弦支結構的命名方案研究

1弦支結構體系現代中國的環境建設和資源節約社會已成為時代的主題。對于建筑結構,不但要滿足安全性和適用性的要求,還要兼具美觀和經濟的功能。順應時代的要求,大跨度空間鋼結構以其建筑外形靈活新穎,充分利用結構骨架形式和結構材料性能的特點,得到了廣泛的研究和應用。基于張拉整體概念的弦支結構是一種高效的大跨度空間鋼結構形式,20世紀80年代一經提出,即在國外的多個實際工程中得到應用。我國對于弦支結構的研究也起步較早。如1998年天津大學劉錫良教授等對典型弦支結構——張弦梁進行了受力性能分析。新世紀伊始,在國家自然科學基金(編號:50008010/E0807,基于張拉整體概念的弦支結構體系研究,2000年3月)和中國博士后科學基金(中博基9號,張弦穹頂的靜力性能研究,1997年7月)的支持下,國內學者對弦支結構進行了系統的理論分析和試驗研究,為工程實踐應用提供技術保證。隨著國民經濟的增長,諸如北京奧運會、上海世博會等大型社會文體活動的舉行,如今弦支結構已在體育場館、展覽館、航站樓、影劇院、車站、大型商場、飛機庫、煤棚與倉庫等建筑中得到了大量采用[9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21]。弦支結構的概念是由連續受拉構件(索或鋼拉桿)和獨立受壓桿件(撐桿)共同支承上部受壓結構(或構件)而形成的結構形式。“弦支結構”明確定義了結構的各組成部分和特點:“弦”指結構下部猶如弓弦的拉索;“支”指結構中部起到支撐作用的壓桿;“結構”是指弦支結構上部的具體結構形式。如上部為梁就稱為弦支梁(也稱為張弦梁);上部為網殼就稱為弦支穹頂(也稱為索撐網殼、索承網殼和索托網殼等)。結構本質是用撐桿連接上部受壓彎構件和下部受拉構件,通過在受拉構件上施加預應力,使上部結構產生反撓度,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;并且通過調整受拉構件的預應力,減小結構對支座產生的水平推力,使之成為自平衡體系。2關于弦支結構的結構根據各種弦支結構組成要素、受力機理及傳力機制的不同,將弦支結構分為平面型弦支結構、可分解的空間型弦支結構(平面組合型弦支結構)和不可分解的空間型弦支結構。2.1弦支梁和弦支桁架單向弦支結構(圖1)是典型的平面型弦支結構,各單榀弦支結構通常采用弦支梁(或弦支桁架)。弦支梁結構于1986年由日本大學M.Saitoh教授首次提出并命名為“張弦梁”。其實早在M.Saitoh提出前,我國和歐洲一些國家就有類似的結構形式(如下沉式梁),只是沒有進行命名和系統研究。弦支梁結構在引入國內工程應用時,由于直接取其日語“張弦梁”定義,故“張弦梁”的名稱沿用至今。為了準確地定義結構特點,本文稱之為弦支梁。弦支桁架是在平面弦支梁基礎上發展而來,采用平面桁架和立體桁架取代上部梁構件,就形成弦支桁架。近年來,將“弦支”概念應用于平面剛架,又出現了弦支剛架,如圖2所示。平面型弦支結構在遷安文化會展中心(圖3)、新中國國際展覽中心(圖4)和南京會展中心(圖5)等多項工程應用。2.2間弦支結構的特性可分解的空間型弦支結構又稱為平面組合型弦支結構,它是由平面型弦支結構組合形成的一種空間弦支結構,其受力機理具有空間特性,如雙向張弦結構、多向張弦結構和輻射張弦結構,如圖6所示。可分解的空間型弦支結構是目前國內應用最為廣泛的弦支結構形式,文獻[25-26]對近年來可分解的空間型弦支結構研究工作和實際工程應用進行了詳細總結,本文在此不再贅述。2.3間受力體系不可分解的空間型弦支結構不能分解為單榀平面弦支結構,撐桿通過斜索和環索連接上部結構,成為整體空間受力體系,受力性能更好,剛度更大。弦支穹頂[27,28,29,30,31,32,33]是典型不可分解的的空間弦支結構。除了弦支穹頂結構以外,還有幾種其他的新型不可分解的空間型弦支結構體系,如弦支網架結構,弦支混凝土樓蓋結構(弦支鋼絲網架混凝土夾芯板),弦支筒殼結構和弦支拱殼結構等。2.3.1下一環節間的連接弦支穹頂結構由單層網殼和下部撐桿、拉索組成,各環撐桿的上端與單層網殼對應的各環節點鉸接;撐桿下端由徑向拉索與單層網殼的下一環節點連接;同一環的撐桿下端由環向箍索連接在一起,使整個結構形成一個完整的結構體系。根據上層單層網殼形式,弦支穹頂又可以分為:肋環型弦支穹頂,施威德勒型弦支穹頂,聯方型弦支穹頂,凱威特型弦支穹頂,三向網格型弦支穹頂及短程線型弦支穹頂,如圖7所示。2.3.2索通過支桿相連合形成的結構弦支網架結構是指由剛性網架結構和柔性索通過支桿相連而形成的一種結構形式。結構主要構成部分包括上層網架,撐桿和下弦拉索等,結構構成方式如圖8所示。2.3.3條支混凝土結構條支鋼絲網架混凝土芯板弦支混凝土樓蓋結構(弦支鋼絲網架混凝土夾芯板)的主要部件包括:鋼筋混凝土板、撐桿、穿心鋼球和鋼拉索等。結構構成方式如圖9所示。2.3.4主框架的殼體結構弦支筒殼結構的主要部件包括:柱面網殼、拉索、錨固節點,撐桿、轉折節點、支座節點等。結構構成方式如圖10所示。2.3.5支弓繩密封結構弦支拱殼結構由兩部分組成:上部的拱支網殼結構和下部的張拉整體部分。結構構成方式如圖11所示。3“弦”的概念目前,在弦支結構體系研究過程中,國內學者給出了幾種不同的提法,如張弦結構體系和索桿結構體系,前者所描述的“張弦”源于日語,依據不足,并且這種提法并沒有完全包含該結構體系的所有構成要素,如中間撐桿要素沒有體現。后者索桿僅僅體現出了結構體系構成的元素,并沒有體現出元素之間的關系,還有一些索承網殼、索撐網殼和雜交空間網格等,其實都屬于同一種弦支結構體系,即不可分解的空間型弦支結構。本文給出目前國內學者可以接受的3種命名分類方案,如表1所示。4結構施工及體系創新弦支結構是剛柔結合的復合空間結構,與傳統空間結構相比,在結構設計、施工、選材和創新等方面具有顯著的優勢:1)結構設計方面:弦支結構體系受力合理。高強度預應力拉索的引入使上部結構和下部索桿部分形成整體,從而共同工作;索的預拉力通過撐桿使上部結構產生與荷載作用下相反的位移,部分抵消外荷載的作用;同時,下部張拉構件承擔荷載作用下結構的外推力,不會對邊緣環梁和支座產生過大的水平推力,整體結構形成應力自平衡體系。通過調整環索的預拉力可以達到控制結構構件應力、減小變形、提高抗屈曲性能及降低對邊界水平推力的目的,從而使矢高較小的上部結構在大跨度工程中的應用成為可能。2)結構施工方面:施工過程得以簡化。弦支結構的上部結構具有一定剛度,這使得結構的施工及節點構造較之柔性結構將大為簡化。預應力拉索可以簡單地通過伸長撐桿而獲得張拉;同時,結構產生的水平推力由下部張拉構件來承擔,而不是由支座承擔。因此,結構支座可以設計成徑向滑動鉸支座,不限制結構的徑向位移。考慮到施加預應力后結構的變形較大,約束方式可以在結構施加完預應力后,對支座加以處理即可。3)結構選材方面:屋面材料容易選擇。弦支結構的剛度相對于張拉膜結構等柔性結構要大得多,這使得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、混凝土預制或現澆板等的屋面結構;同時,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低、施工連接工藝成熟和保溫遮陽性能相對較好等優點。4)結構創新方面:20世紀美國著名建筑師富勒(R.B.Fuller)提出張拉整體概念———由不連續的受壓桿件與連續的受拉單元組成的自支承、自應力空間網格結構