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预应力索杆支承结构非线性数值分析预应力索杆支承体系在点支式玻璃建筑中已经得到了大量的、广泛的应用。同工程应用
相比，理论和试验方面的研究相对滞后。对这类体系的工作原理和结构特性还缺乏充分的认 识，在实际工程的分析和计算中所采用的方法和计算工具有些还不能完全反映结构的真实情 况。为使索杆支承结构能更加广泛地在点支式玻璃建筑中的应用，需要对其承载性能进行深 入的研究，同时对其计算工具和方法的合理性、有效性进行分析论证，从而提出切实合理且 便于工程应用的计算方法。 索杆支承结构依靠自平衡预应力维持结构的稳定，在没有形成预应力之前，结构是处于 不稳定的机构状态，这是索杆结构区别于传统结构的本质特征。在预应力索杆支承结构中， 结构刚度贡献主要来自于初始状态预应力。如果不考虑预应力的贡献，初始状态的结构刚度 往往是奇异的这就决定了这类结构体系的分析计算必须采用考虑应力刚度矩阵的非线性索 杆有限元方法。 索杆支承结构的整体刚度由预应力提供的刚度和截面刚度构成。索杆体系设计包括初始 状态设计和工作状态设计两部分。初始状态是指索杆在预应力作用下的自平衡状态；工作状 态是指索杆在组合外荷载作用下的平衡状态。 索杆体系的初始状态应满足：初始状态是平衡的、稳定的，即应估算出索（杆）所需的 最小张力，以保证工作全过程中索始终处于张紧状态。 索杆体系的工作状态应满足：索杆体系的整体稳定、节点位移应满足要求；索杆体系中 的拉索（杆）不宜应受压而退出工作，必须防止应拉索（杆）退出工作而使体系成为几何可 变机构。即应考虑在对称和不对称风荷载作用下，能满足挠度限制和索杆结构强度、稳定所 需的拉索（杆）中张力。 本文在利用通用有限元分析软件ANSYS的非线性模块，结合有限元软件的功能和选用 的索单元特点，对索杆体系初始预应力状态和工作状态进行了分析。总结了ANSYS的有限 元分析结果，研究了索杆体系荷载－位移全过程的结构性能，并对计算方法进行了分析。
w=1.1βμzμsw
对于竖向的玻璃幕墙，垂直于玻璃平面的分布水平地震作用标准值可按下式计算
某国际会展中心点支式玻璃幕墙的竖向为主受力杆件方向，每6.75m设有一钢管桁 架，承担横向次受力构件传来的水平力。横向为次受力构件方向，每1.6m设一拉杆桁架 承担三块玻璃面板传来的水平力，拉杆采用不锈钢棒，规格为016，压杆也为不锈钢棒，规 格为040。设计简图和拉、压杆件初选截面如图1所示。经计算，考虑凤荷载与地震作用组 合下的桁架节点集中力为：标准值Pk=4.252kN，设计值P=5.922kN。
图1某国展中心幕墙索杆支承结构
根据图1（a）所示的结构设计简图，利用ANSYS建立的有限元计算模型如图1（b） 所示，其中016拉杆采用Link10单元，040压杆采用Link8单元。
首先进行索杆支承结构初始预应力分布分析。 假定拉杆预应力初始值o。=100N/mm²，相应的初始应变为ε。=4.854×10+，将 其作为索单元的实常数输入，进而得到索杆体系的预应力分布如图2所示。
（a）预应力分布（单位：MPa）
总体施组1图2索杆支承结构初始态分析
索杆支承结构初始态预应力分布的分析，是索杆结构承载性能分析的基础。在初始态分 析阶段假定的索杆截面、预应力分布，能否满足在工作荷载下结构强度、稳定和刚度的要求 还有待工作状态计算结果的验证。 对具有预拉力的索杆结构体系在图1（a）所示水平荷载作用下，进行结构的非线性有 限元分析。荷载设计值作用下的应力（内力）计算结果见图3所示。
图3索杆支承结构工作态分析
计算结果表明，在荷载标准值Pk=4.252kN作用下结点最大位移为1.58mm；在荷载设 计值P=5.922kN作用下，拉杆最大拉应力为145.25MPa，相应最大拉力为29.21kN，最小 拉力为10.96kN。即结构拉杆的最大、最小拉应力及结构的最大位移为：
计算结果表明，采用国际著名通用有限元分析软件确定预应力索杆体系的初始状态和工 作状态，分析计算方便快捷，计算结果准确可靠，符合工程实际情况，证明所采用的计算方 法是合理和可行的。