弦支穹顶结构综述

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摘要：本文介绍了弦支穹顶结构的工作机理及工程应用，对该结构的理论研究、试验研究和施工方法的现状进行了总结并做了展望。

关键词：弦支穹顶、理论研究、试验研究、施工方法

Abstract: This paper introduces the suspend-domestructure and working mechanism of the engineering application, the structure of the theoretical research,experimental study and construction methods are summarized and prospected.

Keywords: suspendome, theoretical research,experimental study, construction method

中图分类号：TU3文献标识码：A文章编号：2095-2104（2013）

引言

弦支穹顶结构1993年由日本学者川口卫提出，结构利用张拉整体的思想，提高了单层网壳结构的整体刚度，降低了单层网壳的缺陷敏感性，充分发挥材料性能，降低钢材使用量，从而使得网壳可以应用于更大的跨度。

弦支穹顶结构概述

1.1工作机理

弦支穹顶结构上弦为单层网壳，下弦为撑杆和预应力索形成的张拉整体结构，给索施加的预应力，通过撑杆传递给单层网壳，使上弦产生反拱，使结构在使用荷载作用下的内力和变形减小。预应力索主要承担了上弦部分产生的外推力，使结构整体部分形成自平衡体系，减小环梁的水平推力。同时，预应力索增大了结构的整体刚度。

1.2工程应用

弦支穹顶结构由于受力合理、造型美观，一经提出就受到设计人员的青睐，应用于实际工程。

日本是最早应用这一结构形式的国家，“光球”穹顶是世界第一座采用弦支穹顶结构的屋盖，跨度35m，屋顶最大高度14m。“光球”穹顶只在单层网壳的最外层下部布置了张拉整体结构，并将径向拉索改为钢管，通过对钢管施加预应力，使周边环梁的水平推力为零。随后，又建造了“聚会”穹顶。在我国，应用弦支穹顶结构建造了天津保税区某商务中心中厅屋盖（跨度35.4m，矢跨比0.1299）、昆明柏联广场采光顶(跨度15m，矢跨比0.0392)和2008奥运羽毛球馆屋盖（跨度93m，矢跨比0.1）。通过工程实践和理论分析认为弦支穹顶结构适用于矢跨比较小的结构中，通过下弦张拉体系改善上弦单层网壳的整体稳定性。

2理论研究

2.1静力研究

对于肋环型、kiwitt型弦支穹顶结构，基于非线性有限元理论，采用弧长法和Newton-Raphson法进行全过程平衡路径的跟踪分析，进行了弹性极限承载力和静力稳定性分析。研究认为，下弦的张拉体系改善了单层网壳的力学性能，提高了单层网壳的刚度和整体稳定性，影响弦支穹顶结构静力稳定的主要因素是撑杆高度、矢跨比、跨度、索截面面积和预应力大小。此外，索的布置方案、活荷载布置和结构边界条件对承载力也有一定影响。对弦支穹顶结构的最外圈布置预应力索可以减小对于下部结构的水平推力[1]。因此，在进行结构设计时，可以通过调整撑杆高度、索截面面积和预应力大小改善结构的受力性能。

2.2动力特性研究

弦支穹顶结构动力特性的研究认为，弦支穹顶结构的频率密集，振动复杂，表现为水平和竖向振动交替出现，个别振型伴有扭转振动。下弦张拉整体部分降低了结构的自振频率，提高了结构的整体刚度。影响结构的自振频率的主要因素包括结构的跨度、预应力、撑杆与斜索面的夹角。在进行结构设计时，要合理施加预应力和选择适当的撑杆长度。

弦支穹顶的动力稳定性研究主要集中在地震荷载作用下，研究认为弦支穹顶结构在地震荷载作用下存在动力失稳问题，一维、二维地震失稳过程基本一致，三维地震作用下结构响应明显高于单向地震作用，动力稳定分析时应考虑三维地震作用。矢跨比是影响结构动力稳定性的主要因素[2]。

3试验研究

除了计算机模拟的理论分析，针对实际工程，学者们进行了具体的试验研究。通过试验既可以验证理论分析，同时在安装过程中对施工过程进行了模拟，从而可以检验施工方法。在弦支穹顶结构张拉成形的试验中，以肋环型弦支穹顶为试验对象，通过采用分层张拉的方法实现了无脚手架施工，从而降低了施工的成本，试验中应用的新型可装配式节点可以作为实际工程的借鉴。以天津博物馆贵宾厅屋盖为研究对象，对其进行了静力性能的理论分析和实物加载试验，考虑结构的防火等要求采用刚性杆代替了预应力索，研究表明理论结果和试验结果吻合较好。

4施工方法研究

弦支穹顶结构预应力索的施工主要包括索的安装和施工两大部分。环向索、径向索和撑杆三部分成为有机整体，不同的张拉方法和张拉顺序对结构的变形和内力有较大的影响。针对现有工程学者们提出了许多具体的施工方法。通过对昆明柏联广场中厅屋盖施工方法的研究，认为由于弦支穹顶的施工过程即结构的成形过程，因此需要施工方法和过程与理论分析的假定和算法保持一致，在弦支穹顶结构的施工方法的研究中，提出了弦支穹顶结构施工计算的循环前进分析方法，该方法能够保证设计索力和结构位形，通过编制施工控制分析程序，模拟实际的施工过程，从而得到施工各个阶段的结构受力和变形[3-4]。

5展望

5.1理论研究

在理论研究方面，结构稳定性的研究仍需深入，现阶段关于稳定性的研究侧重于结构的整体稳定性，主要考虑结构构件处于弹性阶段时，在屋面荷载、自重等经荷载作用下结构的稳定性。在地震荷载和风荷载作用下结构的破坏形式尚需深入研究，当结构在动荷载作用下，杆件内力进入弹塑性，结构处于非线性，结构刚度会随外荷载不断变化，动力分析时要考虑阻尼力和惯性力对于结构的影响。当结构在动荷载作用时由于结构的稳定性不仅仅取决于结构本身，还与荷载形式、持续作用时间、荷载周期等因素有关，使得直接研究地震荷载、风荷载作用存在难度，应从正弦荷载、冲击荷载等简单荷载入手。例如，弦支穹顶结构在冲击荷载作用下的稳定分析可以对比静力稳定分析，从而研究结构抗扰动的能力；通过对弦支穹顶结构进行在简谐荷载作用下的动力分析，了解在不同激励频率下结构响应的变化，为抗震分析奠定基础。

5.2试验研究

在试验研究方面，目前研究侧重于静力加在加载实验，在现有的实验研究中可以验证理论分析的结果，并在安装过程中检验施工方法的可行性。对于动力试验，无论是振动台试验还是风洞试验都少有涉及。通过振动台试验可以了解在地震作用下结构的破坏形态，由于弦支穹顶结构属于新型杂交结构，对其动力研究尚属初步状态，随着动力研究的深入，通过振动台试验则可验证理论分析的正确性，为弦支穹顶结构的抗震设计提供理论依据。

通过风洞试验可以对弦支穹顶结构平均风压和脉动风压的产生机理进行分析，确定影响结构风压分布的因素。由于弦支穹顶结构属于大跨度空间结构，在结构设计时，平均风压作为静力进行荷载组合，这时要考虑水平和竖向两个方向荷载分量对于结构的影响。

5.3施工方法研究

弦支穹顶结构的具体施工方法受到预应力的施工方法和上层网壳的形式等因素的影响。由于预应力的存在使得弦支穹顶结构下部张拉体系的成形和预应力的施加同步完成，因此，不同的预应力张拉顺序、施工方法以及施工过程中采用的不同的控制目标对结构成形后受力性能的影响一定不同。此外，上部单层网壳的形式也影响着弦支穹顶结构的施工方法。因此，需要对于现有的施工方法进行比较，提出不同形式弦支穹顶结构具体、适用的施工方法。

参考文献

[1] 史少华.弦支穹顶结构静动力研究[D].成都：西南交通大学，2010.

[2] 李可娜，殷志祥.Kiewitt型弦支穹顶结构自振特性研究[J]，空间结构，2011（1）：21-27.

[3] 刘红波，陈志华，牛犇.弦支穹顶结构施工过程数值模拟及施工监测[J]，建筑结构学报，2012（12）:79-84.

[4] 吴俊祥，刘连合.弦支穹顶结构屋盖预应力施工技术[J]，施工技术，2013（8）:36-39