联方型弦支穹顶研究
联方凯威特型弦支穹顶结构预应力设定的探讨
联方凯威特型弦支穹顶结构预应力设定的探讨 陈向荣，李小利，李海龙，刘伟 （西安建筑科技大学土木工程学院，西安 710055） [摘要]本文在对比各种确定预应力方法的基础上，引入刚性索法。利用刚性索法对选定的模型进行预应力的设定，对比设定前后结构的力学性能的变化，并与单层网壳对比。研究结果证明了本文采用刚性索法设定预应力的有效性，同时也表明刚性索法能更好的贴合预应力的设定原则、达到预应力的设定目标。 [关键词]弦支穹顶结构；预应力设定；刚性索法 The discussion on the prestress set on the Lamella-Kiewit suspendome Chen Xiangrong，Li xiaoli，Li Hailong，Liu Wei （Department of Civil Engineering，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an710055，China) Abstract: Based on the contrast of the prestress determined methods,puts forward the rigid cable https://www.360docs.net/doc/105510340.html,ing the rigid cable method setting prestress to the selected model, contrasts the structural changes of mechanical properties before and after the setting,and compare with the single-layer shells.The results show that the rigid cable method adopted in this paper to set the prestress is effective. And it also shows that the rigid cable method can better fit to the setting policy and also meet the prestress setting goals. Keywords:suspendome;prestress set;rigid cable method 0 引言 预应力弦支穹顶结构是由上部单层球面网壳和下部张拉整体体系组合而形成的一种新型杂交空间结构体系。弦支穹顶结构之所以称为高效能的空间结构，是因为拉索和预应力的引入。弦支穹顶结构中的预应力，可以改善单层网壳的整体稳定性和局部稳定性，并能减小乃至消除弦支穹顶结构体系对周圈支座的水平推力，从而极大地增强结构的整体刚度，提高整体稳定性。但弦支穹顶结构最大的特点就是自平衡力系，在适当的预应力作用下结构能实现自平衡。并且索内的预应力的大小对结构位移、结构内力的分配具有显著的影响，所以弦支穹顶结构的技术关键是寻找索内应施加的合适预应力，过高的预应力产生的向上作用和向心水平作用无法与结构上的荷载作用相互抵消，对结构不利，还增加了施工难度；过低的预应力满足不了结构刚度要求。可见索的预应力大小之于弦支穹顶结构至关重要，但有关大跨度弦支穹顶结构预应力设定的研究，目前仍显不足。 对于弦支穹顶结构而言，拉索预应力值的确定需要明确几点：不同形式的结构预应力的大小用什么方法确定比较合适，方法的可行性；确定预应力应该遵循什么样的原则即预应力多大时为适宜的标准；最后验证所求预应力的合理性。1 弦支穹顶结构的预应力设定原则 预应力钢结构规程CECS 212 : 2006中的5.11.5的第三条款指出：确定弦支穹顶拉索中施加的预应力值，应以抵抗单层网壳的等效节点荷载和减小最外环杆件对支承结构的水平推力为原则。然后利用了几何法推导环索预应力取值的公式，之所以称之为几何法，是因为根据结构的几何关系：不同环索位置处撑杆的垂直向上的力与单层网壳上均布荷载产生的等效节点力相平衡的力学原理推导的。同时我们也知道弦支穹顶预应力的取值问题从本质上讲是预应力的优化问题，预应力优化最终想达到的目标：降低上部网壳结构内力峰值；减小结构对周边约束构件的径向反力；控制结构的变形等等。目前，弦支穹顶预应力的取值多以在长期荷载作用下使结构对周边构件的约束最小即以减小甚至消除弦支穹顶对支承体系的水平推力(即支座节点在索内预拉力及屋面荷载的共同作用下水平径向位移接近于零)为标准来确定环索的预应力。 本文根据给定荷载作用下使预应力弦支穹顶支座径向位移接近于零或者为零、结构竖向变形小为原则，设定拉索预应力值的大小。 2 刚性索法设定预应力 2.1 分析模型 对于张弦穹顶来讲，最基本的要求就是
索穹顶和弦支穹顶结构在我国的应用
索穹顶和弦支穹顶结构在我国的应用 摘要：本文主要就索穹顶结构和弦支穹顶结构体系的特点以及近几年在我国的工程应用进行了总结。 关键字：预应力；空间钢结构；索穹顶；弦支穹顶；工程应用 Abstract: In this paper, a cable domes structure chord and structural system of the dome characteristics will be introduced and the engineering application in our country in recent years also be summarized. Key Word: prestressed; space steel structure; cable domes; string a dome; engineering application 1 引言 随着我国大型场馆的大量建设，预应力钢结构技术得到了有力的推动和发展，然而相比于预应力网格和斜拉网格等结构形式，索穹顶结构和弦支穹顶结构近几年才在我国有了实际的工程应用，因此文本对索穹顶结构和弦支穹顶结构的特点及近几年在我国的工程实践进行了总结。 1 索穹顶结构 索穹顶结构是由索穹顶结构主要由脊索、斜索、压杆和环索构成，是最近十几年发展起来的一种新型的空间结构形式。这种结构体系具有受力合理、自重轻、跨度大和结构形式美观、新颖等特点，是一种结构效率极高的全张力体系[2]，有着广阔应用和发展前景的大跨度空间结构形式，然而索穹顶在应用当中又有一系列的难题，主要是由于在施工和工作状态下索穹顶具有很强的非线性(特别是施工过程中)，这对结构分析设计及施工提出了很高的要求。国内目前在无锡新区科技交流中心和太原煤炭交易中心采用了索穹顶结构。 国内第1个刚性屋面的索穹顶是于2009年完工的无锡新区科技交流中心索穹顶[2]，见图1所示，该索穹顶平面为圆形，直径24 m，矢高2.109 m，采用铝板结合的刚性屋面和三环Geiger 型索杆系，其中脊索和环索均连续贯通。 太原煤炭交易中心是一个设点支承式玻璃的刚性屋面索穹顶[2]，见图2所示，于2011年1月完成索穹顶主体结构张拉，该索穹顶由三环Geiger 型索杆系和支承玻璃面板的次索网构成，跨度36 m，矢高1.636 m。这两个工程，所
弦支穹顶结构预应力优化方法
弦支穹顶结构预应力优化方法 摘要：初始预应力的分布方式是影响弦支穹顶结构整体性能的关键。以预应力平衡态下，弦支穹顶结构竖向撑杆的内力能最大程度地抵消其上节点的等效节点荷载为优化目标来确定结构的初始预应力。采用APDL语 言在通用有限元软件ANSYS中实现该优化过程，通过改变环向拉索的初始预张力来调整预应力平衡态下撑杆的内力，经过反复迭代实现优化目标。优化算例的结果表明，该优化方法迭代计算效率高、优化效果好、概念清晰、易于实现，具有良好的应用前景。 关键词：弦支穹顶；初始预应力分布；预应力优化方法；ANSYS 0 引言 自1993年由日本法政大学教授川口卫提出以来，弦支穹顶结构在工 程界(特别是近年在国内)得到了广泛的应用，文献[1]总结了现有的工程 实例资料。弦支穹顶结构在单层网壳下部布置索杆体系形成一种预应力复合结构体系，改变了结构的传力路径，解决了单层网壳面外刚度较小、对初始缺陷敏感、结构承载力由整体稳定性控制的缺点。通过张拉拉索等方式在结构体系内施加预应力能够调整结构的内力分布、降低杆件的内力幅值、提高整体受力性能，从而使得结构能够跨越更大的跨度。同时，径向拉索中的预张力可以抵消部分上部网壳在支座处产生的水平推力，减小结构体系对支承构件的依赖程度。所以，预应力的分布方式是影响弦支穹顶结构整体力学性能的关键。 目前采用的弦支穹顶预应力优化方法大都基于两项优化目标：1)网壳杆件的轴力峰值最小；2)支座的水平反力最小。文献[2]中采用的试算方
法思路最简单，但计算效率和优化效果较差。陈志华等提出的基于力学平衡原理的预应力优化方法应用简单，但优化效果一般[3]。张明山、董石麟等基于平衡矩阵理论提出的局部分析法假定上部单层网壳为刚体，通过计算下部索杆体系的子应力模态和机构位移模态确定初始预应力的分布，并在济南奥体中心体育馆设计中得到应用[4]。随着有限元软件的普及，研究者们开始使用有限元软件ANSYS的优化模块对弦支穹顶结构预应力分布进行优化，陈志华等通过该方法实现了单一的设计优化目标[5]，张明山等采用遗传算法的思路，对弦支穹顶结构进行了二级优化，但两级优化结果互相影响，无法同时达到最优[6]。 1 弦支穹顶结构预应力优化方法 本文中弦支穹顶的放样态指上部网壳和下部拉索体系安装就位但没 有进行张拉时的状态；预应力平衡态指下部预应力施加完毕，结构在预应力和一定荷载(一般为“1.0恒荷载+ 0.5活荷载”，若未另作说明，后文按此取值)作用下达到的平衡状态。拉索的初始预张力指施工过程中施加给拉索的实际拉力值；设计预张力指预应力重分布后，拉索在预应力平衡态下所受的拉力值。 1.1 预应力优化目标 弦支穹顶结构的本质是通过张拉环向拉索等方式在结构体系内施加 预应力，使上部网壳产生与使用荷载作用下相反的变形，以减小结构的最终变形，从而降低杆件的内力幅值和支座水平反力。所提出的优化方法从这一基本思路出发，以预应力平衡态下，弦支穹顶结构竖向撑杆的内力能
弦支穹顶结构
北京工业大学体育馆创造了世界建筑史上的一个纪录——世界上跨度最大的预应力弦支穹顶结构，最大跨度达93米。随着北京奥运会羽毛球、艺术体操比赛陆续在这里举行，将会有更多的人关注这座建筑的独特魅力。怀着对这座建筑特殊钢结构的探究心情，我们走进了这座建筑，访问了负责该项目预应力弦支穹顶结构施工技术的北京市建筑工程研究院副总工秦杰博士。 北京工业大学体育馆建筑总面积24383平方米，屋盖最大跨度93米，矢高9.3米，其结构形式为下部钢筋混凝土框架结构，上部采用新型空间结构体系——弦支穹顶结构。如果用单层网壳支撑如此大的跨度，势必要增大构件的截面尺寸，进而会导致建筑整体结构笨重，用钢量增大。目前采用的弦支穹顶结构上部是一个球冠顶面的单层网壳，下部是径向高强度钢拉杆和环向高强度钢索，借助垂直的竖向撑杆支撑网壳。这种新型结构形式，结构新颖，构思巧妙，受力合理。也正是弦支穹顶结构这种“刚柔并济、柔中带刚”的特性，才使得体育馆呈现出一种轻盈飘逸的形态，使人们自然联想到羽毛球、艺术体操的项目所表达的清灵飘逸。 仿真计算与施工监测 确保安全施工和结构质量 虽然体育馆已经竣工，但秦杰依然保留着他们最初制作的弦支穹顶结构模型，因为这个工程项目的施工确实让他们呕心沥血。他谈到，大跨度预应力钢结构是由高强度、抗腐蚀、抗疲劳钢索与各种形式的空间钢结构组合而成的一种新型结构形式。对于直径93米的世界最大跨度弦支穹顶结构，其最外圈环向索预应力张拉值达到250吨，钢结构施工的难度实属世界罕见，其中预应力拉索施工是这个工程的最大特色和难点。 由于北京工业大学体育馆工程的特殊性，在施工前工程师们必须进行大量的深化设计和
弦支穹顶结构设计分析2
弦支穹顶结构设计分析 来源网络作者：彭添刘振华刘祥字发布于2012/12/22 16:53:29 评论(0)有16人阅读 1 工程概况 三亚市体育中心(三亚市中等职业技术学校二期场馆)位于海南省三亚市，西临师部农场路，南接金鸡岭路，东靠东岸北路，北侧为技术学院一期工程用地，由体育馆、体育场、游泳馆三部分组成，是三亚市及职业学校新校区的标志性建筑群。体育馆总建筑面积12 764．8 m2，总座位2 934席；屋盖覆盖面积6 550 m2，采用预应力弦支穹顶钢结构体系。游泳馆总建筑面积4 621．3 m2，337座，屋盖覆盖面积3 700 m2，采用焊接球空间网架结构。体育馆主馆钢结构屋盖形状为圆形，直径为75．36 m，屋盖矢高为8．288 m；整个屋盖覆盖面积为3 700 m2。屋盖采用弦支穹顶结构体系。该结构体系由上部单层网壳和下部弦支索杆体系构成，上部单层网壳网格布置形式为Kiewitt型；下部弦支索杆体系以肋环型布置，设置3道环索，径向为钢拉杆；其中撑杆采用圆钢管，上下端铰接。该结构具有用钢量小、结构轻盈、钢结构构件截面类型少的特点。计算简图如图1所示。 本工程索承单层网壳屋盖，除具有一般索承单层网壳的结构特点外，还具有以下特点。 1)网壳矢高为8．288 m，矢跨比为8．288／75．36=0．11。网壳矢跨比不大，屋盖刚度一般，在施加预应力后，其网壳面外刚度有较大提高。 2)屋盖结构与下部混凝土结构采用三向铰支座。 3)在使用阶段，结构主要受力状况为：环向杆和拉索受拉，径向杆和撑杆受压。而在预应力张拉阶段，除
索受拉外，网壳各杆件和撑杆均受压。 4)在撑杆下节点处，撑杆、环索和径向钢棒的内力相互平衡，其中环索内力最大，撑杆内力最小。改动其中任何一个构件的内力，其他构件的内力也相应改变。 5)索承单层网壳屋盖为圆球形，且各方向上的结构布置较为均匀，因此结构受力比较均匀，内力变化幅度比较小。 6)对结构的构件布置情况及传力特点的分析得知，中心处由环向索、径向钢棒、竖向撑杆及钢管网壳组成的屋盖可以作为一个自承重的结构受力单元；其内力通过外层钢管网壳传递至下一圈由环向索、径向钢棒、竖向撑杆及钢管网壳组成的结构单元，此单元不能自承重，而是通过与上一层结构单元联合组成能自承重的结构受力单元。整个屋盖通过此种受力形式，将内力由上至下、一圈一圈逐渐传递至最底层的支座处。 2 结构选型 2．1 弦支穹顶结构拉索与径向钢棒 张弦梁拉索有3种规格，从外到内分别为Φ7×163、Φ7×73和Φ7×37高强度低松弛镀锌钢丝束，拉索有效截面面积分别为6 276，2 810，1 425 mm2，拉索抗拉强度为1 670 MPa，拉索锚具采用40Cr钢；径向钢棒为高强低合金钢，外圈Φ75，内部两圈Φ45，屈服强度不低于550 MPa。为了使受力更合理，将弦支穹顶的拉索锚固端节点设置在上弦截面的形心处，使拉索中的拉力由相交于一点的撑杆直接传递到弦杆上，同时也简化了拉索锚固端节点的构造。为了方便施工，张弦梁与撑杆间的连接采用了销轴式连接，索的布置如图2所示。
弦支穹顶结构设计分析2
来源网络作者：彭添刘振华刘祥字发布于2012/12/22 16:53:29 有16人阅读 1 工程概况 三亚市体育中心(三亚市中等职业技术学校二期场馆)位于海南省三亚市，西临师部农场路，南接金鸡岭路，东靠东岸北路，北侧为技术学院一期工程用地，由体育馆、体育场、游泳馆三部分组成，是三亚市及职业学校新校区的标志性建筑群。体育馆总建筑面积12 764．8 m2，总座位2 934席；屋盖覆盖面积6 550 m2，采用预应力弦支穹顶钢结构体系。游泳馆总建筑面积4 621．3 m2，337座，屋盖覆盖面积3 700 m2，采用焊接球空间网架结构。体育馆主馆钢结构屋盖形状为圆形，直径为75．36 m，屋盖矢高为8．288 m；整个屋盖覆盖面积为3 700 m2。屋盖采用弦支穹顶结构体系。该结构体系由上部单层网壳和下部弦支索杆体系构成，上部单层网壳网格布置形式为Kiewitt型；下部弦支索杆体系以肋环型布置，设置3道环索，径向为钢拉杆；其中撑杆采用圆钢管，上下端铰接。该结构具有用钢量小、结构轻盈、钢结构构件截面类型少的特点。计算简图如图1所示。 本工程索承单层网壳屋盖，除具有一般索承单层网壳的结构特点外，还具有以下特点。 1)网壳矢高为8．288 m，矢跨比为8．288／75．36=0．11。网壳矢跨比不大，屋盖刚度一般，在施加预应力后，其网壳面外刚度有较大提高。 2)屋盖结构与下部混凝土结构采用三向铰支座。
3)在使用阶段，结构主要受力状况为：环向杆和拉索受拉，径向杆和撑杆受压。而在预应力张拉阶段，除索受拉外，网壳各杆件和撑杆均受压。 4)在撑杆下节点处，撑杆、环索和径向钢棒的内力相互平衡，其中环索内力最大，撑杆内力最小。改动其中任何一个构件的内力，其他构件的内力也相应改变。 5)索承单层网壳屋盖为圆球形，且各方向上的结构布置较为均匀，因此结构受力比较均匀，内力变化幅度比较小。 6)对结构的构件布置情况及传力特点的分析得知，中心处由环向索、径向钢棒、竖向撑杆及钢管网壳组成的屋盖可以作为一个自承重的结构受力单元；其内力通过外层钢管网壳传递至下一圈由环向索、径向钢棒、竖向撑杆及钢管网壳组成的结构单元，此单元不能自承重，而是通过与上一层结构单元联合组成能自承重的结构受力单元。整个屋盖通过此种受力形式，将内力由上至下、一圈一圈逐渐传递至最底层的支座处。 2 结构选型 2．1 弦支穹顶结构拉索与径向钢棒 张弦梁拉索有3种规格，从外到内分别为Φ7×163、Φ7×73和Φ7×37高强度低松弛镀锌钢丝束，拉索有效截面面积分别为6 276，2 810，1 425 mm2，拉索抗拉强度为1 670 MPa，拉索锚具采用40Cr钢；径向钢棒为高强低合金钢，外圈Φ75，内部两圈Φ45，屈服强度不低于550 MPa。为了使受力更合理，将弦支穹顶的拉索锚固端节点设置在上弦截面的形心处，使拉索中的拉力由相交于一点的撑杆直接传递到弦杆上，同时也简化了拉索锚固端节点的构造。为了方便施工，张弦梁与撑杆间的连接采用了销轴式连接，索的布置如图2所示。