弦支穹顶钢结构体系研究

弦支穹顶钢结构体系研究

邵玲玲1陈春红2

邵玲玲1陈春红2（河南建筑职业技术学院，河南郑州450064）

中图分类号：TU399文献标识码：A文章编号：1003-2738（2012）03-0000-01

摘要：本文首先介绍了弦支穹顶钢结构体系的特点、应用特点和工作原理，然后介绍了目前弦支穹顶结构体系的理论研究进展及目前存在的问题，总结了目前国内外弦支穹顶结构体系研究的不足之处和未来研究的方向。

关键词：弦支穹顶；工作原理；研究不足之处；研究方向

一、引言

弦支穹顶是由日本法政大学川口卫教授将索穹顶等张拉整体结构的思路应用于单层球面网壳而形成的一种新型杂交空间结构体系。单层球面网壳由于整体稳定性较差而使其应用和发展受到极大的限制，同时单层球面网壳对支座存在较大的水平推力，往往需要在其周边设置受拉环梁[1]。索穹顶等完全柔性结构需要对拉索施加较大的预拉力才能使结构成形，同时要求在周边支座设置强大的受压环梁以平衡拉索预拉力[2]。通过杂交得到的弦支穹顶一方面改善了单层球面网壳结构的稳定性，使结构能跨越更大的空间，另一方面新结构体系具有一定的刚度，使其设计、施工及节点构造与索穹顶等完全柔性结构相比得到了较大的简化。同时，两种结构体系对支座的作用相互抵消，使结构体系的自平衡程度得到极大的提高。弦支穹顶在我国已有工程应用，如昆明柏联广场15m穹顶、天津保税区商务中心等。

二、弦支穹顶工作原理

图1非常清晰的图示了弦支弯顶的结构原理。单层网壳弯顶结构整体稳定性较差，而且对周边构件产生较大的水平推力，需要在其周边设置受拉环梁;张拉整体索育顶必须施加高预应力来保证结构形状的稳定，高预应力对周边构件产生较大的水平拉力，需要在其周边设置受压环梁以平衡拉索预拉力[3]。单层网壳弯顶和弦支体系相结合形成弦支弯顶，弦支体系中索的预应力，通过撑杆使单层网壳产生与使用荷载作用时相反的位移，从而部分抵消了外荷载的作用;联系索与梁之间的撑杆对于单层网壳起到了弹性支撑的作用，从而可以减小单层网壳杆件的内力[4]:同时，下部斜索负担了外荷载对单层网壳产生的外推力，从而不会对边缘构件产生水平推力，整体结构形成自平衡体系。

图弦支穹顶的结构原理

三、弦支穹顶结构的特点

从结构体系上看，由于弦支穹顶结构是由单层网壳穹顶和弦支体系组合而形成的自平衡体系，与单层网壳结构及索穹顶等柔性结构相比，具有如下特点：

1.弦支穹顶是一种异钢种预应力杂交空间结构体系，其中高强度预应力拉索引入使钢材强度的利用更加充分，结构自重因此而降低，同时可以使结果跨越更大的跨度。

2.通过对索施加预应力，上部单层网壳将产生与荷载作用反向的变形和内力，从而使结构在荷载作用下上部网壳结构各构件的相对变形小于相应的单层网壳，使其具有更大的变形储备；联系索与梁之间的撑杆对于单层网壳起到了弹性支撑的作用，可以减小单层网壳杆件的内力，调整体系的内力分布，降低内力幅值；从张拉整体强化单层网壳的角度出发，张拉整体结构部分不仅增强了整体结构的刚度，还大大提高了单层网壳部分的稳定性；因此，跨度可以做得较大。

3.弦支穹顶在力学上最明显的一个优势是，结构对边界约束要求的较低，因此刚性上弦层的网壳对周边施以外推力，而柔性的张拉体系下部对边界产生内拉力，组合起来二者可以相互抵消。适当的优化设计还可以达到在长期荷载作用下，屋顶结构对边界施加的水平反力接近零。

4.弦支穹顶由于其刚度相对于索穹顶的刚度要大得多，使屋面材料更容易与刚性材料相匹配，因此其屋面覆盖材料可以采用刚性材料。与膜材料等柔性材料相比，刚性屋面材料具有造价低、施工连接工艺成熟和保温遮阳性能相对较好等优点。

5.施工张拉过程比索穹顶等得到较大的简化。上部单层网壳为几何不变体系，可以作为施工时的支架，预应离拉索可以简单地通过调节撑杆长度或斜索长度而获得张拉，施工变得简单和方便可行。从索穹顶的角度出发，虽然索穹顶的结构效能比较高，但其施工却有一定的难度。因此用刚性的上弦层取代柔性的上弦索，可以使施工大为简化，从而大大降低了施工费用。

四、目前研究存在的问题

作为一种新型的空间结构形式，弦支穹顶要在工程实践中推广，还有以下一些关键问题需要解决:

1.确定在各种单层网壳的网格形式下，撑杆和拉索的合理的布置方案;

2.判定结构在预应力施加后的初始形状，对拉索的初始预应力进行优化设计;

3.研究结构的整体稳定性，跟踪结构平衡路径，确定失稳临界荷载;

4.采用振型反应谱法和时程分析法研究结构的动力反应和抗震性能，并对其动力稳定性进行研究;

5.研究开发构造简单、施工方便且传力明确的节点连接形式;

6.结合预应力的设计和调整研究合理的施工方法。

五、结论

弦支穹顶作为一种结构性能好、构造效率高的新型结构体系其受力合理、造型美观、造价经济、备受建筑师的青睐，也必将越来越被人们所接受和喜爱。国内外的学者对其进行了大量的理论研究，取得了一些成果并付诸于工程实践。但在很多方面的研究还不够深入或还是空白，离实际工程的设计和应用尚有一定距离，应在未来的研究中加以深化。

参考文献:

[1]邵伟清.弦支穹顶结构非线性稳定分析[J].钢结构,2005,10(6):4-7

[2]张志宏,张明山,董石麟.弦支穹顶结构动力分析[J].计算力学学报,2005(8):63-64.

[3陈志华,窦开亮,左晨然.弦支穹顶结构的稳定性分析[J]建筑结构,2004(8):73-74.

[4]崔晓强,郭彦林,弦支穹顶结构的抗震性能研究[J].地震工程与工程振动,2005,25(1):67-75.