新型索穹顶结构的开发及力学计算

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1、新型索穹顶结构的开发及力学计算第1章绪论1.1张拉整体结构提起索穹顶结构，不得不从张拉整体结构开始说起，索穹顶结构是在理解与运用张拉整体的概念下设计而成，了解张拉整体概念会让我们对索穹顶结构的诞生与发展有更好的理解。富勒的专利模型由3根间断的直杆和9条互相连接的索组成了一个自应力体系，其实张拉整体体系就是由间断的受压直杆和互相连接的索组成，在没有任何外界影响的情况下保持自身平衡的体系。想要保持自身的平衡必须解决形和力的问题，初始应力决定结构能否保持自平衡，将初始应力引入系统中，从而使结构具有刚度，但是力是不可视、不确定的，所以需要优先确定结构的形状，这就是找形⑴。找形是张拉体系的一个基本

2、问题，多面体几何为其研究基础，拓扑知识的发展也逐步充实了张拉体系的形态学内容。在过去的十几年中，因为数学和力学的发展，张拉体系模型制作的理论知识也得到了进一步的补充。因为张拉体系是基于自然规律而提出的，所以他可以充分的利用材料，在建造大跨度的空间结构时可以尽可能的减少材料的使用。在之后的张拉整体体系结构模型创造上，最有名的应该是富勒的学生思耐尔森的模型，首先是一个由两个类似于X形单元的连续拉索构成的结构（如图1.1.2)出现于1948年，之后他还设计了一个针塔雕塑（如图1.1.3)。思耐尔森多个艺术设计使富勒压杆的孤岛存在于拉杆的海洋之中[2]的思想得以实现，从此幵始，现代的张拉整体结构

3、得到了蓬勃的发展。.1.2索穹顶结构虽然说真正意义上的大型的张拉整体结构工程还没有出现，但在20世纪80年代，美国著名结构工程师盖格（D.H.Geiger)对富勒的思想进行了运用，盖格新设计了一种性能与张拉整体结构类似的结构体系，这个体系就是由连续受拉的拉索和不连续受压的压杆所组成，并铺设膜材作为屋顶，这就是索穹顶（CableDome)结构，下图1.2.1为索穹顶结构的基本组成单元。索穹顶由三部分组成，分别是拉索，拉索分为径向拉索和环向拉索，竖向的压杆和环形压梁。向拉索输入初始应力确保刚度，使之成为一个稳定的体系。索穹顶几乎没有自然刚度，索必须保持受拉状态，以承受各种荷载工况，整个索穹顶

4、除少数几根压杆外，剩下的拉索都是保持受拉，索穹顶是柔性结构，结构会出现松她的情况，如果可以避免这种情况发生，那么索穹顶是不会出现弹性失稳的。索穹顶结构体系可通过向结构输入初始应力从而使结构得到刚化，它能像钢结构或者混凝土等其他结构一样，在承受外部荷载的时候，变形却不大。所以说初始应力的取值和其分布情况会对索穹顶结构的受力性能产生很大的影响。盖格型索穹顶单元布置形式比较简单，施工也比较方便，而且对施工时产生的误差反应不大，又因在结构上部拉设了谷索，可以有效的抵抗风吸力的作用。但是盖格型索穹顶存在机构，当荷载增加到一定大小时，其中的机构将不受初始应力的约束，这样会使结构某点出现失稳状况[2]

5、；为了克服这个缺点，美国工程师李维（M.Levy)对盖格型索穹顶进行了进一步的改良，改用联方形网格平面布置,并将其设计应用于1996年亚特兰大奥运会主场馆一一佐治亚穹顶(GeorgiaDome)(如图1.2.3)，其平面形状为椭圆形，尺寸为240m><192m。..第2章新形式索穹顶结构2.1序言目前索穹顶结构应用于各种建筑结构之中，但是建筑形式基本都是我们上面介绍的李维型和盖格型。实际上，索穹顶的基本组成原理不是死板的，本章列举了几种新形式的索穹顶，分别从平面布置变化，立面的形式变化，铺设膜结构之后产生的不同的视觉效果等多角度来与传统索弯顶李维型（如图2.1.1)分析比较，

6、从而说明索穹顶的变化是多样的，丰富的。2.2平面布置类型图2.2.1为三向正交型索穹顶，三向正交型索穹顶继承了李维型索穹顶的联方布置，平面网格均由等边三角形组成。李维型的索穹顶比盖格型更具有优势，联方型的布置克服了因机构的出现而导致整个结构的分支点失稳的情况，李维型索穹顶的三角形分割主要采用的是每一环是相同的等腰三角形的分割方式，而且环数越多，距离中央位置越近，分割的越密集，三向正交型索穹顶延续了李维型索弯顶联方型布置，但是采用的是全平面的等边三角形，平面布置更加匀称，即使环数增加，距离中央越近，始终保持的是同等面积的等边三角形，方便后期的膜结构下料。图2.2.2是在不规则场地索穹顶结构

7、，随着力学的快速，人们对新鲜事物的认可加大，越来越多的新型建筑出现，索穹顶也可以有所变化来对应不同的场地需求，所以设计出了这种由二分之一圆和二分之一的棉圆拼接而成的索穹顶。同样借鉴佐治亚穹顶，不规则场地索穹顶同样采用联方型的布置，当今的结构形式越来越多样，例如佐治亚穹顶是椭圆型的，不规则场地索穹顶由二分之一圆和二分之一的椭圆相接而成，重在说明平面形式是变化多样的。在上图2.2.3中展示的两种中间开放式的索穹顶也同样是联方型的布置，不