張弦式網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計與研究

許 凱

（武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430065）

張弦式網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計與研究

許 凱

（武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430065）

張弦式網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)與其他空間結(jié)構(gòu)形式相比有諸多優(yōu)點，成為現(xiàn)代大跨度空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向。針對張弦式網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的特點，討論了預(yù)應(yīng)力拉索在該結(jié)構(gòu)中的作用，指出了在設(shè)計中應(yīng)注意的問題，為類似工程的設(shè)計提供了參考。

空間結(jié)構(gòu)；網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)；預(yù)應(yīng)力索；結(jié)構(gòu)設(shè)計

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是將桿件沿著某個曲面有規(guī)律地布置而組成的空間結(jié)構(gòu)體系，由于它具有自重輕、結(jié)構(gòu)剛度好、覆蓋空間大等一系列優(yōu)點，因此，各種設(shè)計新穎的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)成為大跨度空間結(jié)構(gòu)的主體。各種形式的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)有著各自的優(yōu)點與缺點，單一類型的結(jié)構(gòu)形式在跨度增大時，其不足之處越來越明顯，經(jīng)濟性顯著下降，甚至無法滿足構(gòu)造要求。因此，各種各樣的雜交結(jié)構(gòu)形成了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的主流，在這一領(lǐng)域所開展的研究極大地促進了鋼結(jié)構(gòu)及空間結(jié)構(gòu)在新材料、新技術(shù)、新體型等方面的應(yīng)用及發(fā)展。

雜交結(jié)構(gòu)是由拉索及拉索支托的剛性結(jié)構(gòu)組成，它的特點是通過拉索給剛性結(jié)構(gòu)提供更多地彈性支承點，以達到削減彎矩幅值提高結(jié)構(gòu)剛度的目的。拉索的存在，不僅利用了索單元高強度的特點，而且大大地提高了結(jié)構(gòu)效率，使它們向輕型大跨度方向發(fā)展。在各種雜交空間結(jié)構(gòu)中，張弦網(wǎng)殼以其結(jié)構(gòu)的合理、結(jié)構(gòu)性能高效以及豐富的建筑表現(xiàn)力，成為現(xiàn)代大跨度空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向。

目前，對于張弦式網(wǎng)殼這種雜交結(jié)構(gòu)體系研究的文獻還不多，因此，工程上的推廣與應(yīng)用迫切要求研究解決這類新型結(jié)構(gòu)體系的理論分析方法及工程設(shè)計實用方法。

1 張弦式網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的特點

由于綜合了剛性構(gòu)件抗彎剛度高和柔性構(gòu)件抗拉強度高的優(yōu)點，通過張拉鋼索對空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力，鋼索和雜交空間結(jié)構(gòu)形成了自平衡體系，改善了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的整體性能，提高了整個結(jié)構(gòu)的剛度、減小了結(jié)構(gòu)撓度、改善了內(nèi)力分布、壓低了應(yīng)力峰值，因而可以跨越很大的空間。其特點主要有以下幾方面：①下弦的張拉部分增強了結(jié)構(gòu)總體剛度，使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更高、跨度及覆蓋面積更大、用鋼指標更低。②與索穹頂結(jié)構(gòu)相比，雖然索穹頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)效能比較高，但其施工卻有一定難度；張弦網(wǎng)殼用較剛性的上弦層取代穹頂，不僅使施工大為簡化，而且使屋面更容易與剛性材料相匹配。③結(jié)構(gòu)對邊界約束的要求明顯降低。因為剛性的上弦層網(wǎng)殼對周邊施加壓力，而柔性的拉索對周邊施加拉力，兩者組合起來后作用力相互抵消。如果進行適當?shù)膬?yōu)化設(shè)計，還可以達到在長期荷載作用下，屋頂結(jié)構(gòu)對邊界施加的水平反力接近于零的效果。

2 預(yù)應(yīng)力索在張弦式網(wǎng)殼中的作用

無論是整體張拉結(jié)構(gòu)還是雜交結(jié)構(gòu)，其拉索均要施加一定的預(yù)應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力拉索可改善網(wǎng)殼的受力狀態(tài)，它對結(jié)構(gòu)體系的作用可大抵歸納如下：①預(yù)應(yīng)力索與網(wǎng)殼組合后，使網(wǎng)殼桿件內(nèi)產(chǎn)生初始軸力，從而增大了網(wǎng)殼的平面外剛度，有利于網(wǎng)殼的整體穩(wěn)定。②預(yù)應(yīng)力索使網(wǎng)殼整體結(jié)構(gòu)對外力的協(xié)調(diào)能力更強，尤其是當網(wǎng)殼受到局部較大的荷載時，緊繃的索會迅速的把局部荷載傳遞到整個結(jié)構(gòu)體系，進行內(nèi)力的重分布找到新的平衡，由整個結(jié)構(gòu)來承受局部荷載，防止了網(wǎng)殼因局部荷載過大而造成的局部破壞。③預(yù)應(yīng)力索使網(wǎng)殼的受力更合理。環(huán)索預(yù)應(yīng)力使豎向撐桿產(chǎn)生向上的反力，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生反拱變形，在結(jié)構(gòu)受荷時，一部分內(nèi)力又可以通過網(wǎng)殼傳給撐桿，再通過撐桿傳給環(huán)索，撐桿對網(wǎng)殼起到彈性支座的作用，大大的減小了網(wǎng)殼的撓度和變形。

簡言之，預(yù)應(yīng)力索使網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的剛度分布更均勻、力的分布更合理，提高了屋蓋結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)性能，使屋蓋結(jié)構(gòu)體系具備良好的結(jié)構(gòu)效率及經(jīng)濟性。

3 張弦式網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)注意的問題

3.1 預(yù)應(yīng)力設(shè)計

大型預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是高階超靜定結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，跨度大的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)其剛度較弱，具有強幾何非線性特性，且空間效應(yīng)強。因此，預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計較傳統(tǒng)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計復(fù)雜繁重，只有采用計算機技術(shù)，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計才有可能完善。有限元技術(shù)為大型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了有效的計算手段。在對大型預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力設(shè)計時，應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)的強幾何非線性特性，否則所設(shè)計的預(yù)應(yīng)力值難以滿足實際工況的需要。

3.2 穩(wěn)定性的計算

穩(wěn)定性計算是網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵問題，也是國內(nèi)外近年來的熱點研究領(lǐng)域。張弦網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題主要分為單根桿件失穩(wěn)、局部區(qū)域失穩(wěn)和整體失穩(wěn)的問題。張弦網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的單根桿件失穩(wěn)與網(wǎng)殼桿件兩端點的約束有關(guān)，為了簡化設(shè)計，常近似為兩端鉸接的壓桿來分析。張弦網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)前，主要是處于薄膜應(yīng)力狀態(tài)和薄膜變位狀態(tài)；一旦發(fā)生失穩(wěn)，失穩(wěn)部位的網(wǎng)殼由原來的彈性變位轉(zhuǎn)變?yōu)闃O大的幾何變位，由主要是薄膜應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢鷳?yīng)力狀態(tài)。因此其穩(wěn)定分析必須考慮幾何大變形即幾何非線性的影響。

3.3 結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化設(shè)計

大跨度空間結(jié)構(gòu)往往是一個城市的標志性建筑，設(shè)計師們除了要考慮結(jié)構(gòu)的安全、美觀與適用外，還應(yīng)考慮到結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性指標。因此，優(yōu)化設(shè)計時應(yīng)同時考慮受力性能目標函數(shù)和造價目標函數(shù)，使結(jié)構(gòu)在最優(yōu)性能和最低造價之間找到結(jié)合點，在滿足性能最優(yōu)的前提下，對結(jié)構(gòu)進行各種荷載工況的組合計算，取出各個桿件的內(nèi)力最大和最小值包絡(luò)圖，根據(jù)桿件在整個工作過程中的受力狀況，分別有針對性的進行強度或穩(wěn)定設(shè)計，同時綜合考慮到結(jié)構(gòu)美觀、施工和構(gòu)件制造加工等因素。

3.4 初始設(shè)計缺陷的排除

由于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是空間復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在初步設(shè)計時結(jié)構(gòu)出現(xiàn)機構(gòu)或瞬變機構(gòu)是很難完全避免的。這些機構(gòu)或瞬變機構(gòu)的存在是網(wǎng)殼的潛在缺陷，對其安全運行造成潛在的危險。因此，在設(shè)計初期應(yīng)將這類缺陷在設(shè)計中排除，以確保網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)安全運行。然而由于網(wǎng)殼的結(jié)構(gòu)桿件較多，且布置較為復(fù)雜，以人工方式尋查這些缺陷難免有疏忽。對于這類缺陷，設(shè)計人員可以嘗試運用幾何非線形有限元理論，利用計算機來尋查。

4 結(jié)束語

空間張弦式網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是一種極具潛力的新型空間結(jié)構(gòu)。這種雜交結(jié)構(gòu)作為一種新型大跨結(jié)構(gòu)形式，不僅有效地改善了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的整體性能，增大了結(jié)構(gòu)的可覆蓋跨度，提高了整體經(jīng)濟效益，而且極大地豐富了大跨空間結(jié)構(gòu)的建筑造型。因此，對這樣一種新型大跨空間結(jié)構(gòu)形式進行深入地研究，必將能進一步推動空間結(jié)構(gòu)在我國的發(fā)展，提高我國網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的科研技術(shù)水平，使其能在未來的大跨、超大跨結(jié)構(gòu)中得到廣泛的應(yīng)用。

1 張毅剛、薛素鐸等.大跨空間結(jié)構(gòu)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005

2 陸賜麟、尹思明等.現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)（修訂版）［M］.北京：人民交通出版社，2007

3 唐 紅、蔡元奇.張弦式網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中的拉索預(yù)應(yīng)力值設(shè)計方法的應(yīng)用研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報，2006（4）：119～122

The design and study on reticulated shell with prestressed cable

Xu Kai

The reticulated shell structure with prestressed cable has many advantages compared with other structural styles, and it has become the development direction of modern large－span spatial structures.In view of the characteristics of the structure, the influence of the prestressed cable in reticulated shell structure is discussed.The Cautions in design of this kind of structures are presented.The conclusions can be used for reference by similar projects.

space structures; reticulated shell; prestressed cable; structure design

TU393

A

1000－8136（2011）03－0007－02