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1、·工程结构·张拉整体体系—索膜结构的定义及理论分析傅 丰(北京工业大学 北京100022) 【摘 要】 张拉整体体系———索膜结构是近年来在国外发展起来的一种新型的大跨度空间结构体系。本文首次提出了张拉整体结构较准确、科学的定义。并总结了此类结构的力学特性,提出了此类结构的理论分析方法。【关键词】 张拉整体结构 索穹顶 几何形态学 初始态开发了一种新型的大跨度空间结构体系———索穹顶1 引 言结构CableDome。此体系由连续的索和不连续的 张拉整体体系———索膜结构是近年来在国外迅压杆构成,索沿辐射方向布置,并用膜材作屋顶。速发展起来的一种新型的大跨度空间预应力张拉结于198
2、8年用于汉城奥运会体育场馆的建设,一是构体系。这种结构由索、压杆组成,在全张拉的索直径120米的体操馆,一为直径90米的击剑馆。网中内嵌悬浮的压杆,并用特制的节点连接构件。还在美国佛罗里达州圣彼德堡设计建造了直径为结构的表面覆盖以特殊的材料———膜材,使得整个210m的太阳穹顶结构。(见图2)该类结构的重量结构外观十分美观。这种结构的一大特点是可以达仅为15—20kgP–。结构设计的关键在于采用了铸到超大的跨度,最大结构为佐治亚穹顶(图1)跨钢节点连接脊索、上斜杆和压杆上部节点以及张力度已达到240m,且自重极轻。随着结构跨度的增圈、下斜索和桅杆的下部节点,屋面薄膜用铝铸件大其单位面
3、积自重和造价的增加并不大。这种新型与脊索连接。的空间结构体系引起了工程界的注意,成为空间结美国工程师Levy在索穹顶的基础上进一步发构领域中最前沿的课题。展了这一体系,将辐射状脊改为联方型,使屋面膜单元呈菱形的双曲抛物面形状,同时取消了起稳定作用谷索。并用于1996年亚特兰大奥运会体育馆,其平面呈准椭圆形,尺寸为240m×193m。结构的节点采用焊接节点,因此较钢铸件大为节约。该结构在平面形式上有了很大的突破,使张拉整体结构的平面为椭圆形,从而更具实用价值。(图1)这个目前世界上最大的体育馆屋盖结构被评为1992年全美最佳设计。2 张拉整体结构的统一定义张拉整体体系(Tensegri
4、tySystems)图1 佐治亚穹顶的概念是本世纪四五十年代末期,美国工程师富勒(CR.B.Fuller)首次提出的。 八十年代曾出现了建筑织物并以之构成的膜结Tensegrity是由tensionalintegrity缩写而成,是富构,这使此类结构迈向一个新的台阶。美国Geige勒创造的。原型是由连续的拉杆与分散的压杆组成四川建筑 第20卷3期 20001830·工程结构·的自平衡体系,其指导思想是充分发挥受拉构件的以上定义各具特点,但并没有一个明确的概作用,使之在体系中占主导地位,从而实现他的念。作者对以上加以总结,提出以下定义:所谓张“压杆的孤岛存在于拉杆的海洋之中”的设想。
5、但拉整体结构就是由连续的拉索和不连续的压杆通过未给张拉整体结构提出明确的定义。特定的组合规则组成的应力自平衡、自支撑的索、杆结构。3 张拉整体结构的力学特性 此类结构的力学特性与其他类型的空间结构有所不同,具有各自的特点,作者对此进行了总结:(1)结构是由索和杆组成的自支撑体系,结构中受拉的索是赖以形成自支撑的单元。(2)结构是由预应力提供刚度的,预应力越大刚度也越大。(3)结构本身应力自平衡,这样预应力才能为结构提供刚度。(4)与其他空间结构图2 太阳海岸索穹顶相比,结构的几何形状对其力学性能的影响较大。(5)在加载过程中,结构逐步调1963年,D1G1Emmerich在他的专利
6、中给出节并重新分布结构的刚度。如果单元结构中的某一“自应力结构的定义”:“自应力结构是压杆和索组根索发生松弛,结构仍能继续承受荷载。成,它们以这样的方式组合:压杆在连续的索中处4 张拉整体结构的理论分析于孤立状态,所有压杆必须被严格的分开,同时由索的预应力连接起来,而不需要外部的支撑与锚 国外学者较早对张拉整体结构开展了研究,且固,整个体系就象一个自支撑结构一样保持稳固。已形成相对完善的理论体系。张拉整体体系从构想由此就得到了‘自应力结构’的名称。”他这一定到实际工程大概经历了以下阶段:想象———几何义强调了压杆的不连续、自应力和自支撑的特点。学、拓扑、图形分析———力学分析———
7、实际工程。参考了R1B1Fuller的工作,A1Pugh提出了一411 几何形态学分析个定义:“一种不连续的受压构件与一种连续的受在张拉整体结构几何学方面最重要的研究成果拉构件相互联系,在空间中确定了一个稳定的容是Fuller和D1C1Emmerich。A1Pugh在文章中对积,这就建立了一个张拉整体体系。”这一定义除前人提出的张拉整体几何结构进行了粗浅的分类:了没有强调自应力之外,其余内容与D1G1E2环形、菱形和锯齿形。这些研究成果的立足点是多mmer
