勁性支撐屋頂結(jié)構(gòu)的構(gòu)造與應(yīng)用

首先，美國著名的工程師geiger將其應(yīng)用于漢城奧運會的體操中心和擊劍館，然后先后建成了10多個頂層結(jié)構(gòu)。紅鳥體育館、太陽海岸體育館、佐治亞晉升為中心、圣彼得堡魚雷丘陵體育館、阿拉伯利亞德大學(xué)體育館（可開啟山頂）。2009年，中國在無錫太湖國際高技術(shù)交流中心完成了中國第一個剛性屋頂。2011年，中國在鄂爾多斯的伊金霍洛旗上建造了中國大陸上第一座大型屋頂結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在上述兩種情況下得到了實際應(yīng)用，但仍存在許多技術(shù)問題，限制了該結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用。同時高強鋼拉桿得到了發(fā)展和廣泛應(yīng)用,據(jù)此筆者提出了一種新型的張拉整體結(jié)構(gòu)———勁性支撐穹頂結(jié)構(gòu).1支持屋頂結(jié)構(gòu)的提出1.1索頂結(jié)構(gòu)施工技術(shù)難題索穹頂結(jié)構(gòu)是一種由索、桿、膜組合而成的預(yù)張力空間結(jié)構(gòu),被認(rèn)為是代表當(dāng)前空間結(jié)構(gòu)發(fā)展最高水平的結(jié)構(gòu)形式.但由于索穹頂結(jié)構(gòu)自身的結(jié)構(gòu)特點決定著其施工成形過程中存在如下技術(shù)難題.首先,索穹頂結(jié)構(gòu)初始態(tài)的桿件定位困難.索穹頂結(jié)構(gòu)的形態(tài)分為零狀態(tài)、初始態(tài)和荷載態(tài).初始平衡態(tài)是整個設(shè)計工作的起點,也是零狀態(tài)和荷載態(tài)形態(tài)分析的根本依據(jù).初始態(tài)是結(jié)構(gòu)建成驗收時的平衡形態(tài),必須與建筑施工圖上對建筑形狀的要求相一致,即結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫问胶凸?jié)點坐標(biāo)與建筑施工圖相一致,方可滿足竣工驗收要求.從結(jié)構(gòu)內(nèi)力角度看,桿件內(nèi)力不僅包括預(yù)應(yīng)力效應(yīng),而且還包括恒荷載產(chǎn)生的內(nèi)力效應(yīng).如果索穹頂結(jié)構(gòu)成型過程中施工方法和過程與理論分析的假設(shè)和算法不符,則成形結(jié)構(gòu)可能面目全非或者極大地改變了結(jié)構(gòu)形狀.索穹頂結(jié)構(gòu)除了對施工方法和過程與理論分析提出了很高的要求之外,在工程施工過程中,對拉索和撐桿的制作精度,結(jié)構(gòu)的裝配精度,索的張拉是否同步、均勻等都提出很高的要求.索穹頂結(jié)構(gòu)對誤差非常敏感,誤差會對桿件的定位造成影響,易出現(xiàn)與建筑圖的建筑形狀不一致的情況.因此,索穹頂結(jié)構(gòu)初始態(tài)的桿件定位是該結(jié)構(gòu)施工過程中的技術(shù)難題之一.其次,索穹頂結(jié)構(gòu)在施加初始預(yù)應(yīng)力前,結(jié)構(gòu)幾乎不存在自然剛度,不能維持一個穩(wěn)定的初始平衡形狀,剛度、穩(wěn)定性均比較差.目前,解決索穹頂結(jié)構(gòu)的上述技術(shù)難題主要有以下兩種途徑.第一,尋找簡捷高效且精度好的施工模擬方法和施工工藝.許多學(xué)者進(jìn)行了這方面的研究,袁行飛應(yīng)用“拆桿法”的反分析法,從結(jié)構(gòu)的理想設(shè)計成形狀態(tài),以成形時索、桿內(nèi)力和坐標(biāo)為初值,逐步拆除斜索,確定出各個階段的理想施工控制參數(shù).羅堯治采用奇異值分解法模擬分析了索桿張力體系的成形過程.沈祖炎應(yīng)用懸鏈線索元分析理論,采用控制索原長的方法在理論上實現(xiàn)了索穹頂?shù)氖┕埨?黃呈偉探討了索穹頂?shù)膹埨ば蚝蛢?nèi)力控制等施工手段,采用幾何非線性有限元法,結(jié)合結(jié)構(gòu)的連接和整體張拉過程,對結(jié)構(gòu)的施工模擬進(jìn)行了計算.陳聯(lián)盟等采用動力松弛法、控制構(gòu)件原長的找形分析方法對索穹頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了施工過程模擬分析.張建華采用非線性時變有限元分析方法,對索穹頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全過程跟蹤分析.唐建民等應(yīng)用有限元法對圓形的Geiger型索穹頂?shù)氖┕み^程進(jìn)行了研究.董石麟等提出了7種不同的施工張拉方法并對其進(jìn)行研究.洪國松等對肋環(huán)型索穹頂結(jié)構(gòu)的張拉成型、仿真計算及施工監(jiān)測等進(jìn)行了研究.第二,通過改良和創(chuàng)新新型的結(jié)構(gòu)來解決施工技術(shù)難題.蔡麗等提出傾斜撐桿式索穹頂結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)傾斜撐桿,使得脊索、斜索和撐桿不在同一個平面內(nèi)構(gòu)成“立體桁架”.卓新等提出了逐層雙環(huán)索穹頂結(jié)構(gòu),與傳統(tǒng)的索穹頂結(jié)構(gòu)比較,新型索穹頂結(jié)構(gòu)每層增加了一道環(huán)索.劉晚成等提出了預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼-索穹頂組合結(jié)構(gòu).呂晶等提出了一種勁柔索張拉穹頂結(jié)構(gòu),該種結(jié)構(gòu)是把索穹頂結(jié)構(gòu)中由于重力加載而發(fā)生卸載或易松弛的某些拉索更換為勁性索.上述兩種途徑雖然在一定程度上解決了索穹頂結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)難題,但都無法從根本上解決索穹頂結(jié)構(gòu)初始剛度低穩(wěn)定性差以及對誤差敏感性差造成的桿件定位難等問題.造成索穹頂結(jié)構(gòu)施工技術(shù)難題的根本原因是索為柔性構(gòu)件,幾乎沒有自然剛度,對各種誤差非常敏感且不容易在施工過程中定位.若在保持索穹頂結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)高效等優(yōu)點的前提下,提高桿件的自然剛度,無疑是很好的選擇.提高桿件自然剛度的方法就是用剛性構(gòu)件替代柔性構(gòu)件,在考察高強鋼拉桿的性能和應(yīng)用的基礎(chǔ)上,提出用高強鋼拉桿替換索穹頂結(jié)構(gòu)下部柔性拉索的設(shè)想.1.2高強度鋼拉拔施工高強度鋼拉桿作為建筑工程中的主要受力構(gòu)件,在國內(nèi)外各種類型的建筑工程中使用較為普遍.在國內(nèi),最早應(yīng)用于上海浦東新國際博覽中心的柱間支撐中,然后在深圳會展中心、西安咸陽機場候機樓、濟(jì)南奧體中心體育館等工程均有應(yīng)用.高強度鋼拉桿主要是指屈服強度大于460MPa的鋼拉桿.目前,高強度鋼拉桿的桿體極限抗拉強度已經(jīng)達(dá)到1030MPa.鑒于熱處理和運輸能力,單根桿體長度不超過12m.對于更長的鋼拉桿的應(yīng)用,可以通過調(diào)節(jié)套筒連接,總長度可以超過百米,可以解決大跨度結(jié)構(gòu)的需要.按照《鋼拉桿》(GB/T20934-2007)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,屈服強度為650MPa的高強鋼拉桿直徑可達(dá)120mm,完全可以滿足工程需要.1.3勁性支撐頂結(jié)構(gòu)針對索穹頂結(jié)構(gòu)的初始(建立起適當(dāng)預(yù)應(yīng)力分布之前)剛度、穩(wěn)定性差及初始態(tài)桿件定位困難等難題,在探討高強度鋼拉桿發(fā)展的基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)提出了勁性支撐穹頂結(jié)構(gòu),如圖1所示.該結(jié)構(gòu)為上柔下剛穹頂,上層是索網(wǎng)體系,下部全部由剛性桿支撐.2勁性支撐頂板結(jié)構(gòu)拓?fù)涞倪x擇依據(jù)勁性支撐穹頂結(jié)構(gòu)的概念,確定合理的結(jié)構(gòu)拓?fù)湫问绞鞘滓鉀Q的問題.索穹頂結(jié)構(gòu)是一種構(gòu)造輕盈、造型別致、效率極高的空間結(jié)構(gòu).如果在不改變索穹頂結(jié)構(gòu)拓?fù)湫问酵瑫r具有比較好的承載能力和結(jié)構(gòu)效率的情況下,形成勁性支撐穹頂結(jié)構(gòu)是比較好的選擇.因此是否能夠按照索穹頂結(jié)構(gòu)的拓?fù)潢P(guān)系形成勁性支撐穹頂結(jié)構(gòu),從以下幾個方面進(jìn)行分析.2.1勁性支撐頂板結(jié)構(gòu)勁性支撐穹頂結(jié)構(gòu)下部為剛性桿支撐體系,材料為建筑高強剛性桿,《鋼拉桿》規(guī)范上剛性桿最大抗拉強度為850MPa,而常用拉索的抗拉強度為1670MPa.由于剛性桿的屈服強度比拉索的低很多,在不改變結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫问?把下部拉索換成剛性桿之后,會不會導(dǎo)致桿件截面過大?如果桿件截面過大,有可能超過《鋼拉桿》標(biāo)準(zhǔn)對高強鋼拉桿的直徑的限制,使結(jié)構(gòu)不可行.即使?jié)M足標(biāo)準(zhǔn)對直徑的限制,桿件截面面積過大,也會使節(jié)點構(gòu)造復(fù)雜.因此桿件截面的大小是關(guān)鍵問題之一,它影響著勁性支撐穹頂結(jié)構(gòu)是否能夠按照索穹頂結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫问絹沓尚?下面通過算例進(jìn)行分析.設(shè)有兩道環(huán)桿的肋環(huán)型勁性支撐穹頂結(jié)構(gòu)跨度為70m,矢高5.5m,矢跨比1/13,環(huán)向20等分,中心拉力環(huán)、第一、二圈撐桿的高度分別為:5.3m、5.8m、6.8m.結(jié)構(gòu)如圖2所示.圓鋼桿的彈性模量為2.06×105MPa,索的彈性模量為1.9×105MPa,圓鋼桿的抗拉強度為850MPa,索的抗拉強度為1670MPa.構(gòu)件各節(jié)點均為鉸接,支撐條件為周邊三向固定鉸支承.膜重度為0.01kN/m2,屋面活荷為0.5kN/m2,基本風(fēng)壓取為0.45kN/m2.桿件截面面積比較原則,在相同的拓?fù)鋷缀涡问郊跋嗤耐夂奢d作用下,充分發(fā)揮拉索和拉桿的力學(xué)性能,將索穹頂結(jié)構(gòu)下部拉索截面面積和勁性支撐穹頂結(jié)構(gòu)拉桿截面面積進(jìn)行對比分析.同時考察勁性支撐穹頂結(jié)構(gòu)內(nèi)部脊索的截面面積和剛性桿的截面面積.依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計規(guī)范》(GB50009-2001)對荷載進(jìn)行組合,考慮三種荷載工況,如表1所示.三種工況下的節(jié)點荷載,如表2所示.根據(jù)《預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS212:2006)中的“3.3.1預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)中的拉索,除應(yīng)保證索材在彈性狀態(tài)下工作外,在各種工況下均應(yīng)保證索力大于零.鋼索強度設(shè)計值不應(yīng)大于索材極限抗拉強度的40%~55%,,重要索取低值,次要索取高值.”索穹頂結(jié)構(gòu)中最外圈環(huán)索的拉力較大,屬于重要索,因此索的抗拉強度設(shè)計值取744MPa.鋼拉桿的抗拉強度設(shè)計值為340MPa.對上述相同幾何拓?fù)湫问降乃黢讽斀Y(jié)構(gòu)和勁性支撐穹頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力計算,以充分發(fā)揮受力最不利桿件的力學(xué)性能,同時考慮結(jié)構(gòu)的節(jié)點位移滿足要求.表3列出了不同荷載工況下索穹頂結(jié)構(gòu)的拉索截面的最大截面面積以及勁性支撐穹頂結(jié)構(gòu)的脊索和環(huán)桿截面最大截面面積.由表3可以看出,70m、64m、58m跨勁性支撐穹頂結(jié)構(gòu)與索穹頂結(jié)構(gòu)的桿件截面面積之比分別為2.752、2.691、2.527,桿件的直徑之比分別為1.66、1.64、1.59.勁性支撐穹頂結(jié)構(gòu)的桿件的直徑分別為87.4mm、87.4mm、77.8mm.勁性支撐穹頂結(jié)構(gòu)內(nèi)部剛性桿與拉索的截面面積比分別為5.217、4.651、4.095,桿件直徑之比分別為2.284、2.157、2.024.對以上結(jié)果進(jìn)行分析可得到,第一:勁性支撐穹頂結(jié)構(gòu)剛性桿的直徑滿足《鋼拉桿》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,實際工程中能夠?qū)崿F(xiàn);第二:勁性支撐穹頂結(jié)構(gòu)下部拉桿的截面積比索穹頂結(jié)構(gòu)拉索截面積大,但是大的程度有限,不會造成截面面積大很多的現(xiàn)象;第三:勁性支撐穹頂結(jié)構(gòu)內(nèi)部剛性桿截面積比拉索截面面積大,但不會造成節(jié)點構(gòu)造復(fù)雜的情況.2.2勁性支撐頂架結(jié)構(gòu)設(shè)計時長索穹頂結(jié)構(gòu)是一種效率極高、自重很輕,且單位面積的平均重量不會隨結(jié)構(gòu)跨度的增大而明顯增加的結(jié)構(gòu).勁性支撐穹頂結(jié)構(gòu)下部被換成剛性桿之后自重是否會變得很大,如果自重變得很大會使得結(jié)構(gòu)顯得笨重不經(jīng)濟(jì).即使勁性支撐穹頂結(jié)構(gòu)的自重不會變得很大,該結(jié)構(gòu)的自重會不會隨著跨度增加而明顯增加.下面通過算例進(jìn)行分析.采用與上面算例相同的初始條件,考慮在52m、58m、61m、64m、70m幾種跨度下的勁性支撐穹頂結(jié)構(gòu)單位面積用鋼量,并與索穹頂結(jié)構(gòu)的單位面積用鋼量進(jìn)行對比分析.兩種結(jié)構(gòu)單位面積用鋼量隨著跨度的變化如圖3所示.從圖可以看出,隨著跨度的增加,勁性支撐穹頂結(jié)構(gòu)的單位面積用鋼量也有所增加,但是增加并不明顯.同時和索穹頂結(jié)構(gòu)比較起來,單位面積用鋼量有所增加,但增加不多,最大增幅為64m跨時的66.5%,且用鋼量不超過23kg/m2.可以說勁性支撐穹頂結(jié)構(gòu)也是一個自重很輕的結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)單位面積的平均用鋼量不會隨結(jié)構(gòu)跨度的增加而明顯增加.基于上述兩項分析結(jié)果,在不改變索穹頂結(jié)構(gòu)拓?fù)湫问降那疤嵯?勁性支撐穹頂結(jié)構(gòu)較之索穹頂結(jié)構(gòu),桿件截面面積不會增加很多,且自重較輕,單位面積用鋼量不會隨著跨度的增加而增大.因此,按照索穹頂結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫问絹硇纬蓜判灾务讽斀Y(jié)構(gòu)是合理的.3體系的穩(wěn)定性分析勁性支撐穹頂結(jié)構(gòu)由上部索網(wǎng)、下部支撐桿系組成,是一種索桿張力結(jié)構(gòu).對于索桿張力結(jié)構(gòu)而言,結(jié)構(gòu)初始平衡態(tài)的合理性首先面臨的是一個結(jié)構(gòu)判定問題,一般包括以下幾個方面的內(nèi)容:(1)體系的幾何穩(wěn)定性分析;(2)體系中是否可以維持預(yù)應(yīng)力;(3)體系中維持的預(yù)應(yīng)力是否可以剛化結(jié)構(gòu).勁性支撐穹頂結(jié)構(gòu)上部為索網(wǎng),在初始態(tài)中索的預(yù)應(yīng)力通常是較大的,而相應(yīng)的索上橫向荷載較小,因此在高張力作用下索段由于橫向荷載造成的垂度是可以忽略的,從工程設(shè)計角度來看,初始態(tài)將索按直桿單元處理所造成的誤差是允許的.因此,勁性支撐穹頂結(jié)構(gòu)可以看成是空間桿件體系,空間桿件體系的結(jié)構(gòu)可行性判定可以依據(jù)Calladine和Pellegino等的研究工作給與判定,因此勁性支撐穹頂結(jié)構(gòu)的可行性得以判定.4支持屋頂結(jié)構(gòu)的分類和特點4.1覆蓋層材料類型.根據(jù)結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫问讲煌?勁性支撐穹頂結(jié)構(gòu)大致分為肋環(huán)型(圖1所示)、利維型、凱威特型(圖4所示)等.根據(jù)覆蓋層材料不同,可分為柔性屋面勁性支撐穹頂結(jié)構(gòu)和剛性屋面勁性支撐穹頂結(jié)構(gòu).根據(jù)撐桿是否傾斜,可以分為豎直撐桿式(圖5所示)和傾斜撐桿式(圖6所示)兩種.4.2勁性支撐頂結(jié)構(gòu)基于上述分析可以將勁性支撐穹頂結(jié)構(gòu)的特點概括如下:(1)建立起適當(dāng)預(yù)應(yīng)力分布前的初始剛度較好.和索穹頂結(jié)構(gòu)相比,勁性支撐穹頂結(jié)構(gòu)在整個結(jié)構(gòu)建立起適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力分布之前,下部剛性桿具有一定的剛度,此時的剛度、穩(wěn)定性要比索穹頂結(jié)構(gòu)好.(2)施工成型過程桿件定位容易.和索穹頂結(jié)構(gòu)相比,結(jié)構(gòu)下部為剛性桿系,在施工成型過程中較容易定位,很大程度上可避免使結(jié)構(gòu)面目全非或者極大改變結(jié)構(gòu)形狀的情況發(fā)生.(3)自支撐自平衡體系.勁性支撐穹頂結(jié)構(gòu)是由拉索、桿系組成的自支撐體系.它在結(jié)構(gòu)成型過程中不斷自平衡.此時,周邊支撐環(huán)梁都屬于自平衡構(gòu)件.(4)結(jié)構(gòu)具有較高的效率.和索穹頂結(jié)構(gòu)相比,勁性支撐穹頂結(jié)構(gòu)的單位面積用鋼量雖然有所增加,但是增加有限,仍是一種自重很輕的結(jié)構(gòu).而且隨著跨度的增加單位面積用鋼量增加不明顯.因此,勁性支撐穹頂結(jié)構(gòu)是一種適合于大跨度結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu).5勁性支撐頂結(jié)構(gòu)的應(yīng)用技術(shù)研究通過本文的分析,可以得出勁性支撐穹頂結(jié)構(gòu)的合理結(jié)構(gòu)形式,同時可知結(jié)構(gòu)具有較高的結(jié)構(gòu)效率