弦支屋頂結構的研究與應用

弦支屋頂結構的研究與應用

網(wǎng)絡結構體系是近年來大體積結構中應用最為廣泛的一種新的預測網(wǎng)格結構體系。在弦支結構體系中,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)最早的一種弦支結構,早在19世紀就應用于橋梁等結構之中,之后的20世紀80年代,日本大學斎藤公男(M.Saitoh)教授對其進行了系統(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)。天津大學鋼結構研究所從1998年開始,在研究弦支梁、弦支桁架和弦支穹頂?shù)慕Y構性能基礎上,研究和歸納了這兩類結構形式的本質(zhì),即用撐桿連接上部壓彎構件和下部的受拉構件,通過在受拉構件上施加預應力,使上部結構產(chǎn)生反撓度,從而減小荷載作用下的最終撓度,改善上部構件的受力形式,并通過調(diào)整受拉構件的預應力,減小結構對支座產(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)稱為弦支結構體系。筆者的課題組在研究弦支結構體系本質(zhì)的基礎上,相繼提出了弦支筒殼結構、弦支拱殼結構、弦支混凝土樓板結構、弦支鋼絲網(wǎng)架混凝土夾芯板結構等多種弦支結構,豐富了弦支結構體系的內(nèi)容。弦支穹頂結構是弦支結構體系中結構效能高、應用較為廣泛的一種弦支結構,它是通過在單層網(wǎng)殼的下部設置豎向撐桿、徑向拉索和環(huán)向拉索形成的一種具有較強跨越能力的弦支結構(圖1)。由于撐桿和拉索的設置,上部單層網(wǎng)殼的整體剛度得到了提高,進而提高了單層網(wǎng)殼結構的穩(wěn)定性;通過在拉索中引入預應力,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。弦支穹頂結構自1993年由原國際薄殼與空間結構學會主席川口衛(wèi)教授提出其結構思想以來,國內(nèi)外學者通過試驗和理論分析對其結構性能進行了深入研究,完成了近20項工程應用,結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眉夹g等進行分析總結。2目前，對復合屋頂結構的研究國內(nèi)外對弦支穹頂結構的研究內(nèi)容涉及結構形態(tài)分析、初始預應力設計、靜動力性能、結構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構的設計提出的,是力平衡分析的逆過程。國內(nèi)外對柔性結構的形態(tài)分析研究較多,且較為成熟。而弦支穹頂結構不同于柔性結構,其未施加預應力之前已有一定的剛度,因此對其形態(tài)分析研究較少。郭云對弦支穹頂結構形態(tài)分析進行了初步研究,提出修正的張力補償法來解決形態(tài)問題;郭佳民將弦支穹頂結構形態(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,編程較為復雜,但是收斂速度較張力補償法快,實際工程中應用較多的是修正的張力補償法。2.2基于anasis優(yōu)化模塊的預應力設計方法在弦支穹頂結構的預應力設計中,通常有兩個原則:(1)在恒荷載和0.5倍的活荷載作用下結構的支座反力最小;(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)殼的桿件應力的峰值最小。為了實現(xiàn)上述目標,結合工程應用,提出了如下幾種預應力設計方法:(1)試算法;(2)基于力學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)索的弦支穹頂結構,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應力的最優(yōu)解,是在弦支穹頂結構工程應用的初期階段進行預應力設計的一種方法,主要的工程應用實例是日本光丘穹頂和聚會穹頂?；诹W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)國際商務交流中心大堂屋蓋(2001年建成)的設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)弦支穹頂工程設計中得到推廣,并且已經(jīng)寫入地方標準。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)復雜,其已在濟南奧體中心體育館中得到應用。基于遺傳優(yōu)化算法和ANSYS優(yōu)化模塊的預應力設計方法需要利用軟件并編寫一定的程序,因此需要設計人員具有一定的有限元基礎和優(yōu)化理論基礎,所以這兩種方法通常在高校和科研機構配合設計單位進行預應力設計時采用。綜上所述,本文建議今后進行預應力設計時,可首先通過方法(2)確定一組接近最優(yōu)解的預應力數(shù)值,然后應用方法(5)進行精確的預應力優(yōu)化設計。2.3弦支部分結構的穩(wěn)定穩(wěn)定性研究川口衛(wèi)教授最早對該體系進行了一系列理論分析和試驗研究。文獻采用兩個相同的弦支穹頂模型和一個相應的單層球面網(wǎng)殼模型(跨度3m;矢高0.45m)進行了對比試驗,試驗結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)弦支穹頂結構臨界荷載約為相應單層網(wǎng)殼結構的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。文獻以跨度為200m、矢高為30m的假想弦支穹頂結構為例,對其在拉索預應力和靜荷載作用下的靜力反應進行了比較,結果表明,具有預應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行了地震反應分析,并與相應單層網(wǎng)殼進行了對比,得出二者水平地震反應基本相同,而豎向地震作用下弦支穹頂明顯優(yōu)于單層網(wǎng)殼。天津大學建工學院鋼結構及空間結構教研室于1998年在國內(nèi)較早開始對弦支穹頂結構的研究。文獻在論述力學原理的基礎上提出了預應力設計公式,研究了預應力水平對結構極限荷載的影響,同時提出了一種外圈加強弦支穹頂結構,并將其與單層網(wǎng)殼、一般弦支穹頂結構進行了對比分析,得出外圈加強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構的穩(wěn)定承載力。文獻對聯(lián)方型弦支穹頂結構進行了深入研究:(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行專門校核分析和對淺平弦支穹頂?shù)睦黝A應力應進行專項分析等結論。文獻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)索索力對結構的靜力性能影響極大,但是對動力性能影響極小的結論。文獻分別對剛性弦支穹頂和半索半桿弦支穹頂進行了實物加載試驗研究,得出了其基本力學特性。文獻采用冷凍升溫法研究了滑索滑移下結構的靜力性能,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)殼結構的力學性能。文獻對弦支穹頂?shù)姆€(wěn)定性進行了研究,得出以下結論(1)弦支穹頂結構的穩(wěn)定承載力及對初始缺陷的敏感性遠優(yōu)于相應的單層網(wǎng)殼結構;(2)預應力、撐桿長度和拉索截面對結構的穩(wěn)定承載力影響很大。文獻指出材料非線性和索撐節(jié)點構造造成的預應力損失對弦支穹頂結構的整體穩(wěn)定性有較大影響。文獻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構穩(wěn)定的影響。文獻通過試驗得出半跨荷載作用下結構的極限荷載明顯低于全跨荷載下的極限荷載。文獻對其動力穩(wěn)定性進行了初步研究,提出了基于B2R運動準則的改進判別方法,以此為基礎結合結構的時程響應曲線判定弦支穹頂結構的動力穩(wěn)定性,研究表明,不同地震作用下結構的失穩(wěn)形態(tài)不同,矢跨比對結構動力穩(wěn)定性能的影響不同;矢跨比不同,對結構穩(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。文獻采用環(huán)境激勵法和錘擊了激勵法對結構的不同施工階段進行了實物動力試驗,得出了弦支穹頂結構基頻較大、振型密集、整體性能好等結論,并對比分析了弦支穹頂施工兩階段動力特性的差異。文獻通過奧運會羽毛球館模型動力試驗得出了弦支穹頂結構頻率密集、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),以及結構阻尼比在0.02～0.03之間等結論。文獻在分析弦支穹頂自振特性的基礎上,對其抗風和抗震性能進行了深入研究。文獻指出矢跨比和撐桿長度是抗震設計的主要控制參數(shù)。文獻通過對比脈動荷載和地震荷載作用下的結構響應發(fā)現(xiàn)風荷載的動力效應要比地震荷載顯著。2.4循環(huán)前進法弦支穹頂結構的施工全過程分析及其施工控制理論分析是其實現(xiàn)的關鍵過程之一,也是目前研究的熱點。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用和驗證。文獻提出了張力補償法來確定預應力結構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。文獻提出了循環(huán)前進法,其能夠精確計算出結構的幾何非線性、后批預應力筋張拉對前批預應力筋張力的損失以及其它因素的影響。文獻通過理論分析和現(xiàn)場實測的方法研究了索撐節(jié)點處由摩擦導致的預應力損失的計算方法。文獻分析了支承結構和溫度變化對結構施工張拉的影響,得出支座鉸接與固接假定對結構計算分析影響不大、考慮支承結構剛度后溫度變化對施工張拉影響較小等結論。文獻提出了變索原長法分析索撐節(jié)點處的預應力摩擦損失的相關理論。文獻提出了位移補償計算法對結構的誤差狀態(tài)進行調(diào)整計算,對于結構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行分批張拉即可完成結構索力的施工調(diào)整。文獻結合實際工程,分析了預應力張拉施工的要點及其注意事項。2.5模型試驗對我國結構技術研究的領先地位在弦支穹頂結構的工程應用過程中,為了對設計方案和理論分析進行驗證,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構技術研究方面處于領先地位。另外模型試驗和實物試驗的結果驗證了弦支穹頂結構是一種高效的結構體系,其穩(wěn)定承載力要比相應的單層網(wǎng)殼提高50%左右。3中國觀念在弦支頂設計方案上的運用,在一般意義上,中國成為了世界之最弦支穹頂結構已在近20項工程中(表2中列出18項)得到應用。隨著施工技術的日趨成熟,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);隨著分析設計理論和施工技術的完善,跨度也由最初日本光丘穹頂?shù)?5m發(fā)展到現(xiàn)在的濟南市奧體中心體育館的122m(日本方案設計已達到200m)。從上述弦支穹頂結構的工程應用上來看,弦支穹頂結構的確是一種高效的大跨度結構體系,并且已經(jīng)得到了科研教學、設計、施工等業(yè)界的認可。在實際的工程應用中,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)點的選型與設計、施工方案的制定是建造一個新型結構的關鍵,結合目前應用的近20項工程,對這兩個關鍵點進行總結和分析。3.1節(jié)點構造的一般規(guī)律對于新型預應力空間結構體系,能否從現(xiàn)有的節(jié)點形式中找到或設計出經(jīng)濟、適用的節(jié)點,對它的性能、制作安裝、用鋼量指標及工程造價等都有直接的影響。節(jié)點的好壞,有時可能是決定某種新型結構能否實現(xiàn)的一個關鍵因素。對于弦支穹頂結構而言,其節(jié)點設計存在兩個難點:(1)撐桿上節(jié)點。在弦支穹頂結構的概念中,撐桿與上節(jié)點的合理連接方式是萬向鉸接;(2)撐桿下節(jié)點。撐桿下節(jié)點是弦支穹頂中撐桿、徑向拉桿和環(huán)向拉索的匯交點,受力比較復雜,且節(jié)點構造某種程度上影響了弦支穹頂結構的張拉方案。弦支穹頂結構的節(jié)點構造伴隨著工程的不斷應用,不斷的得到改進和完善。對于撐桿上節(jié)點而言,根據(jù)工程中節(jié)點構造可將其分為兩類:徑向釋放型和鉸接型。國內(nèi)前幾座弦支穹頂結構撐桿上節(jié)點均屬于徑向索釋放型,典型的徑向釋放型節(jié)點構造如圖2所示濟南奧體中心體育館撐桿上節(jié)點。隨著工程的不斷應用,撐桿上節(jié)點的構造技術不斷得到改進和完善,逐漸開始應用鉸接節(jié)點,工程中有兩種典型的鉸接節(jié)點:一種是圖3所示的2008北京奧運會羽毛球館使用的球鉸萬向可調(diào)撐桿上節(jié)點;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。鉸接型節(jié)點實現(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)點形式,建議今后設計弦支穹頂工程時參考采用。對于撐桿下節(jié)點而言,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。弦支穹頂結構大部分工程都采用了連續(xù)型節(jié)點,因為使用連續(xù)型節(jié)點后,環(huán)索索頭的加工數(shù)量減少,進而減小了工程的工作量和工程造價,深受建設單位和設計單位的喜愛,典型的連續(xù)型節(jié)點形式如圖5所示。相反,對于間斷型撐桿下節(jié)點,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)點很少在工程中應用,到目前為止,工程中只有安徽大學體育館采用了這種節(jié)點,如圖6所示。在連續(xù)型撐桿下節(jié)點的工程應用中,逐漸發(fā)現(xiàn)通過張拉環(huán)向索施加預應力時,由于環(huán)索與撐桿下節(jié)點之間的滑移摩擦,引起了較大的預應力損失,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,典型的節(jié)點構造如圖7所示。這種節(jié)點形式既繼承了連續(xù)型撐桿下節(jié)點索頭加工數(shù)量少的優(yōu)點,又解決了施工張拉過程中由于環(huán)索與節(jié)點之間摩擦引起的預應力損失問題,建議在今后弦支穹頂結構設計中采用。3.2頂升撐桿法的應用對于弦支穹頂結構而言,其預應力張拉施工是一個難點,也是一個關鍵點。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種預應力施加方法。頂升撐桿法是在弦支穹頂結構工程應用初期使用的一種預應力施加方法。這種方法的優(yōu)點是:(1)撐桿的張拉力較小,可減小張拉裝置的噸位;(2)撐桿張拉以自身結構作為反力架,無需另外增加反力架。早期弦支穹頂?shù)目缍容^小,且通常僅設置一環(huán)張拉整體體系,因此早期的弦支穹頂結構撐桿數(shù)量少,預應力水平低,頂升撐桿施加預應力的方法就成為施加預應力的首選方案。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)國際商務交流中心大堂屋蓋。隨著弦支穹頂結構工程應用技術的發(fā)展和完善,其跨度越來越大,張拉整體部分也越來越多,因此撐桿預應力水平也越來越高,撐桿的數(shù)量也越來越多。這樣頂升撐桿施加預應力的缺點就越來越顯著:(1)撐桿的數(shù)量較多,所需要的張拉設備較多,一般不能實現(xiàn)同圈撐桿的同步張拉;(2)施工結束后環(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。因此張拉環(huán)向索施加預應力的方法逐漸取代了頂升撐桿法。對于弦支穹頂結構而言,通過張拉環(huán)索施加預應力的方法所需要的張拉設備較少,且環(huán)索的線形容易控制,另外撐桿下節(jié)點的設計也較為簡單,因此在弦支穹頂結構發(fā)展的中期,預應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構工程是2008北京奧運會羽毛球館和常州體育館。在通過張拉環(huán)向索給弦支穹頂結構施加預應力方法的工程應用中,逐漸發(fā)現(xiàn)由于環(huán)索與撐桿下節(jié)點處存在明顯的摩擦力,進而導致嚴重的預應力摩擦損失,使得預應力張拉施工完成后環(huán)索預應力極為不均勻。另外伴隨著預應力張拉施工技術的產(chǎn)業(yè)化和企業(yè)化,張拉設備的數(shù)量也越來越多,因此目前弦支穹頂結構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)索施加預應力的方法相比,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應力損失,使得張拉施工結束后張拉整體部分預應力分布較為均勻。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備問題。因此通過張拉徑向索施加預應力的方法成為目前常用的預應力施加方法,典型的工程實例是2009年全運會濟南奧體中心體育館。4應研究和解決的問題4.1拉施工階段的誤差弦支穹頂結構的溫度效應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力,并且在預應力張拉施工階段,會引起預應力張拉誤差,使得最終得到的預應力與設計預應力出現(xiàn)極大偏差。在弦支穹頂結構的使用階段,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應力損失,又可直接在結構中產(chǎn)生溫度變形和溫度應力,因此弦支穹頂結構的溫度效應要比單層網(wǎng)殼的嚴重復雜的多,但是目前關于這方面的內(nèi)容卻鮮有文獻涉及。因此為保證弦支穹頂結構的施工質(zhì)量和使用安全,必須對弦支穹頂結構的溫度效應進行充分的研究。4.2結構整體性能理想狀態(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)點的半剛性對結構整體性能的影響進行深入研究,并設計出滿足計算假定的撐桿上節(jié)點;另外對于弦支穹頂結構的中索撐節(jié)點,其理想狀態(tài)應該是施工張拉階段保證索與節(jié)點間的無摩擦滑移,而在使用階段要保證索與索撐節(jié)點間不出現(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)點間由于摩擦引起的預應力損失可達9%,因此除了滾動軸承式的節(jié)點外,設計出上述理想態(tài)的索撐節(jié)點是今后需進一步深入研究的內(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)下弦支穹頂結構力學分析方法,目前能考慮索撐節(jié)點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構反應,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