張拉整體結(jié)構(gòu)初探

鄧潔 李君蓉 楊飛

摘要：張拉整體結(jié)構(gòu)是由不連續(xù)的受壓構(gòu)件與連續(xù)的受拉構(gòu)件組成的自應(yīng)力、自平衡結(jié)構(gòu)[1]，結(jié)構(gòu)中的桿件由于只承受壓力和拉力，無(wú)多余的剪力和彎矩，使得其材料的性能得到充分的發(fā)揮。本文主要介紹在“張拉整體結(jié)構(gòu)初探”開(kāi)放實(shí)驗(yàn)中模型的制作過(guò)程，對(duì)張拉整體結(jié)構(gòu)性能的探索，包括剛度、穩(wěn)定性分析以及相關(guān)的體會(huì)。

關(guān)鍵詞：張拉整體結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)模型;性能;剛度分析;穩(wěn)定性分析

1緒論

1.1引言

張拉整體這一概念的產(chǎn)生是源于受到大自然啟發(fā)的富勒，他認(rèn)為宇宙的運(yùn)行是按照張拉一致性原理進(jìn)行的，即萬(wàn)有引力是一個(gè)平衡的張力網(wǎng)，而宇宙中的星球是這個(gè)網(wǎng)中的一個(gè)個(gè)孤立點(diǎn)，這些星球通過(guò)萬(wàn)有引力的連接形成一個(gè)整體。[2]

1.2特點(diǎn)及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

“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(cuò)連接，不難看出，拉索的數(shù)量是遠(yuǎn)大于壓桿的數(shù)量的。整個(gè)結(jié)構(gòu)就像一張網(wǎng)，由于桿件具有只受壓力和拉力的特性，運(yùn)用于實(shí)際當(dāng)中可以最大限度地提高材料的利用率以及實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的大跨度;拉索與壓桿連接所呈現(xiàn)出優(yōu)美的結(jié)構(gòu)形態(tài)，使得該結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)方面能有更多的想象空間。

該結(jié)構(gòu)應(yīng)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(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的大跨度從而提高經(jīng)濟(jì)性，也能體現(xiàn)建筑、橋梁對(duì)美學(xué)方面的要求;應(yīng)用在一些臨時(shí)建筑也完全是可以的，相較于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，它能使得材料的安拆更快捷而且便于運(yùn)輸，從而有效地縮短工期;桿件自重也較輕，還能重復(fù)利用，安全性、經(jīng)濟(jì)性都得以保證;

除此之外，該結(jié)構(gòu)還可以應(yīng)用在許多要求跨度大的遮擋設(shè)施中，例如體育建筑的頂棚，商場(chǎng)室外的休息區(qū)的遮陽(yáng)棚、車棚等等，對(duì)于這種大型的設(shè)施來(lái)說(shuō)，這種結(jié)構(gòu)的利用可以減少結(jié)構(gòu)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(kāi)闊、通風(fēng)以及自然采光都比較好;

也可以應(yīng)用在相對(duì)小型的物件當(dāng)中，比如改良版的漁夫凳，相比而言，利用張拉膜結(jié)構(gòu)的特性做出的漁夫凳，安拆方便，更加節(jié)省空間，桿件損壞后方便更換，減少浪費(fèi)也更為經(jīng)濟(jì);同樣的情況還適用于露營(yíng)桌椅、家用雨棚;由于其在美學(xué)方面的塑造，也用于一些景觀型的藝術(shù)雕塑當(dāng)中，如彩虹拱，針?biāo)鹊?

1.3結(jié)構(gòu)的局限性

這種結(jié)構(gòu)形式對(duì)于桿件各方面的性能要求都是較高的，包括桿件自身的強(qiáng)度、承受自重和預(yù)應(yīng)力的大小的能力都將會(huì)直接影響到整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定;由于桿件間的交錯(cuò)連接，對(duì)于這種結(jié)構(gòu)的有些結(jié)合形態(tài)來(lái)說(shuō)，桿件越多，連接越錯(cuò)綜復(fù)雜，使得桿件之間的空間利用率會(huì)有所降低。

“牽一發(fā)，動(dòng)全身”，結(jié)構(gòu)的局部破壞將會(huì)影響到整體，對(duì)于這種結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，它的每個(gè)構(gòu)件都是通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力而相互連接的[ ]，若其中一個(gè)構(gòu)件出現(xiàn)破壞或節(jié)點(diǎn)處的連接出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)牽連到其他構(gòu)件，從而結(jié)構(gòu)整體受到破壞;因此，在張拉整體結(jié)構(gòu)運(yùn)用到實(shí)際當(dāng)中時(shí)應(yīng)重視構(gòu)件的剛度以及節(jié)點(diǎn)處的連接方式，也應(yīng)注重與其他結(jié)構(gòu)種類之間的結(jié)合。

2.結(jié)構(gòu)的剛度及穩(wěn)定性分析

在我們本科的學(xué)習(xí)階段是沒(méi)有涉及到張拉整體結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)形式的，這次開(kāi)放實(shí)驗(yàn)是讓我們能夠通過(guò)制作模型去學(xué)習(xí)張拉整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理，熟悉材料的性能;去探究張拉整體結(jié)構(gòu)的造型構(gòu)成和力學(xué)作用，并通過(guò)試驗(yàn)加載驗(yàn)證并確定張拉整體結(jié)構(gòu)模型的力學(xué)特征。

此次的“張拉整體結(jié)構(gòu)初探”開(kāi)放實(shí)驗(yàn)是對(duì)課堂教學(xué)的拓展，通過(guò)模型制作鍛煉了我們的動(dòng)手能力，深化了力學(xué)知識(shí)體系的建構(gòu);通過(guò)模型的加載試驗(yàn)還培養(yǎng)了我們理論聯(lián)系實(shí)踐和分析解決工程問(wèn)題的能力。

以下便是有關(guān)結(jié)構(gòu)性能的分析。

2.1剛度分析

在這個(gè)探究實(shí)驗(yàn)中，我們用了長(zhǎng)度為13cm的木棍（受壓）和9cm的橡皮筋（受拉）作為結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，將木棍當(dāng)作壓桿、橡皮筋當(dāng)作拉索。最初，我們做了一個(gè)三桿九繩的簡(jiǎn)單模型（由于木棍較細(xì)不方便開(kāi)口鉆孔，便將兩根木棍兩端進(jìn)行綁扎形成一個(gè)整體），我們就上述模型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)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(jié)點(diǎn)處對(duì)木棍進(jìn)行開(kāi)口，開(kāi)口后會(huì)木棍產(chǎn)生一些裂紋，導(dǎo)致木棍的截面利用率降低，而且很容易發(fā)生斷裂，因此后續(xù)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(duì)桿件進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)，由于木棍自身的剛度不夠，使其產(chǎn)生的撓度較大;橡皮筋的剛度較小，施加預(yù)應(yīng)力過(guò)后橡皮筋的變形較大且變形量不易控制，在后續(xù)的過(guò)程中還會(huì)發(fā)生徐變。

因此，在模型的制作過(guò)程中，應(yīng)充分考慮到桿件的剛度對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的影響，優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

2.1.2整體的剛度

結(jié)構(gòu)整體的剛度與桿件的材料和結(jié)合形式相關(guān)。

在模型加載試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，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(dāng)，影響到整體的剛度分析;后續(xù)便采用PVC管替代木棍，使得對(duì)節(jié)點(diǎn)的設(shè)置、開(kāi)口鉆孔都更加方便且節(jié)點(diǎn)處的剛度能夠得以保證;橡皮筋即使在施加較小預(yù)應(yīng)力過(guò)后產(chǎn)生的變形量也會(huì)較大，且后期的徐變產(chǎn)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(chǎn)生的變形量降低，結(jié)構(gòu)整體的剛度增加。對(duì)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(lái)的模型在加載后所產(chǎn)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(jìn)行加載，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)形式不同，所產(chǎn)生結(jié)構(gòu)整體的變形量差別較大，呈現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力不同，結(jié)構(gòu)整體的剛度也就不同;而對(duì)較優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式的探究過(guò)程需進(jìn)行相關(guān)的找形分析。

2.2穩(wěn)定性分析

對(duì)模型進(jìn)行加載試驗(yàn)后總結(jié)出，在逐級(jí)增加均布荷載（質(zhì)量為2.75kg的鐵塊）過(guò)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(chǎn)生的變形量較大，結(jié)構(gòu)整體產(chǎn)生的撓度較大，容易產(chǎn)生不穩(wěn)定的現(xiàn)象，使得整個(gè)結(jié)構(gòu)被壓垮，從而得出結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較差;對(duì)模型進(jìn)行改良，將橡皮筋替換成漁線，再做加載試驗(yàn)總結(jié)出，漁線產(chǎn)生的變形量相比較于橡皮筋來(lái)說(shuō)是較小，結(jié)構(gòu)整體產(chǎn)生的位移量也較小，整體穩(wěn)定性得到提升，可以看出，桿件的特性對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是具有一定影響的。張拉整體結(jié)構(gòu)是自應(yīng)力、自支承結(jié)構(gòu)，自身的結(jié)構(gòu)形式對(duì)整體穩(wěn)定性也有相應(yīng)的影響，在模型的制作過(guò)程中，還應(yīng)注重對(duì)結(jié)構(gòu)結(jié)合形態(tài)的探究，進(jìn)行相關(guān)的找形分析。

3.總結(jié)

在“張拉整體結(jié)構(gòu)初探”開(kāi)放實(shí)驗(yàn)的整個(gè)模型制作與分析過(guò)程中，我們對(duì)這種特殊的結(jié)構(gòu)從只了解一些基本概念和其部分應(yīng)用轉(zhuǎn)變?yōu)槟芡ㄟ^(guò)制作和分析模型并根據(jù)桿件的連接方式和受力特點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步地探究;在結(jié)構(gòu)受到外力時(shí)，相應(yīng)的桿件會(huì)利用其截面特性，充分發(fā)揮所用材料的性能，只產(chǎn)生較小的變形量就可以使結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài);桿件的用材、剛度以及桿件的不同結(jié)合方式會(huì)影響到整體的剛度和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，此外還要注意控制拉索預(yù)應(yīng)力的施加，這將會(huì)影響到整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及承受荷載的能力。

在結(jié)構(gòu)實(shí)際的運(yùn)用中，我們應(yīng)重視桿件用材的質(zhì)量，保證結(jié)構(gòu)的安全性;對(duì)于大跨度建筑來(lái)說(shuō)，充分利用材料的特性還能大大地減少用鋼量，保證結(jié)構(gòu)的承載能力，使建筑的經(jīng)濟(jì)性提高;除此之外，在保證安全和經(jīng)濟(jì)的前提下，還需加強(qiáng)其與美學(xué)方面的聯(lián)系和運(yùn)用;由于張拉整體結(jié)構(gòu)自身具有局限性，應(yīng)注意揚(yáng)長(zhǎng)避短，加強(qiáng)它與其他種類結(jié)構(gòu)的結(jié)合。

參考文獻(xiàn)：

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