仿真模拟分析技术在大跨度环形钢桁架斜拉索预应力张拉中的应用

摘要：建筑工程朝着大跨度，复杂结构方向发展，大跨度环形钢桁架斜拉索预应力张拉施工遭遇诸多挑战，本文详细剖析仿真模拟分析技术在此领域的应用情况，讲述其原理，建模方式，参数设定状况，还有模拟结果对于实际施工具有何种指导意义，经由实际案例分析体现仿真模拟怎样改良张拉方案，预估结构变形和内力改变情况，从而有效地保证施工质量并提升施工效率，给类似工程赋予珍贵参考范例，促使建筑技术向前迈进。

关键词：仿真模拟分析技术；大跨度环形钢桁架斜拉索；预应力张拉；应用

现代建筑领域中，大跨度环形钢桁架斜拉索结构因独特的力学性能与美学效果，被广泛性利用于体育场馆，展览馆，交通枢纽等大型公共建筑。预应力张拉是此类结构施工的关键环节，关乎结构成型质量，受力状态及整体稳定性，但结构体系繁杂，影响因素诸多，依靠传统施工经验和现场监测手段很难完全掌控张拉过程中的各类问题，仿真模拟分析技术便应运而生，成为应对这些难题的有力工具。 它依靠计算机超强的计算能力，按照结构力学，材料力学等相关理论创建虚拟模型，以此精准地模拟预应力张拉的全过程，在张拉顺序改良，索力精确调控以及结构变形预先估算等方面，仿真模拟可事先显示可能存在的问题，帮助施工人员制订出科学合理的施工方案，从而保障大跨度环形钢桁架斜拉索结构施工得以顺利推进，这对于改善建筑工程质量来说有着不容轻视的重要意义。

一、仿真模拟分析技术原理

仿真模拟分析技术把有限元方法当作核心，将连续的结构离散成很多单元，这些单元经由节点相互关联，在针对大跨度环形钢桁架斜拉索预应力张拉执行模拟的时候，钢桁架，斜拉索，节点这些结构部件要分别用对应的单元类型来模拟，用梁单元去模拟钢桁架杆件，用杆单元模拟斜拉索。遵照材料的本构关系，规定各个单元的力学属性，包含弹性模量，泊松比，屈服强度等等，还要顾及到预应力施加的手段，比如借助等效降温法或者初应变法来模拟斜拉索的预应力，也就是在模型当中对索单元施加合适的温度改变或者初始应变，从而让它产生和实际张拉一样的内力效果，模拟过程按照力学兼顾原理，在逐步施加预应力期间，求出节点位移，单元内力，及时表现出结构的力学反应。

二、仿真模拟对施工过程的指导作用

（一）张拉方案优化

经由模拟不同张拉顺序时结构的内力与变形状况，来剖析各个方案对关键部位受力产生的影响，就环形钢桁架而言，如果采取对称，分级，分批的张拉顺序，可以让结构内力的分布更为均匀，免除局部杆件因内力过大而发生屈服或者损坏现象，比较不同方案模拟结果里的最大位移，最大杆件内力这些指标，并综合考虑现场施工的条件，譬如张拉设备的安排，操作空间之类的因素，从而确定最为恰当的张拉方案，给实际施工赋予精确的指引[1]。

（二）变形预测与控制

仿真模拟可预先知晓结构在预应力张拉各阶段的变形趋势，模拟时输出各节点位移时程曲线，施工人员依照此曲线在现场设置预拱度或者预留变形量。比如在某体育场馆大跨度环形钢桁架施工过程中，模拟结果表明跨中部位张拉结束之后会下挠一定数值，于是施工时就设置了相应的向上预拱度，最终结构成形态之后标高误差被控制在了很小的范围内，从而满足了建筑功能和外观的需求[2]。

（三）内力监测与调整

按照模拟得出的杆件内力分布状况，找出施工时需重点监测的杆件和截面，在实际张拉过程中，要随时监测这些部位的内力情况，并与模拟结果作对比，如果偏差超出许可范围，就要立即寻找原因，看看是不是张拉工艺存在问题或者索力不均等，然后经由调整后续张拉索力等办法来加以纠正，从而保证结构内力一直处在安全合理的范围内。

三、主要操作方法

（一）深化设计

遵照结构设计图，临时支撑布置图以及已完成的环形钢桁架和主塔三维空间节点定位实测数据，利用Ansys有限元仿真结构分析软件创建钢环的有限元分析模型，用Beam188单元来模拟钢环与桅杆；以link10只压单元模拟拉索；同样用link10只压单元模拟支撑胎架，钢柱根部设为刚接，拉索锚固点全设为铰接节点，联系现场真实的三维空间坐标数据去做拉索张拉仿真模拟分析，计算分析时把大变形的非线性特征纳入考量范围，剖析张拉过程中结构状态的改变情况。

（二）张拉设备选型与工装设计研究

利用Ansys有限元软件执行计算，得到张拉过程中每根拉索的索力，把每根拉索在张拉装配过程中的最大索力当作该拉索的工装设计和千斤顶调配的控制依照。

1.张拉设备的选择

按照有限元分析软件给出的计算结果，斜拉索张拉时最大索力可达1700kN，要依循这个张拉力来选定液压千斤顶的型号，每个张拉点设置两台100T的千斤顶。吊索工装索的钢绞线规格方面，每根吊索用2根φ28钢绞线，单根钢绞线标称破断力为960kN，两根加起来总的破断荷载就是1920kN。

2.张拉工装设计

以拉索结合耳板两边所焊耳板为着力点，每根索用2个100T千斤顶实施拉索张拉，拉索张拉采取四点对称张拉法，所以制作了4套张拉工装。

张拉设备选用预应力钢结构专用千斤顶，油泵，油压传感器和读数仪需与之配套，按照设计要求和预应力工艺规定的实际张拉力，油压传感器和读数仪要经国家相关质检部门实施配套标定，以此来确定压力表与张拉力间的关系曲线。

结束语：

综上所述，仿真模拟分析技术对于大跨度环形钢桁架斜拉索预应力张拉而言非常关键，经由精确建模并合理指定相关参数，可以比较全面而深入地模拟施工进程，给张拉方案的改良，变形及内力的控制给予科学依照，有效地解决传统施工方法盲目性这一问题，实际工程案例很好地证实了它的可靠度和实用价值，在很大程度上改善了施工质量和效率，减小了施工风险，伴随建筑技术不断发展，将来会不断出现大跨度，极其复杂的结构，仿真模拟分析技术也要不断提升才行。 一方面需提升模拟的精度，把更多复杂因素纳入考量范围，材料非线性，结构与土体的相互作用之类的因素，另一方面促进模拟软件同施工监测，自动化张拉设备相融合，达成施工过程的智能化运作，从而为建筑工程向更高层次发展形成稳固根基，带动建筑行业积极向上发展。

参考文献：

[1]王勃，孙凯，虞胡恒，等. 大型索承桁架预应力斜拉索施工过程分析[J].建筑施工，2023，45（5）：872-876.

[2]王鹏.斜拉桥超高索塔上横梁装配桁架式支撑体系设计施工关键技术[J].中外公路，2020，40（3）：124-128.