在任何分析中都是缺省

项。应力强化选项使本单元能分析弯曲、横向及扭转稳定问题（用弧长法分析特

征值屈曲和塌陷）。

Ansys中Beam188可以采用SECTYPE、SECDATA、SECOFFSET、

SECWRITE及SECREAD等命令定义横截面。该单元支持弹性、蠕变及塑性模

型（不考虑横截面子模型）。这种单元类型的截面可以是不同材料组成的组和截

面。

（2）拉索单元采用Link10单元模拟。

三维杆单元Link10具有独特的性质，它具有双线性刚度矩阵，因而只能单

向受拉或受压。当它是单向受拉选项时，只要受压（与松弛的绳索和链条相似），

它的刚度将变为0，这个特征使得Link10适用于分析静态的电缆、钢索等问题。

该单元也可用于动态问题的分析，计入惯性以及阻尼的影响。

Link10单元在每个节点上有三个自由度：沿节点坐标系X、Y、Z方向的

平动，不管是仅受拉（缆）选项，还是仅受压（裂口）选项，该单元都不包括弯

曲刚度。该单元具有应力刚化、大变形功能。

1.3索预应力不同施加方式的结果对比

1.3.1索预应力施加方式介绍[3]

（1）等效降温法：该法是通过设置各向异性的温度应变系数，经过应力——

应变关系推算，在给定的温差下就可以获得与预应力产生的应变等效的效果。

本算例中，索预拉力为200kN，截面D=40mm，弹性模量E=