几个大跨度弦支穹顶结构的比较与分析

大跨空间析架弦支穹顶结构体系及建造关键技术研究与应用说起大跨空间析架弦支穹顶结构，嘿，这可是个不得了的东西。

你要是从天上俯瞰，看到的可能是一座座仿佛挂在天上的“大网”一样的建筑。

它们常常出现在大型场馆、体育馆、展览中心这些地方，造型霸气，气派十足，给人一种大气磅礴的感觉。

你看那些建筑，表面简洁得很，但细看时，你会发现它们的结构就像是一座精密的时钟，里面有着无数条支撑力、压力和力量的“线路”。

这玩意儿要搞明白，得先从它的“骨架”说起。

这个架子啊，咱就叫它“弦支穹顶”。

别看名字长得有点儿高深，实际搞清楚了，就跟拆开一块拼图似的，容易明了。

这东西的好处多了，它比传统的钢筋混凝土建筑轻得多。

想象一下，如果你在一个巨大的空间里放上一个笨重的屋顶，那顶棚一旦下沉，就麻烦了。

可是弦支穹顶，嘿，它的力学结构设计得巧妙无比，能够均匀分布压力，避免让整个结构“塌下去”，说白了，就是一个“不怕压力”的好帮手。

更让人惊叹的是，很多时候它不需要那么多的支柱就能站得稳，这简直是给空间腾地方！你不禁想，哇，这设计真是妙啊，空间大了，视觉感受也不一样，整个建筑看起来都开阔了不少。

不过，你可能会问，那建造这种弦支穹顶，难度是不是特别高？嘿，没错，真得难得要命。

要知道，造一个这样的结构，首先得考虑如何把这么复杂的元素搭建起来。

就像做拼图似的，一开始每个零件都很散，每个构件之间的连接要精确到毫米级，谁都不能马虎。

大家都知道，建筑嘛，任何一个环节出差错，可能全局就得“推倒重来”，所以在施工过程中，那些技术工人可得像医生一样，手稳眼准，每一个动作都得小心谨慎。

别说是安装这些弦支、钢架了，就是每一根材料的搬运，都是对技术团队的挑战。

除了这些技术挑战，还有一个不得不提的就是施工时的“精准度”。

这些大跨空间结构，材料的搭配、铺设，都是按照最严苛的标准来的。

工程师们计算得死死的，一点儿误差都不允许。

所以，一开始设计时，要做到“心中有数”，连每一根钢筋都要算得清清楚楚，计算得明明白白。

摘要随着现代社会的发展和人类生活水平的提高，人们对于大跨度空间的需求越来越多，代表性场所包括体育馆、会展中心、博物馆、候机厅、影剧院、飞机库和车站等。

传统的平面结构如梁、拱、桁架和钢架等，受其结构特性的限制，很难覆盖较大的空间。

而空间结构正好能满足大跨度建筑要求的结构形式，它不仅受力合理，而且能做出各种优美的建筑造型。

其中最常用的空间结构—弦支穹顶结构由于在2008年奥运会和2009年全国运动会的应用，使弦支穹顶结构成为新结构体系的一颗明星。

凭借其合理的传力机制、美观的建筑效果和经济的工程造价，弦支穹顶结构已经得到中国科研、教学、设计、施工等业界的认可，在实际工程应用中，无论是数量还是跨度上，都为世界之最。

弦支穹顶最早由日本政法大学Mamoru Kawaguchi 教授于1993年提出。

弦支穹顶结构又称之为索承网壳结构，是传统的单层或双层网壳结构和索穹顶结构结合的衍生物，它综合了单层网壳和索穹顶结构优良性能于一体，是一个由单层或双层网壳代替索穹顶的上层索网后形成的一种新型杂交结构。

弦支穹顶结构通过下层索系、上层刚性网壳和竖向撑杆共同工作而承受外部荷载，结构通过对下层索系（径向索和环向索）施加预应力而为结构提供足够的竖向刚度，并在结构内形成水平作用自平衡的结构体系。

它一方面改善了上部单层网壳结构的整体稳定性，使结构能跨越更大的空间；另一方面，弦支穹顶结构具有一定初始刚度，其设计、施工成形以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。

另外，两种结构体系对支座的作用相互抵消，使结构成为自平衡体系，在充分发挥单层网壳结构受力优势的同时能充分利用索材的高强抗拉性，调整体系的内力分布，降低内力幅值，从而提高结构的承载能力。

本文共分为三个部分，第一部分主要介绍了弦支穹顶的发展历史；第二章主要介绍弦支穹顶的发展现状并列举了大量的国内外弦支穹顶工程应用实例；第三章主要介绍弦支穹顶需要解决的问题。

关键词：（弦支穹顶、网壳、索穹顶、预应力）目录摘要 (1)1弦支穹顶的发展历史 (1)1.1预应力钢结构 (1)1.2单层网壳 (3)1.3双层网壳 (4)1.4索穹顶结构 (4)1.5弦支穹顶结构的提出 (6)2弦支穹顶的发展现状 (7)2.1弦支穹顶的基本概念 (7)2.1.1弦支穹顶结构的组成 (7)2.1.2弦支穹顶结构的原理 (7)2.1.3弦支穹顶结构的特点 (8)2.2弦支穹顶的分类 (10)2.2.1肋环形弦支穹顶 (10)2.2.2施威德勒型弦支穹顶 (10)2.2.3联方型弦支穹顶 (11)2.2.4凯威特型弦支穹顶 (11)2.2.5凯威特—联方型弦支穹顶 (12)2.2.6三向网格弦支穹顶 (12)2.3弦支穹顶的研究现状 (13)2.3.1弦支穹顶结构形态分析 (13)2.3.2弦支穹顶结构预应力的设置 (13)2.3.3弦支穹顶结构的静动力分析 (14)2.3.4弦支穹顶结构施工过程全分析 (16)2.3.5弦支穹顶结构试验研究 (18)2.4弦支穹顶的工程应用 (18)2.4.1光丘穹顶 (19)2.4.2聚会穹顶 (20)2.4.3天津保税区商务中心大堂屋盖 (20)2.4.4天津博物馆贵宾厅屋盖 (21)2.4.5常州体育馆 (21)2.4.6 2008年奥运会羽毛球馆屋盖 (22)2.4.7 武汉市体育中心体育馆 (23)2.4.8 济南奥体中心体育馆 (24)2.4.9 安徽大学体育馆 (25)2.4.10 辽宁营口体育馆 (25)2.4.11山东茌平体育馆 (26)2.4.12三亚体育中心体育馆 (27)2.4.13重庆渝北体育馆 (27)2.4.14大连市体育馆 (28)3弦支穹顶存在的问题 (30)3.1网壳网格形式与尺寸确定 (30)3.2风荷载对弦支穹顶的影响 (30)3.3弦支穹顶的张拉方案 (31)3.4弦支穹顶的预应力 (31)3.5弦支穹顶结构温度效应研究 (31)3.6弦支穹顶结构节点设计研究 (31)3.7弦支穹顶结构索滑移模拟研究 (32)3.8超大跨度弦支穹顶结构的设计研究 (32)3.9弦支穹顶结构索力的测试及其补偿技术研究 (32)参考文献 (33)1弦支穹顶的发展历史弦支穹顶结构是由上层单层球面网壳和下层环索、斜索通过竖杆连接，索由网壳节点连接到悬挂于单层球面网壳的竖杆的下端而成的新型交空间结构。

几个大跨度弦支穹顶结构的比较与分析汇报内容一、弦支穹顶的结构特点二、结构组成对比与分析三、施工方案对比与分析四、小结一、弦支穹顶的结构特点结构特点弦支穹顶结构又称之为索承网壳结构，是传统的单层或双层网壳结构和索穹顶结构结合的衍生物，它综合了单层网壳和索穹顶结构优良性能于一体，是一个由单层或双层网壳代替索穹顶的上层索网后形成的一种新型杂交结构。

弦支穹顶结构通过下层索系、上层刚性网壳和竖向撑杆共同工作而承受外部荷载，结构通过对下层索系（径向索和环向索）施加预应力而为结构提供足够的竖向刚度，并在结构内形成水平作用自平衡的结构体系。

二、结构组成对比与分析典型工程近几年来国内对弦支穹顶结构进行了比较多的理论分析和试验研究，已经建成的弦支穹顶结构也不少，近几年建成的有：武汉体育中心体育馆(115X135m)、济南奥体中心体育馆（122m)、常州体育会展中心体育馆(120X80m)、北京工业大学体育馆（93m）、三亚体育中心体育馆（76m）、安徽大学体育馆(76.2m）等，我有幸参与了其中四个工程的施工。

这里将对其中体系、外形、施工方法上均有代表性的三个工程的施工技术做一个简要介绍。

安徽大学体育馆钢屋盖平面为边长44m的正六边形，对边距离为76.2m，正六边形柱网外接圆直径为88m，最大挑檐长度6m，屋盖最大高度11.55m；屋盖中央设置边长12m正六边形的采光玻璃天窗。

屋盖上层为箱型构件的正交正放网壳（中间采光顶为凯威特型），下层索系为4道环索、6道径索和撑杆组成，六边形的每边设置6个支座，在采光顶的正六边形周围和结构外沿正六边形周围分别各设置了一圈封闭的三管桁架，外沿的封闭桁架。

以人为本科技为先精工钢构集团JINGGONG STEEL GROUP 安徽大学体育馆斜拉杆斜脊梁撑杆环索以人为本科技为先安徽大学体育馆＋＋单层网壳支承索系与撑杆边缘支撑构件以人为本科技为先常州体育馆体育馆平面为椭圆形，长轴为120米，短轴80米，屋盖矢高23米。

大跨弦支穹顶结构的动力反应分析钱曙珊【摘要】采用大型有限元软件ANSYS对大跨弦支穹顶结构的自振特性和地震响应进行了计算分析.考虑了不同初始状态对结构频率分布及振型特征的影响,比较了弦支穹顶结构和单层网壳结构自振特性的差异.计算了多点地震动波速输入下,大跨弦支穹顶结构的动力反应.研究结果表明,行波效应对大跨弦支穹顶结构的地震响应影响显著,特别是当多点输入相位差较大时,结构的内力和位移峰值都会有明显的增大,当场地土土质较软时不能忽略行波时滞的影响;常遇地震输入下,大跨弦支穹顶结构的位移和内力变化都较小,计算中可以不考虑几何和材料的非线性.【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2010(043)001【总页数】6页(P26-31)【关键词】弦支穹顶;动力有限元;模态分析;行波效应;时程分析【作者】钱曙珊【作者单位】天津大学建筑工程学院,天津,300072【正文语种】中文【中图分类】TU359弦支穹顶结构[1]是由单层网壳和弦支体系(张拉结构)组合而成的自平衡体系，它又是异钢种预应力杂交空间结构体系．其中高强预应力拉索的引入使钢材强度的利用更加充分，结构自重因此而降低；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；张拉结构部分不仅增强了总体结构的刚度，还大大提高了单层网壳部分的稳定性，因此弦支穹顶结构的跨度可以做得较大；因为刚性的网壳对边界施以(水平向)外推力，而柔性的张拉结构对边界产生(水平向)内拉力，组合起来后二者可以相互抵消部分水平力，所以弦支穹顶结构对边界约束要求较低，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于零．弦支穹顶结构的众多优势，使它具有广阔的应用空间，为此需研究此类工程的抗震性能．由于实际地震动非常复杂，地震动的频谱、幅值和持续时间受到震源、传播途径和局部场地等因素的综合影响，特别是对于大跨结构，更需充分考虑地震动的空间复杂性．本文以目前世界上跨度最大的常州体育馆为例，利用大型有限元软件ANSYS强大的动力分析功能，首先通过模态分析，研究了大跨弦支穹顶结构的自振特性；进而考虑行波效应的影响，对其进行了地震动时程分析，探讨了此类结构的地震反应规律，揭示了行波效应对此类结构的影响机理．常州体育馆的钢屋盖为弦支穹顶结构，如图1所示．它在空间上呈椭球体，结构投影的椭圆长轴长为114.08 m，短轴长为76.04 m，结构矢高21.08 m．结构上部网壳为单层网壳，其中心部位的网格形式为凯威特型(K8)、外围部位的网格形式为联方型，结构分析假定边界采用固定铰支承约束；下部的索系为Levy索系，由环向索和径向索构成，共设8道环索，其中径向索共计308根，环向索(分段计算)155根．在ANSYS中，选用LINK8单元模拟上弦径向杆、环向杆和竖向撑杆；选用具有单向受力特性的LINK10 单元模拟径向索和环索．这两种单元均包含应力刚化和大位移的能力，可以进行非线性计算．结构杆件截面选取如下．上部网壳圆钢管(Q345)尺寸规格为：1～7圈环向杆件选用φ351 mm×10，8～11圈环向杆件选用φ351 mm×12；1～5圈间径向杆件选用φ245 mm×8，5～8圈间径向杆件选用φ245 mm×10，8～11圈间径向杆件选用φ245 mm×12；竖向撑杆均选用φ121 mm×8圆钢管；拉索(环索和径索)的1～5圈和6～8圈分别采用φ50 mm和φ70 mm钢绞线，弹性模量为180 GPa．本文采用ANSYS软件研究了常州体育馆大跨弦支穹顶结构的自振特性．选择子空间迭代法进行模态分析．对弦支穹顶这种特殊的大跨结构，需首先通过拉索对结构施加初始预应力，使结构在重力和预应力共同作用下达到平衡，保证结构达到预想的几何形态．考虑了施加预应力引起的大变形效应对结构自振特性的影响．首先加入预应力和边界条件进行静力分析，然后对预应力结构体系进行模态分析．拉索初始预应力见表1．值得注意的是在后续模态计算中需采用ANSYS求解器中的分块求解算法．为更好地了解弦支穹顶结构的动力特性，同时对上部的单层网壳(不考虑索撑体系作用)进行了模态分析．经过数值计算，对于本文中的模型而言，单层网壳和弦支穹顶的自振频率如表2所示．其中弦支穹顶1、弦支穹顶2分别对应不考虑大变形效应和考虑大变形效应的结果．从表2可以看出，不考虑大变形效应和考虑大变形效应的计算结果比较接近，考虑初始状态大变形效应的结构频率略高．事实上，试验[2-5]与理论计算都表明，该弦支穹顶结构在荷载作用下，节点处的最大应力仅为材料屈服强度的15%，材料应变和结构变形都较小．实际模态分析可以忽略大变形影响.图2～图9给出了弦支穹顶1的前8阶振型图.从振型图可以看出，与单层网壳类似，跨中部分竖向刚度相对较弱；当以水平振动为主时，须注意下层拉索会出现较大位移．采用时程分析法，选用El Centro波来定量分析弦支穹顶结构的动力响应，针对结构的大跨度特性，考虑了行波效应[6]．利用ANSYS软件进行地震响应分析[7-8]．由于实际地震观测中记录的一般是加速度，还不能获取完全真实的位移时程；用大质量法进行行波分析在理论上已经比较成熟，故用这种方法进行行波效应分析．采用Newmark-beta积分算法，计算时间步长由结构的自振频率来决定，研究发现，时间步长一般应小于模型自振周期T的1/10，在此取Δt=T/20．这样可以获得有足够精度的结果．地震波在基岩中的传播速度为2,000～2,500,m/s，在软土层传播速度为50～250,m/s．考虑地震波传播速度的各种可能性，取视波速为100～2,600,m/s．本文计算选取地震波速vs分别为200,m/s、500,m/s、1,000,m/s和10,000,m/s 4种情况，由于分析模型的最大跨度接近120,m，所以地震波在基底传播中的相位差约为0.01～0.6,s．计算所使用的地震波为E1 Centro波．由于该工程的设防烈度为7度，所在场地为二类，按规范要求需对地震波进行调幅．常遇地震和罕遇地震验算的加速度峰值分别取35,cm/s2和220,cm/s2．由于大震时结构可能会出现拉索松弛及局部构件的塑性屈服，分析中需考虑几何及材料非线性，这超出了本文的研究范围．本文仅考虑常遇地震情况下结构的地震反应计算．对于地震动单向输入的情况(沿结构椭圆平面的短轴方向)，首先直接对上部结构输入加速度，计算结构在一致激励下的地震响应．结果表明：常遇地震情况下，结构位移很小，同初始状态相比，拉索应力及上部网壳杆件内力变化幅度不大．考虑不同地震动波速[9-10]对地震响应的影响，当波速取10,000,m/s时，如图10和图11所示，顶点位移及拉索内力与一致输入时(两种不同的计算方法)基本一致．计算中取支座处大质量值为1012,kg，能够保证结果的稳定．图12和图13分别给出了结构模型中两典型节点随波速变化的位移时程，可以看出波速对地震响应有非常显著的影响：当场地土质较软、波速较小时，若考虑行波效应，位移响应计算结果会明显放大．随着波速增大，逐渐接近一致输入情况．波速取1,000,m/s时，位移幅值和一致输入差异不大．图14和图16给出了结构模型中第4、第6和第8道环索中典型单元的应力时程．可以看出：常遇地震下，索中应力变化不大，同位移反应相似，波速对环索应力影响显著；波速取为200,m/s时，若考虑行波效应，环索应力会明显增大；而随着波速增大，应力振荡幅度逐渐减小；波速取1,000,m/s时，应力结果接近一致输入情况．图17和图18给出了弦支穹顶下部典型环向杆件的应力时程，其中459号单元在预应力施加后的轴向压力最大，而1821号单元施加预应力后轴向受拉．地震响应过程中，随着整体结构的往复运动，杆件内力拉压状态会发生变化．同拉索内力相似，行波效应对杆件内力影响很大：波速较小时内力峰值甚至会相差数倍．值得注意的是：无论位移还是结构单元应力，考虑行波效应时，随着波速降低，反应的振荡频度减弱，振荡幅值增大. 这可能与本工程自身结构的动力特性有关，并不足以成为一般规律．在某种情况下，考虑多点输入时结构内力可能会减小．(1)同单层网壳类似，弦支穹顶结构振动频率分布较密，两者的振动模态没有显著的差别，前几阶振型以竖向振动为主；一般来说，弦支穹顶振型频率要高于单层网壳；考虑初始大变形的影响使得结构的各阶振动频率略微增大．(2)行波效应对大跨弦支穹顶结构的地震响应影响显著，特别是多点输入相位差较大时，结构的内力和位移峰值都会有明显的增大．当场地土土质较软时，不能忽略行波时滞的影响．(3)常遇地震输入下，大跨弦支穹顶结构的位移和内力变化都较小，计算中可以不考虑几何和材料的非线性．(4)对大跨结构多点输入计算，本文仅考虑了行波效应这一简单因素，而实际地震动中的部分相干及局部场地效应对结构动力响应的影响还有待进一步研究．本文仅考虑了地震波的单向输入，为提高抗震的可靠度，对大跨结构有必要进行多维地震输入响应的计算分析．［1］尹越，韩庆华，谢礼立，等. 一种新型杂交空间网格结构——弦支穹顶[J].工程力学，2001，1(增)：772-776.Yin Yue，Han Qinghua，Xie Lili，et al. 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