弦支穹頂結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用

1、天 津 大 學(xué) 網(wǎng) 絡(luò) 教 育 學(xué) 院?？飘厴I(yè)論文題目：弦支穹頂結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用完成期限：2013年 7月 5日 至 2013年 11月 5日學(xué) 習(xí) 中 心 奧 鵬 年 級(jí) 2011鄉(xiāng)專 業(yè) 指 導(dǎo) 教 師 姓 名 學(xué) 號(hào)摘 要弦支穹頂作為一種結(jié)構(gòu)性能好、構(gòu)造效率高的新型結(jié)構(gòu)體系,其受力合理、造型美觀、造價(jià)經(jīng)濟(jì)、備受建筑師的青睞, 也必將越來(lái)越被人們所接受和喜愛。弦支穹頂結(jié)構(gòu)是由上部的單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)和下部的張拉索桿體系組合而形成的新型自平衡體系，由于其造型新穎、美觀，具有非常廣闊的工程應(yīng)用前景。近幾年我國(guó)對(duì)弦支穹頂結(jié)構(gòu)的研究剛剛起步，在理論方面還沒有全面、深入的研究成果。本文介紹空間結(jié)構(gòu)的概念，

2、闡述了弦支穹頂?shù)陌l(fā)展背景、結(jié)構(gòu)分類及特點(diǎn)、研究現(xiàn)狀、在國(guó)內(nèi)的實(shí)例應(yīng)用現(xiàn)狀及要解決的關(guān)鍵問題等，為國(guó)內(nèi)的弦支穹頂結(jié)構(gòu)的發(fā)展、設(shè)計(jì)、應(yīng)用提供一些理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：弦支穹頂 ；工程應(yīng)用； 研究現(xiàn)狀弦支穹頂結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用一、空間結(jié)構(gòu)概述科技的發(fā)展在提高人們生活水平的同時(shí)，也促使人類在各領(lǐng)域不斷推陳出新挑戰(zhàn)新的極限，在建筑工程領(lǐng)域建筑物的跨度就被頻頻刷新。經(jīng)過(guò)兒十年的發(fā)展，各種類型大跨空間結(jié)構(gòu)在世界各國(guó)都得到了廣泛應(yīng)用，并且涌現(xiàn)出了許多新的結(jié)構(gòu)形式和造型，形成了各具特色的多樣化結(jié)構(gòu)體系，通?？臻g結(jié)構(gòu)按形式可分為五人類,即薄殼結(jié)構(gòu)(包括折板結(jié)構(gòu))、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)和膜結(jié)構(gòu)(包括充氣膜結(jié)構(gòu)和支承膜結(jié)構(gòu))

3、，其中薄殼結(jié)構(gòu)(包括折板結(jié)構(gòu))很好地利用了混凝土材料的抗壓性能，在空間結(jié)構(gòu)發(fā)展的早期應(yīng)用較多：如著名的羅馬小體育宮就是鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)，但是這種結(jié)構(gòu)的自重會(huì)隨著跨度的增人而顯著增加，并且在施工時(shí)需架設(shè)大量模板與腳手架，在使用中受到了很大限制，因此這種結(jié)構(gòu)便逐漸退出了歷史舞臺(tái)。而網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)能多向受力、空間剛度大、結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)、抗震性能好，是空間結(jié)構(gòu)的一類舉足輕重的形式，也是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最多、發(fā)展最快、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益較好的結(jié)構(gòu)，隨著我國(guó)綜合國(guó)力的提高。電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用及施卜技術(shù)的創(chuàng)新，網(wǎng)架與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用無(wú)論在使用數(shù)量!還是覆蓋面積上，都位于國(guó)際前列1。近兒年,其顯著特點(diǎn)是向更大跨度、

4、更大面積、更復(fù)雜體型和更多產(chǎn)量方面發(fā)展，尤其在工業(yè)廠房中網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的大面積應(yīng)用更為突出，目前跨度最大的單層網(wǎng)殼是日本的名一占盡體育館,跨度達(dá)到187m。奧運(yùn)會(huì)鳥巢體育場(chǎng)是微彎型不規(guī)則平面析架系結(jié)構(gòu),國(guó)家大劇院是雙層空腹網(wǎng)殼。這些建筑結(jié)構(gòu)新穎、規(guī)模宏人，成為了城市或國(guó)家的標(biāo)志性建筑為世人矚目。結(jié)構(gòu)形式的多樣化是空間結(jié)構(gòu)最突出的優(yōu)點(diǎn)之一，空間結(jié)構(gòu)能以其豐富的外形來(lái)滿足使用功能與建筑造型的要求。像澳大利亞悉尼歌劇院類似貝殼的殼體屋蓋至今還是空間結(jié)構(gòu)優(yōu)異形式的典范。目前,通常把豐富多彩的空間結(jié)構(gòu)分為如下這些類型:鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)：平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)和索一膜結(jié)構(gòu)。近年來(lái)國(guó)外用的較多

5、的索彎頂0(CableDom)e實(shí)際上也是一種特殊形式的索一膜結(jié)構(gòu)，混合結(jié)構(gòu)(HybridStructur)e,通常是柔性構(gòu)件和剛性構(gòu)件的聯(lián)合應(yīng)用,這種結(jié)構(gòu)形式也被稱為雜交結(jié)構(gòu)。在上述各種空間結(jié)構(gòu)類型中，鋼筋混凝土薄壁結(jié)構(gòu)在50年代后期及60年代前期在我國(guó)有所發(fā)展，當(dāng)時(shí)建造過(guò)一些中等跨度的球面殼、柱面殼、雙曲扁殼和扭殼，在理論研究方面還投入過(guò)許多力量，并制定了相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)程，但這種結(jié)構(gòu)類型應(yīng)用逐漸較少，主要原因是施工比較費(fèi)時(shí)費(fèi)事，平板網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，還包括一些未能單獨(dú)歸類的特殊形式：如折板式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、多平面型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、多層多跨框架式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等?？偲饋?lái)可稱為空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)在我國(guó)發(fā)展很快，

6、且持續(xù)不衰，發(fā)展較為成熟。懸索結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)和索一膜結(jié)構(gòu)等柔性體系均以張力來(lái)抵抗外荷載的作用，可總稱為張力結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)起步較晚但富有較好得發(fā)展前景。本文所研究的結(jié)構(gòu)形式為空間網(wǎng)格和張力結(jié)構(gòu)組合而成的一種新型雜交結(jié)構(gòu)形式2。 “雜交”構(gòu)相對(duì)說(shuō)來(lái)是一個(gè)比較新的名詞，本文中它是指不同類型結(jié)構(gòu)一的組合而形成一種新的結(jié)構(gòu)體系“雜交”結(jié)構(gòu)在1986年的大阪國(guó)際會(huì)議上曾是一個(gè)熱門話題，它最大的優(yōu)點(diǎn)是充分利用某種類型結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)處來(lái)避免或抵消另一種與之組合的結(jié)構(gòu)的短處，改進(jìn)了整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的受力性能，從而可以更經(jīng)濟(jì)、更合理地跨越大空間：如由預(yù)應(yīng)力索和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)雜交組合成預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、斜拉網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和懸掛網(wǎng)架結(jié)構(gòu):由拱

7、結(jié)構(gòu)和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)組合成拱網(wǎng)架結(jié)構(gòu);另外還有張弦梁結(jié)構(gòu)弦支彎頂?shù)入s交結(jié)構(gòu).在大多雜交結(jié)構(gòu)中,起著重要作用的結(jié)構(gòu)元素是索!桿和膜柔性索在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用,能更好得以體現(xiàn)結(jié)構(gòu)布置的靈活性和良好的受力性能,首先,與一般構(gòu)件(如網(wǎng)架用鋼管)相比,無(wú)論在結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)成,或是加工制作,都允許采用較長(zhǎng)的索,索長(zhǎng)度的任意性,可以減少結(jié)構(gòu)組成單元數(shù)量和節(jié)點(diǎn);其次,索的強(qiáng)度較一般普通鋼材高七倍以上,因而其自重輕而強(qiáng)度高;再次,索體積小,形狀柔性,便于運(yùn)輸折疊.但是,索只能承受拉力,而不能承受壓力,所以為保證索能正常工作,必須施加足夠的預(yù)張力4。二、弦支穹頂結(jié)構(gòu)的發(fā)展本文所研究的對(duì)象為一種新型雜交結(jié)構(gòu)體系一一弦支育頂結(jié)構(gòu)(S

8、uspen一Dome)該結(jié)構(gòu)是日本法政大學(xué)的力口衛(wèi)(M.Kwagauchi)教授等學(xué)者和工程師于二十世紀(jì)九十年代發(fā)展的一種新型結(jié)構(gòu)形式.（一）弦支穹頂結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生弦支穹頂結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生是基于對(duì)單層網(wǎng)殼和索穹頂兩種結(jié)構(gòu)缺陷的研究,立足于張拉整體的概念,并將索穹頂?shù)囊恍┧悸窇?yīng)用于單層網(wǎng)殼而形成的一種雜交空間結(jié)構(gòu)形式。到目前為止,網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)理論已相對(duì)成熟,無(wú)疑網(wǎng)殼有許多優(yōu)點(diǎn),但也存在一些無(wú)法回避的缺點(diǎn):在發(fā)展新型大跨度房屋屋頂體系的實(shí)踐中,存在著一個(gè)矛盾,那就是隨著建筑跨度的增大不可避免地帶來(lái)屋面系統(tǒng)自重的增大,單層網(wǎng)殼剛度太小,已難以滿足大跨度屋面的要求,同時(shí)單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的存在,使得桿件中的應(yīng)力值

9、通常僅為設(shè)計(jì)值的五分之一左右,遠(yuǎn)沒有發(fā)揮材料的強(qiáng)度雙層網(wǎng)殼雖然一定程度上克服了上述缺點(diǎn),但由于桿件稠密對(duì)周邊支承環(huán)梁推力較大、用鋼指標(biāo)欠佳而難以滿足社會(huì)的需要8。近些年發(fā)展起來(lái)的張拉整體結(jié)構(gòu)體系,可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自重不隨跨度的增大而線性增長(zhǎng),從而使結(jié)構(gòu)在相同的跨度下自重大大減輕,較從前的結(jié)構(gòu)形式經(jīng)濟(jì)了許多。同時(shí),張拉整體結(jié)構(gòu)還可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)多種造型,滿足建筑上美觀的要求。盡管對(duì)它的研究很多,但成果多體現(xiàn)為論文和資料,真正的實(shí)際工程并不多。到上實(shí)際八十年代后期,類張拉整體結(jié)構(gòu)的索育頂結(jié)構(gòu)取得重大成功之后,張拉整體結(jié)構(gòu)才真正得到應(yīng)有的重視，然而,索穹頂?shù)陌l(fā)展并沒有解決下述矛盾。索穹頂結(jié)構(gòu)屬于典型的柔性

10、結(jié)構(gòu),它本身沒有什么剛度,而是要通過(guò)對(duì)索施加非常大的預(yù)應(yīng)力而強(qiáng)行將曲梁和撐桿繃在一起而形成剛度,因此呈現(xiàn)出明顯的動(dòng)態(tài)超靜定結(jié)構(gòu)的特性,結(jié)構(gòu)的各組件被綁成一體,牽一體而動(dòng)全身,如果其中有組件出現(xiàn)屈服或破壞,則整個(gè)結(jié)構(gòu)將崩潰。而且,這種結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中張拉成形將遇到很大的困難。根據(jù)以上研究,日本法政大學(xué)的川口衛(wèi)教授等學(xué)者將張拉整體體系與單層網(wǎng)殼體系雜交而形成一種新的結(jié)構(gòu)形式,即弦支穹頂結(jié)構(gòu),并對(duì)其進(jìn)行了初步的理論和試驗(yàn)研究,取得了良好的效果3.（二）弦支穹頂結(jié)構(gòu)分類本文認(rèn)為弦支彎頂結(jié)構(gòu)的類型可以由以下幾種特征來(lái)劃分。1、按照上部結(jié)構(gòu)即單層網(wǎng)殼的網(wǎng)格劃分來(lái)可以有肋環(huán)型(圖1-13(c)、聯(lián)方型（圖1

11、-14(c)、Kiwitt型(圖1-15(c)、短程線型和施威德勒型等:2、按照下部索桿體系的布置形式劃分可以有肋環(huán)型Geiger)型(圖1-13 (b)、聯(lián)方(Levy)型(圖l-14(b)和Kiwitt型(圖l-15(b)等;（三）弦支穹頂結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)從弦支穹頂結(jié)構(gòu)的兩種來(lái)源上都可以看出弦支穿頂結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。從結(jié)構(gòu)體系上看,由于弦支穹頂結(jié)構(gòu)是由單層網(wǎng)殼穹頂和弦支體系(張力結(jié)構(gòu))組合而形成的自平衡體系,與單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)及索穹頂?shù)热嵝越Y(jié)構(gòu)相比,具有如下特點(diǎn):1、弦支穹項(xiàng)是一種異鋼種預(yù)應(yīng)力雜交空間結(jié)構(gòu)體系,其中高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力拉索的引入使鋼材強(qiáng)度的利用更加充分,結(jié)構(gòu)自重因此而降低,同時(shí)可以使結(jié)構(gòu)跨越更大的

12、跨度;2、通過(guò)對(duì)索施加預(yù)應(yīng)力,上部單層網(wǎng)殼將產(chǎn)生與荷載作用反向的變形和內(nèi)力,從而使結(jié)構(gòu)在荷載作用下上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的相對(duì)變形小于相應(yīng)的單層網(wǎng)殼,使其具有更大的變形儲(chǔ)備;聯(lián)系索與梁之間的撐桿對(duì)于單層網(wǎng)殼起到了彈性支撐的作用,可以減小單層網(wǎng)殼桿件的內(nèi)力,調(diào)整體系的內(nèi)力分布,降低內(nèi)力幅值;從張拉整體強(qiáng)化單層網(wǎng)殼的角度出發(fā),張拉整體結(jié)構(gòu)部分不僅增強(qiáng)了總體結(jié)構(gòu)的剛度,還大大提高了單層網(wǎng)殼部分的穩(wěn)定性:因此,跨度可以做得較大5。3、弦支穹頂在力學(xué)上最明顯的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是,結(jié)構(gòu)對(duì)邊界約束要求的降低。因?yàn)閯傂陨舷覍拥木W(wǎng)殼對(duì)周邊施以(水平向)外推力,而柔性的張拉整體下部對(duì)邊界產(chǎn)生(水平向)內(nèi)拉力,組合起來(lái)后二者可

13、以相互抵消。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零。4、弦支穹頂由于其剛度相對(duì)于索育頂?shù)膭偠纫蟮枚?使屋面材料更容易與剛性材料相匹配,因此其屋面覆蓋材料可以采用剛性材料,如壓型彩鋼板、混凝土預(yù)制或現(xiàn)澆板等的屋面結(jié)構(gòu)。與膜材料等柔性屋面材料相比,剛性屋面材料具有建筑造價(jià)低、施工連接工藝成熟和保溫遮陽(yáng)性能相對(duì)較好等優(yōu)點(diǎn)。5、施工張拉過(guò)程比索穹頂結(jié)構(gòu)等得到較大的簡(jiǎn)化。上部單層網(wǎng)殼為幾何不變體系,可以作為施工時(shí)的支架,預(yù)應(yīng)力拉索可以簡(jiǎn)單地通過(guò)調(diào)節(jié)撐桿長(zhǎng)度或斜索長(zhǎng)度而獲得張拉,施工變得簡(jiǎn)單和方便易行。從索育頂?shù)慕嵌瘸霭l(fā),雖然索穹頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)效能比較高,但其施工卻有一定

14、難度,包括喬治亞彎頂(GcogiaDome)在內(nèi)的一些索穹頂工程建設(shè)中都發(fā)生過(guò)人員的傷亡事故,主要因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)在施加預(yù)應(yīng)力前后剛度的巨大變化。因此,用剛性的上弦層取代柔性的上弦索,可以使施工大為簡(jiǎn)化,從而大大降低了施工費(fèi)用6。（四） 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀弦支穹頂結(jié)構(gòu)是一種新型空間結(jié)構(gòu),到目前為止,國(guó)內(nèi)外對(duì)弦支彎頂?shù)难芯坎⒉皇呛芏?下面就目前研究及應(yīng)用現(xiàn)狀作簡(jiǎn)要介紹。在國(guó)際上,日本學(xué)者Yanlaguchi,Okada等在1987年的北京國(guó)際空間協(xié)會(huì)會(huì)議上所發(fā)表的論文中提到的張懸網(wǎng)殼 (TensgeriytDome)可以說(shuō)就是弦支穹頂結(jié)構(gòu)的雛形。后來(lái)日本法政大學(xué)的川口衛(wèi)教授等人,1993年在伊斯坦布爾國(guó)際空

15、間協(xié)會(huì)會(huì)議上發(fā)表了題為5弦支穹頂結(jié)構(gòu)介紹6(OnAStructureSystem-SUSUPEN一DOME0,)的論文,首次提出了弦支穹頂這個(gè)概念。在此后的幾年中,少.舊衛(wèi)教授等學(xué)者對(duì)弦支穹頂結(jié)構(gòu)又進(jìn)行了進(jìn)一步的理論和試驗(yàn)研究,其中包括:1994年進(jìn)行的弦支穹頂模型試驗(yàn);1997年在日本長(zhǎng)野的/聚會(huì)0彎頂所作的足尺靜力試驗(yàn)和足尺抗震試驗(yàn)等。在這些研究中,以1994年的模型試驗(yàn)較為完全地分析和測(cè)試了弦支彎頂結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能。試驗(yàn)對(duì)跨度3m矢高o.45m的弦支穹頂進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容主要包括模型桿件和連接的機(jī)械性能試驗(yàn),索的預(yù)拉力試驗(yàn),彈性加載試驗(yàn)和屈服荷載試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)索使用預(yù)拉力可以產(chǎn)

16、生預(yù)期的效果,如減小單層網(wǎng)殼對(duì)外層環(huán)梁的推力,調(diào)整單層網(wǎng)殼桿件內(nèi)力,提高單層網(wǎng)殼的結(jié)構(gòu)的整體承載力等9。在1997年的足尺試驗(yàn)中,以跨度200m、矢高30m的弦支育頂為例,對(duì)其在拉索預(yù)應(yīng)力和靜荷載作用下的靜力反應(yīng)進(jìn)行了理論分析,并將有預(yù)拉力的弦支穹頂，無(wú)預(yù)拉力的弦支彎頂，相應(yīng)的單層球面網(wǎng)殼的桿件內(nèi)力進(jìn)行了比較。結(jié)果表明具有預(yù)拉力的弦支彎頂徑向桿件內(nèi)力僅為單層球面網(wǎng)殼的一半,外圈環(huán)向桿件內(nèi)力也有降低,內(nèi)環(huán)桿件內(nèi)力相差不大。另外,對(duì)其進(jìn)行了地震反應(yīng)分析分析戶采用EL一cenrt波進(jìn)行了時(shí)程分析,與相應(yīng)單層網(wǎng)殼箱比,兩者的水平地震反應(yīng)基本相同,但是在在豎向地展荷載作用下,弦支穹頂?shù)臈U件動(dòng)內(nèi)力明顯小于

17、后者在國(guó)內(nèi),對(duì)弦一支穹頂結(jié)構(gòu)的研究起步較晚,最初由天津大學(xué)開始研究,隨后,浙江大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、昆明理工大學(xué)等高校先后投入研究中,并取得一定成果,一主要是以碩士論文的方式對(duì)弦支穹頂進(jìn)行了理論分析.天津大學(xué)在天津凱博公司的支持下進(jìn)行了模型實(shí)驗(yàn),定性的驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的合理性和可行性,對(duì)其進(jìn)行了靜力分析和穩(wěn)定性的初步研究,并開發(fā)出適合弦支彎頂結(jié)構(gòu)的新型節(jié)點(diǎn)。另外,我國(guó)也進(jìn)行了工程實(shí)踐,天津大學(xué)設(shè)計(jì)并建成了我國(guó)國(guó)內(nèi)第一座弦支穹頂一一天津開發(fā)區(qū)商務(wù)中心大堂,該穹頂跨度35.3m矢高4.6m,球面網(wǎng)殼采用焊接空心球剛性節(jié)點(diǎn),具有較大的剛度和穩(wěn)定性,拉索和撐桿組成的張拉體系,進(jìn)一步增大了弦支彎頂?shù)膭偠炔⒋蠓鶞p小

18、了對(duì)下部結(jié)構(gòu)的水平；北方交通大學(xué)的學(xué)者對(duì)弦支穹頂結(jié)構(gòu)也開展過(guò)設(shè)計(jì)以及實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)直徑 120m-500m的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，并于2002年建成了采用40m*60m的橢圓形張弦穹頂為屋蓋的鞍山體育中心，屋蓋鋼耗量?jī)H為22.7 kg/m2.三、弦支穹頂結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用近十余年間，弦支穹頂結(jié)構(gòu)已在國(guó)內(nèi)外近二十項(xiàng)大型工程中得到了應(yīng)用。 1 天津保稅中心大堂屋蓋(圖3.1)天津保稅區(qū)商務(wù)交流中心大堂弦支穹頂屋蓋建于2001 年，是國(guó)內(nèi)第一座弦支穹頂結(jié)構(gòu)，跨度35 4m，周邊支承于沿圓周布置的15 根鋼筋混凝土柱上。單層網(wǎng)殼桿件全部采用133 6; 撐桿采用89 4。下部張拉整體部分共布置5 道，由外及里

19、前兩道采用鋼絲繩6 19(24 5) ，后三道采用鋼絲繩6 19(21. 5) 。 圖3.1 天津保稅區(qū)商務(wù)交流中心 2 天津博物館天津博物館貴賓廳屋蓋為弦支穹頂結(jié)構(gòu)（圖3.2），跨度18 5m，矢高約1 3m。單層網(wǎng)殼桿件采用為76 3 7，采用焊接球節(jié)點(diǎn)。下部張拉整體部分為三圈，處于防火和安全考慮，最終采用了剛性弦支穹頂，拉索全部采用鋼管代替，其中最外圈徑向拉桿和所有的環(huán)向拉桿采用48 3 5，次外圈和內(nèi)圈徑向拉桿采用60 3.5。弦支穹頂結(jié)構(gòu)支承在鋼筋混凝土環(huán)形梁上。圖3.2天津博物館貴賓廳屋蓋為弦支穹頂結(jié)構(gòu)3 2008 北京奧運(yùn)會(huì)羽毛球館2008 北京奧運(yùn)會(huì)羽毛球館2008 奧運(yùn)會(huì)羽毛

20、球館屋蓋采用了弦支穹頂結(jié)構(gòu)（圖3.3），單層網(wǎng)殼的平面形狀為圓形，直徑為93m，矢高11m，矢跨比為1 /11. 6，較標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)殼矢跨比( 1 /8 1 /10) 偏低，網(wǎng)殼由12 圈環(huán)向桿件和56 組徑向桿件組成，第1 至第4 環(huán)及第5 至第12 環(huán)為葵花型網(wǎng)殼，第4、5 環(huán)間為過(guò)渡形式，網(wǎng)殼桿件截面為245 9 299 16，網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)主要采用焊接球節(jié)點(diǎn)，與撐桿連接的部位采用鑄鋼球節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)與桿件的連接全部為剛接。下部張拉整體部由5 圈環(huán)索和5 圈徑向拉桿以及104 根受壓撐桿組成，環(huán)索采用高強(qiáng)度鋼絲束，極限抗拉強(qiáng)度大于1670MPa，鋼絲束外包PE 防腐護(hù)層，鋼索尺寸為SNS /S7 199

21、 SNS /S5 61，徑向拉桿采用高強(qiáng)度鋼棒，極限抗拉強(qiáng)度為835MPa，鋼棒直徑為40 60mm，撐桿采用Q345B，截面尺寸為168 8。經(jīng)優(yōu)化后環(huán)索的預(yù)應(yīng)力為N1 = 3800kN，N2 = 1756kN，N3 =1394kN，N4 = 723kN，N5 = 561kN。 圖3.3 北京奧運(yùn)會(huì)羽毛球館 4 常州體育館（圖3.4）常州體育館采用了弦支穹頂結(jié)構(gòu)，屋面形狀為橢球形，橢圓長(zhǎng)軸119 9m，短軸79 9m，結(jié)構(gòu)矢高21. 45m。單層網(wǎng)殼中心部位的網(wǎng)格形式為凱威特型( K8) 、外圍部位的網(wǎng)格形式為聯(lián)方型。上部的單層網(wǎng)殼中桿件規(guī)格為245 8、245 10、245 12、351

22、10、351 12，網(wǎng)殼均采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)。下部張拉整體部分共布置6 環(huán)，索采用的是1670 級(jí)5 鍍鋅鋼絲雙護(hù)層扭絞型拉索，具體的拉索規(guī)格為5 55、5 85、5 199，初始預(yù)應(yīng)力由外及里分別為1750kN、1000kN、750kN、450kN、200kN、200kN。撐桿截面為121 8 的圓鋼管，撐桿與索系之間采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)連接，預(yù)應(yīng)力通過(guò)張拉環(huán)向索完成整個(gè)結(jié)構(gòu)通過(guò)24 個(gè)支座固定于下部混凝土環(huán)梁上 圖3.4常州體育館建筑效果圖 5 濟(jì)南奧體中心體育館濟(jì)南奧林匹克體育中心體育館屋蓋采用弦支穹頂結(jié)構(gòu)（圖3.5）。網(wǎng)格布置形式為凱維特型和葵花形內(nèi)外混合布置，跨度122m; 桿件采用圓鋼管，鋼管規(guī)

23、格主要為377 14 和377 16; 節(jié)點(diǎn)形式主要為鑄鋼節(jié)點(diǎn)和少量的插板式相貫節(jié)點(diǎn)，最外環(huán)支座節(jié)點(diǎn)為焊接球節(jié)點(diǎn)。下部張拉整體部分共布置3 環(huán)，環(huán)向索為平行鋼絲束，徑向鋼拉桿為鋼棒，另外局部設(shè)置構(gòu)造鋼棒，各環(huán)向索均為單索。撐桿采用圓鋼管，上端與網(wǎng)殼沿徑向單向鉸接，下端與索夾固接。圖3.5 濟(jì)南奧林匹克體育中心體育館屋蓋 6 茌平體育館弦支穹頂結(jié)構(gòu)茌平體育館屋蓋采用了弦支穹頂結(jié)構(gòu)（圖3.6）。單層網(wǎng)殼采用K6 網(wǎng)格形式，徑向劃分為20環(huán)，跨度108m，矢高25m，網(wǎng)殼構(gòu)件規(guī)格為203 6、219 7、245 7、273 8、299 8。下部張拉整體部分共設(shè)置7 圈，7道環(huán)向預(yù)應(yīng)力索的平均索力從外

24、到里依次為127kN、420kN、390kN、530kN、810kN、1242kN、2060kN。弦支穹頂周邊設(shè)置2 道橡膠支座，第1 道設(shè)置在倒數(shù)第5 道環(huán)向桿上，第2 道設(shè)置在最后1道環(huán)向桿上。體育館屋面結(jié)構(gòu)由輕型屋面和玻璃屋面兩種組成，拱撐桿下方為玻璃屋面，其余為輕型屋面。除以上工程外，弦支穹頂還在日本聚會(huì)穹頂和光丘穹頂、昆明柏聯(lián)商廈采光頂、武漢體育館、安徽大學(xué)體育館、連云港體育館、2011 年世界大學(xué)生夏季運(yùn)動(dòng)會(huì)的籃球分會(huì)場(chǎng)坪山體育館等多項(xiàng)工程中有應(yīng)用，因此弦支穹頂作為一種新型高效的結(jié)構(gòu)體系，具有巨大的應(yīng)用前景。 圖3.6茌平體育館建筑效果圖四、弦支穹頂結(jié)構(gòu)待解決的問題（一） 弦支穹頂

25、結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)研究弦支穹頂結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)研究包括兩個(gè)方面的內(nèi)容，即施工階段和使用階段。施工階段的溫度變化在某種程度上會(huì)引起溫度應(yīng)力，并且在預(yù)應(yīng)力張拉施工階段，會(huì)引起預(yù)應(yīng)力張拉誤差，使得最終得到的預(yù)應(yīng)力與設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力出現(xiàn)極大偏差。在弦支穹頂結(jié)構(gòu)的使用階段，季節(jié)溫差和日溫差的變化既可引起下部張拉整體部分的預(yù)應(yīng)力損失，又可直接在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生溫度變形和溫度應(yīng)力，因此弦支穹頂結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)要比單層網(wǎng)殼嚴(yán)重復(fù)雜的多，但是目前關(guān)于這方面的內(nèi)容卻鮮有文獻(xiàn)涉及。因此為保證弦支穹頂結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量和使用安全，必須對(duì)弦支穹頂結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)進(jìn)行充分的研究10。（二） 弦支穹頂結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)研究理想狀態(tài)下的弦支穹頂，其撐桿與上部

26、單層網(wǎng)殼的連接應(yīng)該是鉸接，而目前實(shí)際工程中大部分處于半剛性連接范疇，因此有必要對(duì)節(jié)點(diǎn)的半剛性對(duì)于結(jié)構(gòu)整體性能的影響進(jìn)行深入研究，并設(shè)計(jì)出滿足計(jì)算假定的撐桿上節(jié)點(diǎn); 另外對(duì)于弦支穹頂結(jié)構(gòu)的中索撐節(jié)點(diǎn)，其理想狀態(tài)應(yīng)該是施工張拉階段保證索與節(jié)點(diǎn)間的無(wú)摩擦滑移，在使用階段要保證索與索撐節(jié)點(diǎn)間不出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，而實(shí)際工程中卻難以實(shí)現(xiàn)，如2008 北京奧運(yùn)會(huì)羽毛球館相鄰索撐節(jié)點(diǎn)間由于摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失可達(dá)9%，因此設(shè)計(jì)出上述理想態(tài)的索撐節(jié)點(diǎn)是今后需進(jìn)一步深入研究的內(nèi)容之一。（三） 弦支穹頂索滑移模擬研究對(duì)于環(huán)索連續(xù)下弦支穹頂結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法，目前能考慮索撐節(jié)點(diǎn)摩擦的主要是變索原長(zhǎng)法，但此方法僅可研究靜力荷

27、載作用下結(jié)構(gòu)反應(yīng)，對(duì)于動(dòng)力荷載卻無(wú)能為力，因此有尋求一種既能考慮環(huán)索繞索撐節(jié)點(diǎn)滑移，又能考慮它們之間的相互摩擦影響的動(dòng)力分析是亟待解決的難題之一。（四） 超大跨度弦支穹頂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究目前世界上跨度最大的弦支穹頂結(jié)構(gòu)為濟(jì)南奧體中心，其跨度為122m; 對(duì)弦支穹頂結(jié)構(gòu)的研究也主要集中在中小跨度范圍內(nèi)，而索穹頂結(jié)構(gòu)的跨度已超過(guò)200m，因此為進(jìn)一步推廣弦支穹頂結(jié)構(gòu)在超大跨度結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，必須對(duì)此進(jìn)行充分的研究11。（五） 弦支穹頂結(jié)構(gòu)索力的測(cè)試及其補(bǔ)償技術(shù)研究在弦支穹頂結(jié)構(gòu)的施工和使用過(guò)程中，由于環(huán)境溫度變化和荷載條件的變化以及索的徐變、蠕變等原因，預(yù)應(yīng)力索的內(nèi)力勢(shì)必會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響弦支穹頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)性能，因此為保證弦支穹頂結(jié)構(gòu)健康使用，必須解決兩個(gè)問題: ( 1) 預(yù)應(yīng)力索中索力的精確測(cè)量技術(shù); ( 2) 預(yù)應(yīng)力索的預(yù)應(yīng)力補(bǔ)償技術(shù)。五 結(jié) 論 ( 一) 弦支穹頂結(jié)構(gòu)是一種高效的預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)形式，其靜動(dòng)力性能均比相應(yīng)的單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)優(yōu)越許多，且