光伏车棚结构体系：自平衡拉杆系统背后的结构概念

记得以前对比光伏车棚结构方案的时候，涉及到一个结构体系——自平衡拉杆系统。这个看似简单的结构体系，却隐藏着很多结构概念。如今细细挖掘，竟然另有一番风味！生活本该如此，没有那么多的亮点，光鲜亮丽的外表背后，更多的是痛苦和孤独。我们应该学会在平淡中寻找曲折中的甜蜜。你我都是平凡人，何必自寻烦恼。

如今尘埃落定，我想好好看看林同隐大师的《结构概念与系统》，回想一下十几年前的无知感，找回当时的激情，追寻大师所描述的结构概念。

转眼间，我还是想多读书，不管什么类别。回想起来，我毕业以来，除了专业之外，其实没怎么读过多少书。我所学的专业到底给我带来了什么？如此功利的学习，也迎来了这个行业真正的寒冬！多么讽刺和可笑。

云淡风轻，我还想多陪陪家人，收拾一下自己那幼稚、好像永远长不大的坏脾气，我在这里的付出或许能带来更多更好的正向反馈。

NO.1 结构体系

一个完整的结构至少应该有几个要素：基础、垂直构件、水平构件。这些是主干，其他的就是枝叶。我们所有的动作都是为了保证主体的平衡，让枝叶更加“茂盛”。它们可以华丽张扬，也可以温婉典雅，红得她红，美得她美。

户外雨棚可以看作是典型的结构件，结构即建筑，所见即所得！因此，如何做到轻量化是结构工程师需要考虑的关键问题。除了主梁、柱承重构件，我们会加入一些拉杆/压杆，寻求新的内在平衡。

以上方案计算分析表明，从构件受力、变形角度看，方案一在两个维度上都是最优的，柱底部反力相同，这也验证了拉杆、压杆只改变体系内力，对柱底座无帮助。

单柱悬臂受力简单明了，但我们可以从另一个角度来看结构形状的优化。原因很简单，想象一下当你抱着小孩的时候，你会不自觉地通过微微后仰来调整重心，以保持新的平衡。这类似于我们所熟知的结构概念设计，保证结构的质心和刚心尽可能重合，解决了结构扭转的问题。我们现在要解决的，是让荷载中心和结构抗力能力尽可能匹配，解决不平衡荷载倾覆的问题。

柱子倾斜一定角度后，可以看到拉压杆的应力变化不大，主要是因为下柱的应力得到了很大的改善，由原来的612降到了464，柱底弯矩也由原来的128降到了100。总体来说，减幅在25%左右，效果非常明显。没想到只改变下柱身形状，效果竟然这么明显。这难道不比单纯的去应力更爽快吗？而且施工小伙子可能更喜欢这种“调情”的姿势，哈哈！

NO.2 负荷布置不合理

我记得结构静力学手册里有一节专门讲不利布置活荷载，常用的pkpm、yjk等软件其实也有不利布置活荷载的黑匣子选项，很多人知道有这种可能，但在实际操作中却常常忽略它的存在，这样被遗忘的角落就可能让你战战兢兢、彻夜难眠。想想那些倒塌的结构，不就是因为人的疏忽大意造成的吗？

为什么要考虑不利的负荷排列呢？因为对称负荷在某种作用上可以互相平衡，而不利的负荷排列则是不均匀的，导致系统不平衡。

拉紧压缩系统

对于位移控制，主要关注两个方面：最大竖向挠度和最大水平侧向位移。不同的结构/规范对构件变形控制的限值也不同。另外，变形应视为相对值而非绝对值。这是对构件变形控制内涵的理解。

拉杆的张拉需要注意的就是刚度。不然你就是你我是我，仿佛不认识似的！我见过现场拉杆下垂，就像预应力梁忘记张拉一样，与设计设想完全不一样！所以对于拉杆的设计，一定要保证拉杆有效。一是实际受力表现为拉杆，不考虑抗压刚度；二是施工按拉杆要求处理，如果拉杆失效，受力体系就会改变。

计算假设是否与实际施工一致一直是钢结构设计与施工中需要关注的关键问题，例如前文提到的刚铰边界条件、拉杆预应力设计的失效等。

结构敏感性

结构灵敏度分析主要从刚度出发，与控制挠度的思路相同，重点关注梁顶部的位移和柱顶的最大侧向位移。

通过分析，我们知道有以下几个特点：

梁的竖向挠度不是由梁本身控制的，而是由柱和拉杆的刚度决定的，因此，当竖向挠度不足时，不应优先考虑增大梁的截面尺寸，这样不仅不经济，而且改善效果也不显著。

柱脚处斜拉杆对结构侧向刚度有一定影响，无斜拉杆结构为完全悬臂柱方案，斜拉杆使柱敏感系数降低50%，显然拉杆方案更为经济有效。

在侧向位移和竖向变形两个维度上，柱倾斜方案的分量敏感系数均小于竖向方案，表明该方案是有效的。

综上所述，我们再次验证了拉压杆的存在只是解决了结构体系内力分布问题，对于整个体系而言，依然是一个“悬臂柱”，从荷载传递/力流的角度进行分析设计，或许能让我们的设计更加高效。