弦支屋頂結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用

弦支屋頂結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系是近年來大體積結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最為廣泛的一種新的預(yù)測網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系。在弦支結(jié)構(gòu)體系中,現(xiàn)代的弦支梁或桁架(也稱為張弦梁或張弦桁架)是出現(xiàn)最早的一種弦支結(jié)構(gòu),早在19世紀(jì)就應(yīng)用于橋梁等結(jié)構(gòu)之中,之后的20世紀(jì)80年代,日本大學(xué)斎藤公男(M.Saitoh)教授對其進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。繼弦支梁或者桁架提出之后,日本法政大學(xué)川口衛(wèi)(M.Kawaguchi)教授于1993年提出了Suspendome(弦支穹頂,筆者研譯)。天津大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究所從1998年開始,在研究弦支梁、弦支桁架和弦支穹頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)性能基礎(chǔ)上,研究和歸納了這兩類結(jié)構(gòu)形式的本質(zhì),即用撐桿連接上部壓彎構(gòu)件和下部的受拉構(gòu)件,通過在受拉構(gòu)件上施加預(yù)應(yīng)力,使上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反撓度,從而減小荷載作用下的最終撓度,改善上部構(gòu)件的受力形式,并通過調(diào)整受拉構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力,減小結(jié)構(gòu)對支座產(chǎn)生的水平推力,使之成為自平衡體系,并將這種自平衡體系統(tǒng)稱為弦支結(jié)構(gòu)體系。筆者的課題組在研究弦支結(jié)構(gòu)體系本質(zhì)的基礎(chǔ)上,相繼提出了弦支筒殼結(jié)構(gòu)、弦支拱殼結(jié)構(gòu)、弦支混凝土樓板結(jié)構(gòu)、弦支鋼絲網(wǎng)架混凝土夾芯板結(jié)構(gòu)等多種弦支結(jié)構(gòu),豐富了弦支結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)容。弦支穹頂結(jié)構(gòu)是弦支結(jié)構(gòu)體系中結(jié)構(gòu)效能高、應(yīng)用較為廣泛的一種弦支結(jié)構(gòu),它是通過在單層網(wǎng)殼的下部設(shè)置豎向撐桿、徑向拉索和環(huán)向拉索形成的一種具有較強(qiáng)跨越能力的弦支結(jié)構(gòu)(圖1)。由于撐桿和拉索的設(shè)置,上部單層網(wǎng)殼的整體剛度得到了提高,進(jìn)而提高了單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性;通過在拉索中引入預(yù)應(yīng)力,使得單層網(wǎng)殼產(chǎn)生反撓度,減小了上部單層網(wǎng)殼在荷載作用下的最終撓度和對支座的水平推力。弦支穹頂結(jié)構(gòu)自1993年由原國際薄殼與空間結(jié)構(gòu)學(xué)會主席川口衛(wèi)教授提出其結(jié)構(gòu)思想以來,國內(nèi)外學(xué)者通過試驗和理論分析對其結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了深入研究,完成了近20項工程應(yīng)用,結(jié)合這些工程實例和筆者課題組十多年來的研究成果,本文對弦支穹頂?shù)难芯亢蛻?yīng)用技術(shù)等進(jìn)行分析總結(jié)。2目前，對復(fù)合屋頂結(jié)構(gòu)的研究國內(nèi)外對弦支穹頂結(jié)構(gòu)的研究內(nèi)容涉及結(jié)構(gòu)形態(tài)分析、初始預(yù)應(yīng)力設(shè)計、靜動力性能、結(jié)構(gòu)的施工控制理論等方面。2.1弦支部分形態(tài)分析形態(tài)分析是基于柔性張拉結(jié)構(gòu)的設(shè)計提出的,是力平衡分析的逆過程。國內(nèi)外對柔性結(jié)構(gòu)的形態(tài)分析研究較多,且較為成熟。而弦支穹頂結(jié)構(gòu)不同于柔性結(jié)構(gòu),其未施加預(yù)應(yīng)力之前已有一定的剛度,因此對其形態(tài)分析研究較少。郭云對弦支穹頂結(jié)構(gòu)形態(tài)分析進(jìn)行了初步研究,提出修正的張力補(bǔ)償法來解決形態(tài)問題;郭佳民將弦支穹頂結(jié)構(gòu)形態(tài)分析歸納為找形、找力、找形+找力3大類型,并提出了基于牛頓法的計算流程。張力補(bǔ)償法思路清晰,易于編程實現(xiàn),但收斂速度較慢,而基于牛頓法的迭代算法,編程較為復(fù)雜,但是收斂速度較張力補(bǔ)償法快,實際工程中應(yīng)用較多的是修正的張力補(bǔ)償法。2.2基于anasis優(yōu)化模塊的預(yù)應(yīng)力設(shè)計方法在弦支穹頂結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力設(shè)計中,通常有兩個原則:(1)在恒荷載和0.5倍的活荷載作用下結(jié)構(gòu)的支座反力最小;(2)在恒荷載和0.5倍的活荷載作用下弦支穹頂上部單層網(wǎng)殼的桿件應(yīng)力的峰值最小。為了實現(xiàn)上述目標(biāo),結(jié)合工程應(yīng)用,提出了如下幾種預(yù)應(yīng)力設(shè)計方法:(1)試算法;(2)基于力學(xué)平衡原理的簡化公式;(3)局部分析法;(4)遺傳優(yōu)化算法;(5)ANSYS優(yōu)化模塊。上述5種方法工程中都有使用,其中試算法思路簡單,容易理解,適用于僅布置單圈環(huán)索的弦支穹頂結(jié)構(gòu),而對于布置多圈環(huán)索的情況,其效率往往很低,且通常找到的不是預(yù)應(yīng)力的最優(yōu)解,是在弦支穹頂結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用的初期階段進(jìn)行預(yù)應(yīng)力設(shè)計的一種方法,主要的工程應(yīng)用實例是日本光丘穹頂和聚會穹頂。基于力學(xué)平衡原理的簡化公式是伴隨國內(nèi)第1座弦支穹頂——天津市保稅區(qū)國際商務(wù)交流中心大堂屋蓋(2001年建成)的設(shè)計提出的這種方法較試算法效率提高了很多,且具有一定的精度,因此在國內(nèi)弦支穹頂工程設(shè)計中得到推廣,并且已經(jīng)寫入地方標(biāo)準(zhǔn)。局部分析法也屬于一種簡化計算方法,其計算精度要比方法(2)高,但是要比方法(2)復(fù)雜,其已在濟(jì)南奧體中心體育館中得到應(yīng)用。基于遺傳優(yōu)化算法和ANSYS優(yōu)化模塊的預(yù)應(yīng)力設(shè)計方法需要利用軟件并編寫一定的程序,因此需要設(shè)計人員具有一定的有限元基礎(chǔ)和優(yōu)化理論基礎(chǔ),所以這兩種方法通常在高校和科研機(jī)構(gòu)配合設(shè)計單位進(jìn)行預(yù)應(yīng)力設(shè)計時采用。綜上所述,本文建議今后進(jìn)行預(yù)應(yīng)力設(shè)計時,可首先通過方法(2)確定一組接近最優(yōu)解的預(yù)應(yīng)力數(shù)值,然后應(yīng)用方法(5)進(jìn)行精確的預(yù)應(yīng)力優(yōu)化設(shè)計。2.3弦支部分結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定穩(wěn)定性研究川口衛(wèi)教授最早對該體系進(jìn)行了一系列理論分析和試驗研究。文獻(xiàn)采用兩個相同的弦支穹頂模型和一個相應(yīng)的單層球面網(wǎng)殼模型(跨度3m;矢高0.45m)進(jìn)行了對比試驗,試驗結(jié)果和有限元分析都表明:(1)弦支穹頂中外圈環(huán)向桿件內(nèi)力僅為單層網(wǎng)殼的1/3,而徑向桿件內(nèi)力減小近一半;(2)弦支穹頂結(jié)構(gòu)臨界荷載約為相應(yīng)單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的1.5倍,破壞時的變形也明顯小于單層球面網(wǎng)殼,屈曲位置更靠近穹頂中心。文獻(xiàn)以跨度為200m、矢高為30m的假想弦支穹頂結(jié)構(gòu)為例,對其在拉索預(yù)應(yīng)力和靜荷載作用下的靜力反應(yīng)進(jìn)行了比較,結(jié)果表明,具有預(yù)應(yīng)力的弦支穹頂徑向桿件內(nèi)力僅為單層網(wǎng)殼的一半,外圈環(huán)向桿件也有較大幅度的降低,內(nèi)圈環(huán)向桿件則相差不大;采用時程分析法對聚會穹頂進(jìn)行了地震反應(yīng)分析,并與相應(yīng)單層網(wǎng)殼進(jìn)行了對比,得出二者水平地震反應(yīng)基本相同,而豎向地震作用下弦支穹頂明顯優(yōu)于單層網(wǎng)殼。天津大學(xué)建工學(xué)院鋼結(jié)構(gòu)及空間結(jié)構(gòu)教研室于1998年在國內(nèi)較早開始對弦支穹頂結(jié)構(gòu)的研究。文獻(xiàn)在論述力學(xué)原理的基礎(chǔ)上提出了預(yù)應(yīng)力設(shè)計公式,研究了預(yù)應(yīng)力水平對結(jié)構(gòu)極限荷載的影響,同時提出了一種外圈加強(qiáng)弦支穹頂結(jié)構(gòu),并將其與單層網(wǎng)殼、一般弦支穹頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對比分析,得出外圈加強(qiáng)弦支穹頂可有效消除支座的水平推力,但是不能有效地提高弦支穹頂結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力。文獻(xiàn)對聯(lián)方型弦支穹頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究:(1)提出了二階段分析法;(2)撐桿較長有利于增大抵抗力并避免環(huán)向拉索的松弛;(3)指出不對稱荷載工況時有必要對拉索的松弛進(jìn)行專門校核分析和對淺平弦支穹頂?shù)睦黝A(yù)應(yīng)力應(yīng)進(jìn)行專項分析等結(jié)論。文獻(xiàn)研究了弦支穹頂對索的敏感性,得出靜力性能對環(huán)索的敏感程度由外及里依次減小,并得出環(huán)索索力對結(jié)構(gòu)的靜力性能影響極大,但是對動力性能影響極小的結(jié)論。文獻(xiàn)分別對剛性弦支穹頂和半索半桿弦支穹頂進(jìn)行了實物加載試驗研究,得出了其基本力學(xué)特性。文獻(xiàn)采用冷凍升溫法研究了滑索滑移下結(jié)構(gòu)的靜力性能,得出不均勻荷載作用下環(huán)索滑索可有效改善下部索撐體系的受力性能,同時又不過大影響上部單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。文獻(xiàn)對弦支穹頂?shù)姆€(wěn)定性進(jìn)行了研究,得出以下結(jié)論(1)弦支穹頂結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力及對初始缺陷的敏感性遠(yuǎn)優(yōu)于相應(yīng)的單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu);(2)預(yù)應(yīng)力、撐桿長度和拉索截面對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力影響很大。文獻(xiàn)指出材料非線性和索撐節(jié)點(diǎn)構(gòu)造造成的預(yù)應(yīng)力損失對弦支穹頂結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性有較大影響。文獻(xiàn)研究表明施工偏差概率法能夠充分展現(xiàn)初始幾何缺陷對弦支穹頂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的影響。文獻(xiàn)通過試驗得出半跨荷載作用下結(jié)構(gòu)的極限荷載明顯低于全跨荷載下的極限荷載。文獻(xiàn)對其動力穩(wěn)定性進(jìn)行了初步研究,提出了基于B2R運(yùn)動準(zhǔn)則的改進(jìn)判別方法,以此為基礎(chǔ)結(jié)合結(jié)構(gòu)的時程響應(yīng)曲線判定弦支穹頂結(jié)構(gòu)的動力穩(wěn)定性,研究表明,不同地震作用下結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)形態(tài)不同,矢跨比對結(jié)構(gòu)動力穩(wěn)定性能的影響不同;矢跨比不同,對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性起控制作用的地震作用分量不同;地震加速度接近臨界值時,一些拉索開始逐步退出工作狀態(tài),但在振動過程中可能重新產(chǎn)生張拉力。文獻(xiàn)采用環(huán)境激勵法和錘擊了激勵法對結(jié)構(gòu)的不同施工階段進(jìn)行了實物動力試驗,得出了弦支穹頂結(jié)構(gòu)基頻較大、振型密集、整體性能好等結(jié)論,并對比分析了弦支穹頂施工兩階段動力特性的差異。文獻(xiàn)通過奧運(yùn)會羽毛球館模型動力試驗得出了弦支穹頂結(jié)構(gòu)頻率密集、周期較長、以豎直方向振動為主,振型大部分為正對稱或反對稱形態(tài),以及結(jié)構(gòu)阻尼比在0.02～0.03之間等結(jié)論。文獻(xiàn)在分析弦支穹頂自振特性的基礎(chǔ)上,對其抗風(fēng)和抗震性能進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)指出矢跨比和撐桿長度是抗震設(shè)計的主要控制參數(shù)。文獻(xiàn)通過對比脈動荷載和地震荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)發(fā)現(xiàn)風(fēng)荷載的動力效應(yīng)要比地震荷載顯著。2.4循環(huán)前進(jìn)法弦支穹頂結(jié)構(gòu)的施工全過程分析及其施工控制理論分析是其實現(xiàn)的關(guān)鍵過程之一,也是目前研究的熱點(diǎn)。國內(nèi)外針對此問題提出了多種理論,并分別在不同的工程中得到了應(yīng)用和驗證。文獻(xiàn)提出了張力補(bǔ)償法來確定預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中索的施工張力控制值,根據(jù)此方法可一次將索力張拉到位。文獻(xiàn)提出了循環(huán)前進(jìn)法,其能夠精確計算出結(jié)構(gòu)的幾何非線性、后批預(yù)應(yīng)力筋張拉對前批預(yù)應(yīng)力筋張力的損失以及其它因素的影響。文獻(xiàn)通過理論分析和現(xiàn)場實測的方法研究了索撐節(jié)點(diǎn)處由摩擦導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力損失的計算方法。文獻(xiàn)分析了支承結(jié)構(gòu)和溫度變化對結(jié)構(gòu)施工張拉的影響,得出支座鉸接與固接假定對結(jié)構(gòu)計算分析影響不大、考慮支承結(jié)構(gòu)剛度后溫度變化對施工張拉影響較小等結(jié)論。文獻(xiàn)提出了變索原長法分析索撐節(jié)點(diǎn)處的預(yù)應(yīng)力摩擦損失的相關(guān)理論。文獻(xiàn)提出了位移補(bǔ)償計算法對結(jié)構(gòu)的誤差狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整計算,對于結(jié)構(gòu)存在力誤差及幾何誤差兩類誤差狀態(tài),計算得到索張力調(diào)整控制值,實際施工中依照此值對索進(jìn)行分批張拉即可完成結(jié)構(gòu)索力的施工調(diào)整。文獻(xiàn)結(jié)合實際工程,分析了預(yù)應(yīng)力張拉施工的要點(diǎn)及其注意事項。2.5模型試驗對我國結(jié)構(gòu)技術(shù)研究的領(lǐng)先地位在弦支穹頂結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用過程中,為了對設(shè)計方案和理論分析進(jìn)行驗證,共完成了7個模型試驗和2個實物加載試驗,如表1所示。從模型試驗的完成單位來看,主要集中在國內(nèi),這說明我國在弦支穹頂結(jié)構(gòu)技術(shù)研究方面處于領(lǐng)先地位。另外模型試驗和實物試驗的結(jié)果驗證了弦支穹頂結(jié)構(gòu)是一種高效的結(jié)構(gòu)體系,其穩(wěn)定承載力要比相應(yīng)的單層網(wǎng)殼提高50%左右。3中國觀念在弦支頂設(shè)計方案上的運(yùn)用,在一般意義上,中國成為了世界之最弦支穹頂結(jié)構(gòu)已在近20項工程中(表2中列出18項)得到應(yīng)用。隨著施工技術(shù)的日趨成熟,弦支穹頂概念也不斷得到延伸,形式也越來越多樣化。上部單層網(wǎng)殼由最初的球形延伸到了橢球形(武漢市體育中心體育館和常州市體育館)、正六邊形(安徽大學(xué)體育館)、近似三角形(渝北體育館);下部張拉整體部分的布置也由最初的一圈發(fā)展到多圈,由最初環(huán)索與撐桿數(shù)目1∶1發(fā)展到如今非1∶1的情況(大連市體育館和南沙體育館);隨著分析設(shè)計理論和施工技術(shù)的完善,跨度也由最初日本光丘穹頂?shù)?5m發(fā)展到現(xiàn)在的濟(jì)南市奧體中心體育館的122m(日本方案設(shè)計已達(dá)到200m)。從上述弦支穹頂結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用上來看,弦支穹頂結(jié)構(gòu)的確是一種高效的大跨度結(jié)構(gòu)體系,并且已經(jīng)得到了科研教學(xué)、設(shè)計、施工等業(yè)界的認(rèn)可。在實際的工程應(yīng)用中,無論是在數(shù)量上還是跨度上,中國都已成為世界之最。對于一個工程而言,其節(jié)點(diǎn)的選型與設(shè)計、施工方案的制定是建造一個新型結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵,結(jié)合目前應(yīng)用的近20項工程,對這兩個關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)和分析。3.1節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的一般規(guī)律對于新型預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)體系,能否從現(xiàn)有的節(jié)點(diǎn)形式中找到或設(shè)計出經(jīng)濟(jì)、適用的節(jié)點(diǎn),對它的性能、制作安裝、用鋼量指標(biāo)及工程造價等都有直接的影響。節(jié)點(diǎn)的好壞,有時可能是決定某種新型結(jié)構(gòu)能否實現(xiàn)的一個關(guān)鍵因素。對于弦支穹頂結(jié)構(gòu)而言,其節(jié)點(diǎn)設(shè)計存在兩個難點(diǎn):(1)撐桿上節(jié)點(diǎn)。在弦支穹頂結(jié)構(gòu)的概念中,撐桿與上節(jié)點(diǎn)的合理連接方式是萬向鉸接;(2)撐桿下節(jié)點(diǎn)。撐桿下節(jié)點(diǎn)是弦支穹頂中撐桿、徑向拉桿和環(huán)向拉索的匯交點(diǎn),受力比較復(fù)雜,且節(jié)點(diǎn)構(gòu)造某種程度上影響了弦支穹頂結(jié)構(gòu)的張拉方案。弦支穹頂結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造伴隨著工程的不斷應(yīng)用,不斷的得到改進(jìn)和完善。對于撐桿上節(jié)點(diǎn)而言,根據(jù)工程中節(jié)點(diǎn)構(gòu)造可將其分為兩類:徑向釋放型和鉸接型。國內(nèi)前幾座弦支穹頂結(jié)構(gòu)撐桿上節(jié)點(diǎn)均屬于徑向索釋放型,典型的徑向釋放型節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖2所示濟(jì)南奧體中心體育館撐桿上節(jié)點(diǎn)。隨著工程的不斷應(yīng)用,撐桿上節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造技術(shù)不斷得到改進(jìn)和完善,逐漸開始應(yīng)用鉸接節(jié)點(diǎn),工程中有兩種典型的鉸接節(jié)點(diǎn):一種是圖3所示的2008北京奧運(yùn)會羽毛球館使用的球鉸萬向可調(diào)撐桿上節(jié)點(diǎn);另一種如圖4所示的山東茌平體育館使用的半球鉸萬向可調(diào)撐桿上節(jié)點(diǎn)。鉸接型節(jié)點(diǎn)實現(xiàn)了撐桿與上部單層網(wǎng)殼之間的鉸接假定,是一種合理的節(jié)點(diǎn)形式,建議今后設(shè)計弦支穹頂工程時參考采用。對于撐桿下節(jié)點(diǎn)而言,基本可根據(jù)環(huán)向索的連續(xù)與否,將其分為連續(xù)型和間斷型兩個基本類型。弦支穹頂結(jié)構(gòu)大部分工程都采用了連續(xù)型節(jié)點(diǎn),因為使用連續(xù)型節(jié)點(diǎn)后,環(huán)索索頭的加工數(shù)量減少,進(jìn)而減小了工程的工作量和工程造價,深受建設(shè)單位和設(shè)計單位的喜愛,典型的連續(xù)型節(jié)點(diǎn)形式如圖5所示。相反,對于間斷型撐桿下節(jié)點(diǎn),由于環(huán)索索頭的加工數(shù)量多,工程造價會增加,因此這種節(jié)點(diǎn)很少在工程中應(yīng)用,到目前為止,工程中只有安徽大學(xué)體育館采用了這種節(jié)點(diǎn),如圖6所示。在連續(xù)型撐桿下節(jié)點(diǎn)的工程應(yīng)用中,逐漸發(fā)現(xiàn)通過張拉環(huán)向索施加預(yù)應(yīng)力時,由于環(huán)索與撐桿下節(jié)點(diǎn)之間的滑移摩擦,引起了較大的預(yù)應(yīng)力損失,因此為解決此問題,提出了帶滾軸的滑動式連續(xù)型節(jié)點(diǎn),典型的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖7所示。這種節(jié)點(diǎn)形式既繼承了連續(xù)型撐桿下節(jié)點(diǎn)索頭加工數(shù)量少的優(yōu)點(diǎn),又解決了施工張拉過程中由于環(huán)索與節(jié)點(diǎn)之間摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失問題,建議在今后弦支穹頂結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用。3.2頂升撐桿法的應(yīng)用對于弦支穹頂結(jié)構(gòu)而言,其預(yù)應(yīng)力張拉施工是一個難點(diǎn),也是一個關(guān)鍵點(diǎn)。到目前為止,工程中先后提出了頂升撐桿、張拉環(huán)索和張拉徑向索等3種預(yù)應(yīng)力施加方法。頂升撐桿法是在弦支穹頂結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用初期使用的一種預(yù)應(yīng)力施加方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是:(1)撐桿的張拉力較小,可減小張拉裝置的噸位;(2)撐桿張拉以自身結(jié)構(gòu)作為反力架,無需另外增加反力架。早期弦支穹頂?shù)目缍容^小,且通常僅設(shè)置一環(huán)張拉整體體系,因此早期的弦支穹頂結(jié)構(gòu)撐桿數(shù)量少,預(yù)應(yīng)力水平低,頂升撐桿施加預(yù)應(yīng)力的方法就成為施加預(yù)應(yīng)力的首選方案。典型的工程實例是日本的光丘穹頂和聚會穹頂和國內(nèi)的天津保稅區(qū)國際商務(wù)交流中心大堂屋蓋。隨著弦支穹頂結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展和完善,其跨度越來越大,張拉整體部分也越來越多,因此撐桿預(yù)應(yīng)力水平也越來越高,撐桿的數(shù)量也越來越多。這樣頂升撐桿施加預(yù)應(yīng)力的缺點(diǎn)就越來越顯著:(1)撐桿的數(shù)量較多,所需要的張拉設(shè)備較多,一般不能實現(xiàn)同圈撐桿的同步張拉;(2)施工結(jié)束后環(huán)向索不在一個水平高度上,影響環(huán)向索的線形控制;(3)在要求撐桿下端能夠?qū)崿F(xiàn)頂升的條件下,不易實現(xiàn)徑向索、環(huán)向索和撐桿三軸線匯交于一點(diǎn)。因此張拉環(huán)向索施加預(yù)應(yīng)力的方法逐漸取代了頂升撐桿法。對于弦支穹頂結(jié)構(gòu)而言,通過張拉環(huán)索施加預(yù)應(yīng)力的方法所需要的張拉設(shè)備較少,且環(huán)索的線形容易控制,另外撐桿下節(jié)點(diǎn)的設(shè)計也較為簡單,因此在弦支穹頂結(jié)構(gòu)發(fā)展的中期,預(yù)應(yīng)力施加方法主要是張拉環(huán)向索。這一時期典型的弦支穹頂結(jié)構(gòu)工程是2008北京奧運(yùn)會羽毛球館和常州體育館。在通過張拉環(huán)向索給弦支穹頂結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力方法的工程應(yīng)用中,逐漸發(fā)現(xiàn)由于環(huán)索與撐桿下節(jié)點(diǎn)處存在明顯的摩擦力,進(jìn)而導(dǎo)致嚴(yán)重的預(yù)應(yīng)力摩擦損失,使得預(yù)應(yīng)力張拉施工完成后環(huán)索預(yù)應(yīng)力極為不均勻。另外伴隨著預(yù)應(yīng)力張拉施工技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和企業(yè)化,張拉設(shè)備的數(shù)量也越來越多,因此目前弦支穹頂結(jié)構(gòu)工程中逐漸采用張拉徑向索的方法來替代張拉環(huán)向索。與張拉環(huán)索施加預(yù)應(yīng)力的方法相比,張拉徑向索的方法可有效避免由于環(huán)索與撐桿之間的摩擦力所引起的預(yù)應(yīng)力損失,使得張拉施工結(jié)束后張拉整體部分預(yù)應(yīng)力分布較為均勻。而且由于張拉施工的企業(yè)化,解決了實現(xiàn)同環(huán)徑向拉索同步張拉所需的設(shè)備問題。因此通過張拉徑向索施加預(yù)應(yīng)力的方法成為目前常用的預(yù)應(yīng)力施加方法,典型的工程實例是2009年全運(yùn)會濟(jì)南奧體中心體育館。4應(yīng)研究和解決的問題4.1拉施工階段的誤差弦支穹頂結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)研究包括兩個方面的內(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引起溫度應(yīng)力,并且在預(yù)應(yīng)力張拉施工階段,會引起預(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)殼的嚴(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,必須對弦支穹頂結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)進(jìn)行充分的研究。4.2結(jié)構(gòu)整體性能理想狀態(tài)下的弦支穹頂,其撐桿與上部單層網(wǎng)殼的連接應(yīng)該是鉸接,而目前實際工程中大部分處于半剛性連接范疇,因此有必要對節(jié)點(diǎn)的半剛性對結(jié)構(gòu)整體性能的影響進(jìn)行深入研究,并設(shè)計出滿足計算假定的撐桿上節(jié)點(diǎn);另外對于弦支穹頂結(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)間的無摩擦滑移,而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,但實際工程中卻難以實現(xiàn),如北工大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%,因此除了滾動軸承式的節(jié)點(diǎn)外,設(shè)計出上述理想態(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。4.3環(huán)索繞索動力分析方法對于環(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法,但此方法僅可研究靜力荷載作用下結(jié)構(gòu)反應(yīng),對于動力荷載卻無能為力,因此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力分析方法是亟待解決