張拉整體結構初探

鄧潔 李君蓉 楊飛

摘要：張拉整體結構是由不連續的受壓構件與連續的受拉構件組成的自應力、自平衡結構[1]，結構中的桿件由于只承受壓力和拉力，無多余的剪力和彎矩，使得其材料的性能得到充分的發揮。本文主要介紹在“張拉整體結構初探”開放實驗中模型的制作過程，對張拉整體結構性能的探索，包括剛度、穩定性分析以及相關的體會。

關鍵詞：張拉整體結構;結構模型;性能;剛度分析;穩定性分析

1緒論

1.1引言

張拉整體這一概念的產生是源于受到大自然啟發的富勒，他認為宇宙的運行是按照張拉一致性原理進行的，即萬有引力是一個平衡的張力網，而宇宙中的星球是這個網中的一個個孤立點，這些星球通過萬有引力的連接形成一個整體。[2]

1.2特點及應用優勢

“壓桿的孤島存在于拉索的海洋中”，壓桿之間互不連接，需要依靠拉索的連接形成整體，桿件之間交錯連接，不難看出，拉索的數量是遠大于壓桿的數量的。整個結構就像一張網，由于桿件具有只受壓力和拉力的特性，運用于實際當中可以最大限度地提高材料的利用率以及實現結構的大跨度;拉索與壓桿連接所呈現出優美的結構形態，使得該結構在設計方面能有更多的想象空間。

該結構應用在一些建筑和橋梁中，不僅充分利用材料的性能，提高材料的利用率，還能實現結構的大跨度從而提高經濟性，也能體現建筑、橋梁對美學方面的要求;應用在一些臨時建筑也完全是可以的，相較于鋼筋混凝土結構來說，它能使得材料的安拆更快捷而且便于運輸，從而有效地縮短工期;桿件自重也較輕，還能重復利用，安全性、經濟性都得以保證;

除此之外，該結構還可以應用在許多要求跨度大的遮擋設施中，例如體育建筑的頂棚，商場室外的休息區的遮陽棚、車棚等等，對于這種大型的設施來說，這種結構的利用可以減少結構所需的鋼用量，減輕自重，不僅降低了成本，還能使得空間大、視野開闊、通風以及自然采光都比較好;

也可以應用在相對小型的物件當中，比如改良版的漁夫凳，相比而言，利用張拉膜結構的特性做出的漁夫凳，安拆方便，更加節省空間，桿件損壞后方便更換，減少浪費也更為經濟;同樣的情況還適用于露營桌椅、家用雨棚;由于其在美學方面的塑造，也用于一些景觀型的藝術雕塑當中，如彩虹拱，針塔等等;

1.3結構的局限性

這種結構形式對于桿件各方面的性能要求都是較高的，包括桿件自身的強度、承受自重和預應力的大小的能力都將會直接影響到整體結構的穩定;由于桿件間的交錯連接，對于這種結構的有些結合形態來說，桿件越多，連接越錯綜復雜，使得桿件之間的空間利用率會有所降低。

“牽一發，動全身”，結構的局部破壞將會影響到整體，對于這種結構來說，它的每個構件都是通過施加預應力而相互連接的[ ]，若其中一個構件出現破壞或節點處的連接出現問題都會牽連到其他構件，從而結構整體受到破壞;因此，在張拉整體結構運用到實際當中時應重視構件的剛度以及節點處的連接方式，也應注重與其他結構種類之間的結合。

2.結構的剛度及穩定性分析

在我們本科的學習階段是沒有涉及到張拉整體結構這種結構形式的，這次開放實驗是讓我們能夠通過制作模型去學習張拉整體結構的設計原理，熟悉材料的性能;去探究張拉整體結構的造型構成和力學作用，并通過試驗加載驗證并確定張拉整體結構模型的力學特征。

此次的“張拉整體結構初探”開放實驗是對課堂教學的拓展，通過模型制作鍛煉了我們的動手能力，深化了力學知識體系的建構;通過模型的加載試驗還培養了我們理論聯系實踐和分析解決工程問題的能力。

以下便是有關結構性能的分析。

2.1剛度分析

在這個探究實驗中，我們用了長度為13cm的木棍（受壓）和9cm的橡皮筋（受拉）作為結構的構件，將木棍當作壓桿、橡皮筋當作拉索。最初，我們做了一個三桿九繩的簡單模型（由于木棍較細不方便開口鉆孔，便將兩根木棍兩端進行綁扎形成一個整體），我們就上述模型進行了結構的剛度分析。其中剛度的分析包括桿件的剛度分析和整體的剛度分析。

2.1.1桿件的剛度

試做模型階段，在木棍與橡皮筋連接的節點處對木棍進行開口，開口后會木棍產生一些裂紋，導致木棍的截面利用率降低，而且很容易發生斷裂，因此后續的模型制作中我們便采取了將兩根木棍綁扎在一起的方式替代。

對桿件進行加載實驗，由于木棍自身的剛度不夠，使其產生的撓度較大;橡皮筋的剛度較小，施加預應力過后橡皮筋的變形較大且變形量不易控制，在后續的過程中還會發生徐變。

因此，在模型的制作過程中，應充分考慮到桿件的剛度對整個結構的影響，優化結構。

2.1.2整體的剛度

結構整體的剛度與桿件的材料和結合形式相關。

在模型加載試驗中發現，即使采用前面所述模型的制作方式，但由于兩根木棍之間的連接性處理不當，影響到整體的剛度分析;后續便采用PVC管替代木棍，使得對節點的設置、開口鉆孔都更加方便且節點處的剛度能夠得以保證;橡皮筋即使在施加較小預應力過后產生的變形量也會較大，且后期的徐變產生的變形量也較大，在使用漁線替代橡皮筋后，拉索的剛度得到提高，徐變產生的變形量降低，結構整體的剛度增加。對比兩次采用不同材料制作的模型的加載得出，用漁線和PVC管制作出來的模型在加載后所產生的豎向位移和橫向位移都是有所減小的，整體的剛度也有提高。

制作多種形式的模型進行加載，發現結構形式不同，所產生結構整體的變形量差別較大，呈現出的結構抵抗變形的能力不同，結構整體的剛度也就不同;而對較優的結構形式的探究過程需進行相關的找形分析。

2.2穩定性分析

對模型進行加載試驗后總結出，在逐級增加均布荷載（質量為2.75kg的鐵塊）過程中，木棍未遭到破壞變形，但由于橡皮筋的剛度幾乎為零，伸縮性以及產生的變形量較大，結構整體產生的撓度較大，容易產生不穩定的現象，使得整個結構被壓垮，從而得出結構的穩定性較差;對模型進行改良，將橡皮筋替換成漁線，再做加載試驗總結出，漁線產生的變形量相比較于橡皮筋來說是較小，結構整體產生的位移量也較小，整體穩定性得到提升，可以看出，桿件的特性對結構穩定性是具有一定影響的。張拉整體結構是自應力、自支承結構，自身的結構形式對整體穩定性也有相應的影響，在模型的制作過程中，還應注重對結構結合形態的探究，進行相關的找形分析。

3.總結

在“張拉整體結構初探”開放實驗的整個模型制作與分析過程中，我們對這種特殊的結構從只了解一些基本概念和其部分應用轉變為能通過制作和分析模型并根據桿件的連接方式和受力特點對結構進行進一步地探究;在結構受到外力時，相應的桿件會利用其截面特性，充分發揮所用材料的性能，只產生較小的變形量就可以使結構達到穩定的狀態;桿件的用材、剛度以及桿件的不同結合方式會影響到整體的剛度和結構的穩定性，此外還要注意控制拉索預應力的施加，這將會影響到整個結構的穩定性以及承受荷載的能力。

在結構實際的運用中，我們應重視桿件用材的質量，保證結構的安全性;對于大跨度建筑來說，充分利用材料的特性還能大大地減少用鋼量，保證結構的承載能力，使建筑的經濟性提高;除此之外，在保證安全和經濟的前提下，還需加強其與美學方面的聯系和運用;由于張拉整體結構自身具有局限性，應注意揚長避短，加強它與其他種類結構的結合。

參考文獻：

[1]劉紅波.弦支穹頂結構施工控制理論與溫度效應研究[D].天津大學.2011

[2]鄭君華.矩形平面索穹頂結構的理論分析與試驗研究[D].浙江大學.2006

[3]劉永清.張拉式環形內挑頂蓬結構分析研究[D].昆明理工大學.2003