一種新型可展結(jié)構(gòu)的探索

宋依潔 熊海貝 卿紫菲 何子安

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092)

1 引言

1.1 可展概念與建筑

希臘學(xué)者 C.J.Gantes[1]對可展結(jié)構(gòu)的定義是:可展結(jié)構(gòu)是由預(yù)制單元集成的，能夠從初始的緊密構(gòu)型展開到預(yù)先確定的展開構(gòu)型工作形態(tài)，從而成為具有承載能力的穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系。20世紀(jì) 60 年代，美國建筑師 Buckminster Fuller[2]在建筑領(lǐng)域提出了可展結(jié)構(gòu)的概念。西班牙建筑師Pineo[2]在此啟發(fā)下，在世界建筑作品大獎(jiǎng)賽中展示了跨度為300英尺的穹頂折疊式可移動(dòng)劇院。西班牙學(xué)者Escrig和Valcarcel[3]在此基礎(chǔ)上對可展剪式鉸結(jié)構(gòu)和整體穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，成功建成了一個(gè)30 m×60 m的游泳館可展穹頂。

2000年德國漢諾威世博會(huì)上，霍伯曼為Iris Dome[2]設(shè)計(jì)并建造了可縮回式的圓屋頂，通過四臺(tái)電腦控制的液壓氣缸使得高6.2 m、寬10.2 m的圓屋頂逐漸收回。在建筑施工領(lǐng)域，日本的川口衛(wèi)教授[4]提出的適用于雙曲率網(wǎng)殼的攀達(dá)穹頂整體頂升施工方法已在世界上數(shù)個(gè)工程中得到成功應(yīng)用。

1.2 剪式單元構(gòu)成可展結(jié)構(gòu)

許多空間可展結(jié)構(gòu)都是由基本構(gòu)件剪式單元[5]相互連接組成(圖1(a))。本文重點(diǎn)介紹該種可展結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

將剪式單元進(jìn)一步改進(jìn)，把直桿換成折桿，就形成了可以調(diào)整角度的折線形剪式單元(圖1(b))。折線形剪式結(jié)構(gòu)的概念由 Kempe[6，11]提出，Hoberman[7-8]對其命名并且應(yīng)用在各種可展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。在Hanaor[9]對可展結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果中，這種剪式結(jié)構(gòu)常常是受彎控制，材料利用效率不高。

在此基礎(chǔ)上，比利時(shí)的Mira[10-11]設(shè)計(jì)出了三角形剪式單元(Universal Scissor Component)(圖1(c))，由三角形替換折線形桿件，能提高抗彎性能，減少變形。

圖1 剪式單元Fig.1 Scissor elements

2 新型可展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)過程

本文基于三角形剪式單元，從優(yōu)化結(jié)構(gòu)構(gòu)型、減輕結(jié)構(gòu)自重、適應(yīng)實(shí)際工程需要的角度設(shè)計(jì)了一種新型空間可展結(jié)構(gòu)。

本文制作了一個(gè)小比例模型，跨度2 m，矢高1 m。該結(jié)構(gòu)以三角形剪式單元為基本單元組成剪式組合構(gòu)件(圖2)，頂部節(jié)點(diǎn)將六個(gè)剪式組合件連接形成空間可展體系(圖3)，并采用鋼絲拉索構(gòu)成平面外支撐體系(圖4)，結(jié)構(gòu)底部采用圍合桿件和徑向?qū)к墭?gòu)成結(jié)構(gòu)自平衡基礎(chǔ)(圖5)，綜合組成了穩(wěn)定性和伸縮性能均優(yōu)的新型可展結(jié)構(gòu)模型(圖3、圖5)。

可展機(jī)構(gòu)展開的原理是每個(gè)剪式組合構(gòu)件在平面內(nèi)的收縮。剪式組合構(gòu)件下端部的節(jié)點(diǎn)都安有2個(gè)滑輪(圖3(a))，12個(gè)滑輪同時(shí)向中心滑動(dòng)帶動(dòng)每個(gè)剪式組合構(gòu)件的折疊，使得整個(gè)機(jī)構(gòu)收縮?？烧箼C(jī)構(gòu)展開后，在將輪子和頂部節(jié)點(diǎn)的位置固定，便形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)(圖3(b))。

圖2 三角形剪式單元組成剪式組合構(gòu)件Fig.2 Composition of scissor composite members

圖3 空間可展模型Fig.3 Composition of a deployable structure

圖4 預(yù)拉力鋼絲拉索Fig.4 Pre-tensioned ropes

圖5 收縮模型及底盤Fig.5 Contraction state of the structure

2.2 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

可展結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要是保證可展性能和穩(wěn)定性的統(tǒng)一，特別是展開過程中的穩(wěn)定可控性。應(yīng)設(shè)計(jì)合理的軌道和驅(qū)動(dòng)方式，在展開過程中增加臨時(shí)的側(cè)向支撐。

每個(gè)剪式組合構(gòu)件在平面內(nèi)只有一個(gè)自由度，只需增加一個(gè)鏈桿約束即可變成幾何不變的結(jié)構(gòu)(圖6)。但設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體剛度，例如展開后增加多個(gè)鏈桿和鋪設(shè)剛性連接的面板，使結(jié)構(gòu)能夠抵抗設(shè)計(jì)荷載。結(jié)構(gòu)較薄容易在平面外失穩(wěn)，應(yīng)仔細(xì)考慮風(fēng)荷載的作用，設(shè)置足夠的平面外支撐和圍護(hù)體系，例如采用剛性的橫向支撐或者柔性的預(yù)拉力拉索。通過調(diào)整三角形的高寬比或連接方式，可以設(shè)計(jì)出靈活多變的整體外形。對于跨度較大的空間結(jié)構(gòu)，可以考慮用三角形桁架代替三角形單元組成剪式單元，減少桿件計(jì)算長度。

圖6 增加一個(gè)鏈桿后幾何不變Fig.6 Geometrical invariability by adding a constraint

3 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本靜力加載試驗(yàn)主要模擬屋面結(jié)構(gòu)在承受豎向荷載工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)?？紤]豎向活荷載最不利布置，分全跨和半跨兩種工況進(jìn)行加載。圖7為加載點(diǎn)及位移計(jì)布置圖，括號(hào)內(nèi)數(shù)值為位移計(jì)標(biāo)號(hào)。靜力試驗(yàn)方案如下:在結(jié)構(gòu)頂部的節(jié)點(diǎn)(圖7標(biāo)號(hào)10)和每個(gè)剪式組合構(gòu)件的跨中(圖7標(biāo)號(hào)1—6)施加集中荷載。

圖7 加載點(diǎn)及位移計(jì)布置圖Fig.7 Loading points and displacement meters

設(shè)計(jì)總荷載為 1.75 kN，底盤面積 3.14 m2，面荷載0.56 kN/m2。荷載分五級施加，工況1全跨加載時(shí)，分級加載表如表1所示。卸載試驗(yàn)與加載試驗(yàn)的順序相反。

表1 全跨靜載試驗(yàn)分級加載表Table 1 Table of the loading schemes

工況2半跨加載時(shí)，僅在相鄰的三跨施加豎向荷載(圖7標(biāo)號(hào)1—3)，即上表中邊跨總荷載減半，但每級中施加在每個(gè)剪式組合構(gòu)件的荷載不變。

3.2 試驗(yàn)裝置

在結(jié)構(gòu)頂部、每個(gè)剪式組合構(gòu)件的跨中掛置砝碼施加集中荷載，見圖8和圖9。

圖8 邊跨砝碼加載Fig.8 Loading at the mid-span

圖9 頂點(diǎn)砝碼加載Fig.9 Loading at the central node

試驗(yàn)中，在每個(gè)剪式組合構(gòu)件的跨中部位布置了豎向位移計(jì)(標(biāo)號(hào)1—6)。每隔一個(gè)剪式組合構(gòu)件的跨中布置了水平位移計(jì)(標(biāo)號(hào)7—9)。在中心節(jié)點(diǎn)處設(shè)置了一個(gè)水平位移計(jì)和一個(gè)豎向位移計(jì)(標(biāo)號(hào)10和11)。位移計(jì)標(biāo)點(diǎn)位置見圖7數(shù)字標(biāo)示(括號(hào)中數(shù)字表示水平位移計(jì)，其余表示豎向位移計(jì))。下文中用豎向位移計(jì)的數(shù)字來代指該構(gòu)件。

3.3 數(shù)據(jù)分析

按照加載表進(jìn)行加載卸載試驗(yàn)后，采集荷載和位移數(shù)據(jù)，制成圖表如下。

工況1全跨加載-卸載的荷載位移曲線如圖10—12。圖中VD代表豎向位移，HD代表水平位移，數(shù)字指代圖7中的位移計(jì)標(biāo)號(hào)。

圖10 荷載—豎向位移曲線(全跨加載—卸載)Fig.10 Load-vertical displacement curves under full-span loading-unloading scheme

圖11 荷載—水平位移曲線(全跨加載—卸載)Fig.11 Load-horizontal displacement curves under full-span loading-unloading scheme

鋁合金模型施加總荷載1.75 kN時(shí)，結(jié)構(gòu)的最大豎向位移7.9 mm(圖12)發(fā)生在頂點(diǎn)處，撓度為1/250。5號(hào)、6號(hào)剪式組合構(gòu)件的豎向位移明顯大于其他(圖10)，觀察后發(fā)現(xiàn)5號(hào)、6號(hào)構(gòu)件有初始缺陷，未受力時(shí)已微微翹起，加載后位移較大。加載時(shí)也出現(xiàn)了一些不均勻的水平位移。結(jié)構(gòu)位移在卸載后都有明顯恢復(fù)，說明設(shè)計(jì)荷載小于結(jié)構(gòu)極限承載力，結(jié)構(gòu)還有回彈能力。

工況2半跨加載時(shí)，在圖7中標(biāo)號(hào)為1、2、3的構(gòu)件跨中施加半跨活荷載。其荷載位移曲如圖13—圖15所示。

圖12 荷載—頂點(diǎn)位移曲線(全跨加載—卸載)Fig.12 Load-displacement curves for the central node under full-span loading-unloading scheme

圖13 荷載—豎向位移曲線(半跨加載—卸載)Fig.13 Load-vertical displacement curves under half-span loading-unloading scheme

圖14 荷載—水平位移曲線(半跨加載—卸載)Fig.14 Load-horizontal displacement curves under half-span loading-unloading scheme

半跨加載試驗(yàn)與全跨加載相比，總荷載減小，頂點(diǎn)位移稍減小，水平位移變大。半跨加載最大豎向位移7.1 mm(圖15)也出現(xiàn)在頂點(diǎn)，撓度為1/281。1號(hào)點(diǎn)豎向位移次之為6.6 mm(圖13)。最大水平位移5.4 mm出現(xiàn)在頂點(diǎn)。對該模型的靜力試驗(yàn)結(jié)果說明該種可展結(jié)構(gòu)具有一定的承載能力，能夠滿足實(shí)際需要。

圖15 荷載—頂點(diǎn)位移曲線(半跨加載—卸載)Fig.15 Load placement curves for the top node under half-span loading-unloading scheme

4 應(yīng)用前景

可展結(jié)構(gòu)具有伸縮平滑，搭建、拆卸和運(yùn)輸方便，基本桿件相同能批量化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于永久半永久建筑以及空間結(jié)構(gòu)施工技術(shù)中，例如應(yīng)用于救災(zāi)帳篷、臨時(shí)展館等。實(shí)際上，可展結(jié)構(gòu)作為永久性建筑仍然存在小規(guī)模生產(chǎn)成本昂貴，結(jié)構(gòu)規(guī)模較大時(shí)結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)難以牢固連接等問題，仍需在實(shí)踐中繼續(xù)研究。

可展結(jié)構(gòu)體系可以從機(jī)構(gòu)變成結(jié)構(gòu)，這一特點(diǎn)可應(yīng)用于空間結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)中?？臻g結(jié)構(gòu)在空間利用上是高效能的，但在施工方面卻需要大量的腳手架，勞動(dòng)力和時(shí)間，并且在還經(jīng)常產(chǎn)生工程精度、可靠性和安全性等方面的困難。板狀屋頂中經(jīng)常采用的現(xiàn)代化施工方法如提升體系等不能等效地應(yīng)用于曲面狀空間結(jié)構(gòu)中?？烧菇Y(jié)構(gòu)被應(yīng)用到穹頂狀結(jié)構(gòu)的施工體系中并非先例，日本政法大學(xué)川口衛(wèi)教授提出了攀達(dá)穹頂(Pantadome)的施工體系。與之相似的，本文提出了一種新型可展結(jié)構(gòu)施工體系的構(gòu)想。

4.1 攀達(dá)穹頂施工體系

攀達(dá)穹頂體系的核心思想是通過臨時(shí)去掉一些桿件使穹頂在施工階段暫時(shí)變?yōu)橐粋€(gè)機(jī)構(gòu)，可以趴伏在地面上完成大部分施工工作，之后頂升到預(yù)定的高度就位。圖7所示的穹頂狀的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，去掉平面圖中虛線所表示的桿件后，這個(gè)穹頂就形成了拆掉環(huán)向箍的狀態(tài)，這樣就可以簡單地進(jìn)行折疊了，在低空完成施工工作后再頂升就位[4]。

4.2 可展結(jié)構(gòu)施工體系

本文提出一種新型的施工體系構(gòu)想，在可展機(jī)構(gòu)伸展變成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的過程中完成空間建筑的建造。

圖16 攀達(dá)穹頂?shù)氖┕ぴ鞦ig.16 Working principles of the Pantadome

這種施工體系由剪式組合構(gòu)件和剛性頂蓋組成，建造時(shí)先在地面上分別制作剪式組合構(gòu)件和剛性頂蓋。將剪式組合構(gòu)件收縮成最小狀態(tài)，再與剛性頂蓋相連接。連接好之后將穹頂結(jié)構(gòu)用液壓千斤頂和臨時(shí)支柱提升，頂升就位后在剪式單元之間施加鏈桿約束，最后在平面外鋪設(shè)剛性面板形成穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)(圖17)。

依靠剛性頂蓋的剛度和軌道的約束，該種施工體系在水平方向的運(yùn)動(dòng)是完全被約束住的，體系只在上下垂直方向有一個(gè)自由度。但由于剪式組合構(gòu)件不可能做的太厚，頂升時(shí)剪式組合構(gòu)件容易在平面外失穩(wěn)，需要設(shè)置平面外的支撐和圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在頂升時(shí)應(yīng)附加側(cè)向的剛性支撐來抵抗突然的地震和強(qiáng)風(fēng)等水平荷載。

這種體系的優(yōu)點(diǎn)是:頂升過程更加平緩簡便，展開時(shí)的速度和運(yùn)動(dòng)軌跡更容易被計(jì)算機(jī)控制，軌道和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也容易設(shè)計(jì)。

圖17 可展結(jié)構(gòu)施工體系Fig.17 Construction of deployable structures

5 結(jié)論

本文提出了一種新型可展結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由圓盤節(jié)點(diǎn)、六榀剪式組合構(gòu)件和圍護(hù)體系組成，形成了兼具可展性與穩(wěn)定性的空間可展結(jié)構(gòu)。通過對模型的荷載試驗(yàn)得到，靜力試驗(yàn)卸荷后，結(jié)構(gòu)位移出現(xiàn)大幅回彈，結(jié)構(gòu)的最大位移和撓度都在可接受范圍內(nèi)，說明結(jié)構(gòu)在0.56 kN/m2的活荷載以及自重荷載下具有良好的承載能力和一定的抵抗變形能力。結(jié)構(gòu)的初始缺陷和制作精度對變形有很大影響。

該可展結(jié)構(gòu)搭建、拆卸容易，運(yùn)輸方便;相同的基本桿件用不同的拼接方式可以形成不同的幾何外形;可在工廠預(yù)制、批量化生產(chǎn)，促進(jìn)建筑工業(yè)化。因此該結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于臨時(shí)建筑，半永久建筑。該結(jié)構(gòu)的展開過程平緩穩(wěn)定，只需要稍加穩(wěn)定措施就可以頂升重物。因此可以考慮應(yīng)用于新式施工體系，經(jīng)濟(jì)便捷。

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