張弦式網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(jì)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(diǎn)，成為現(xiàn)代大跨度空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向。針對(duì)張弦式網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，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(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題，為類似工程的設(shè)計(jì)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(jì)

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是將桿件沿著某個(gè)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(diǎn)，因此，各種設(shè)計(jì)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(diǎn)與缺點(diǎn)，單一類型的結(jié)構(gòu)形式在跨度增大時(shí)，其不足之處越來(lái)越明顯，經(jīng)濟(jì)性顯著下降，甚至無(wú)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(jìn)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(diǎn)是通過(guò)拉索給剛性結(jié)構(gòu)提供更多地彈性支承點(diǎn)，以達(dá)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(qiáng)度的特點(diǎn)，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(duì)于張弦式網(wǎng)殼這種雜交結(jié)構(gòu)體系研究的文獻(xiàn)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(jì)實(shí)用方法。

1 張弦式網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

由于綜合了剛性構(gòu)件抗彎剛度高和柔性構(gòu)件抗拉強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)張拉鋼索對(duì)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(gè)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(diǎn)主要有以下幾方面：①下弦的張拉部分增強(qiáng)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(biāo)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(jiǎn)化，而且使屋面更容易與剛性材料相匹配。③結(jié)構(gòu)對(duì)邊界約束的要求明顯降低。因?yàn)閯傂缘纳舷覍泳W(wǎng)殼對(duì)周邊施加壓力，而柔性的拉索對(duì)周邊施加拉力，兩者組合起來(lái)后作用力相互抵消。如果進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化設(shè)計(jì)，還可以達(dá)到在長(zhǎng)期荷載作用下，屋頂結(jié)構(gòu)對(duì)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(wú)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(duì)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(duì)外力的協(xié)調(diào)能力更強(qiáng)，尤其是當(dāng)網(wǎng)殼受到局部較大的荷載時(shí)，緊繃的索會(huì)迅速的把局部荷載傳遞到整個(gè)結(jié)構(gòu)體系，進(jìn)行內(nèi)力的重分布找到新的平衡，由整個(gè)結(jié)構(gòu)來(lái)承受局部荷載，防止了網(wǎng)殼因局部荷載過(guò)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(shí)，一部分內(nèi)力又可以通過(guò)網(wǎng)殼傳給撐桿，再通過(guò)撐桿傳給環(huán)索，撐桿對(duì)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(jiǎn)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(jì)性。

3 張弦式網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題

3.1 預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)

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(qiáng)幾何非線性特性，且空間效應(yīng)強(qiáng)。因此，預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)較傳統(tǒng)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)復(fù)雜繁重，只有采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)提供了有效的計(jì)算手段。在對(duì)大型預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)的強(qiáng)幾何非線性特性，否則所設(shè)計(jì)的預(yù)應(yīng)力值難以滿足實(shí)際工況的需要。

3.2 穩(wěn)定性的計(jì)算

穩(wěn)定性計(jì)算是網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題，也是國(guó)內(nèi)外近年來(lái)的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。張弦網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問(wèn)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(wèn)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(diǎn)的約束有關(guān)，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，常近似為兩端鉸接的壓桿來(lái)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(lái)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(jì)

大跨度空間結(jié)構(gòu)往往是一個(gè)城市的標(biāo)志性建筑，設(shè)計(jì)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(jì)性指標(biāo)。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮受力性能目標(biāo)函數(shù)和造價(jià)目標(biāo)函數(shù)，使結(jié)構(gòu)在最優(yōu)性能和最低造價(jià)之間找到結(jié)合點(diǎn)，在滿足性能最優(yōu)的前提下，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行各種荷載工況的組合計(jì)算，取出各個(gè)桿件的內(nèi)力最大和最小值包絡(luò)圖，根據(jù)桿件在整個(gè)工作過(guò)程中的受力狀況，分別有針對(duì)性的進(jìn)行強(qiáng)度或穩(wěn)定設(shè)計(jì)，同時(shí)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(jì)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(jì)時(shí)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)機(jī)構(gòu)或瞬變機(jī)構(gòu)是很難完全避免的。這些機(jī)構(gòu)或瞬變機(jī)構(gòu)的存在是網(wǎng)殼的潛在缺陷，對(duì)其安全運(yùn)行造成潛在的危險(xiǎn)。因此，在設(shè)計(jì)初期應(yīng)將這類缺陷在設(shè)計(jì)中排除，以確保網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)安全運(yùn)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(duì)于這類缺陷，設(shè)計(jì)人員可以嘗試運(yùn)用幾何非線形有限元理論，利用計(jì)算機(jī)來(lái)尋查。

4 結(jié)束語(yǔ)

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(jì)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(duì)這樣一種新型大跨空間結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行深入地研究，必將能進(jìn)一步推動(dòng)空間結(jié)構(gòu)在我國(guó)的發(fā)展，提高我國(guó)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的科研技術(shù)水平，使其能在未來(lái)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(jī)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(jì)方法的應(yīng)用研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，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