FAST索网不是载控结构,而是形控结构,即在球面基准态和抛物面工作态时,通过促动器主动调整下拉索,使面索的节点达到预定坐标。采用容许应力法进行设计,荷载均采用标准值,拉索材料强度采用容许应力。
1)面索初应变和初应力的优化
面索的总应变εa,包括初应变ε0、主动变位产生的应变εd以及温度变化产生的应变εT,公式为:εa=ε0+εd+εT。
在基准态和某个工作态之间变位时,面索的变位应变εd基本是定值,这与自重载荷、面索的规格和弹性模量等无关。经分析,面索中主要拉索的变位应变εd在-0.001 65~+0.000 47范围内。
在拉索材料的温度膨胀系数(碳钢拉索,α=1.2×10-5)一定时,温变应变εT仅与温度变化有关。在设计温度变化±25℃条件下,温变应变εT在-0.000 3~+0.000 3范围内。
设拉索极限抗拉强度σb=1 860MPa,综合弹性模量取E0=210GPa,安全系数取2.5,容许应力[σ]=1 860/2.5=744MPa,容许应变[ε]=[σ]/E0=0.003 54。
根据上述分析,为保证面索在设计条件下弹性工作:0<εa<[ε],则面索初应变的范围为0.001 95<ε0<0.002 77;初应力的范围为410MPa<σ0<582MPa;初应力比的范围为0.55<β0=σ0/[]σ<0.78。在此范围内,应尽可能提高面索的初应变,以提高其应变能储备和变位恢复能力,增大下拉拉力的最小值,减轻拉索重量。(www.daowen.com)
2)标准球面基准态的下拉索拉力的优化
由于升温和降温的极值是反对称的,抛物面主动变位时上凸和下凹的位移极值也是反对称的,所以相对标准球面基准态,最不利工况的下拉拉力变化极值也是反对称的。因此,在标准球面基准态下,下拉拉力应为其上下限值的平均值。
若下拉拉力的限值为:10kN<Fx<50kN,则标准球面基准态下拉拉力应为:Fx0=30kN。
3)面索规格的优化
基于上述内容,在标准球面基准态下,当下拉拉力一定时,为满足在球面位形上的静力平衡条件,面索的拉力(初张力)也是一定的,而此时面索拉力(初张力)等于初应变、弹性模量和截面积的乘积,即:F0=ε0×E0×A=σ0Ab。
设定初应力上限[σ0T]和下限[σ0L]。当超上限时,优化拉索截面积Ab≥F0/[σ0T];当超下限时,Ab≤F0/[σ0L]。
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