简述索穹顶的基本构造及简单力学分析

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1、简述索穹顶的基本构造及简单力学分析学号：21710113姓名：杨思琪摘要：索穹顶结构是一种重要的建筑结构，它具有受力合理、刚度大、重量轻、造价低，形式多样的特点。索穹顶具有张力集成体系，靠预应力来提供刚度。关键词：索穹顶结构，张力集成，单元体Ⅰ、引言：　空间结构是一种重要的建筑结构形式，相对于平面结构，它具有受力合理、刚度大、重量轻、造价低，形式多样的特点。随着科技的发展和工艺的进步，现代空间结构逐渐由较重屋盖体系向轻屋盖体系、刚性体系向柔性体系发展。在这样的背景下，索穹顶结构应运而生。索穹顶结构是美国著名结构工程师D.H.Gerger根据Fuller的张拉整体结构思想开发的一种

2、由索、杆、膜组合而成的新型张力结构。早在1962年，Fuller就设想这样结构体系，这种体系是连续的张力网，网中存在独立的压杆，即“压杆的孤岛存在于拉杆的海洋中”并第一次提出了张拉整体的概念。索穹顶结构在国外应用至今已有20多年的历史，但是在国内还未有完整的工程实例。2010年12月，内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗全民健身活动中心预应力张拉施工的圆满完成，标志着我国首项索穹顶结构工程已经取得了阶段性成功。随着中国科技建设的飞速发展，我国的空间结构专家对索穹顶结构研究的不断深入，索穹顶结构在中国大陆工程也逐步投入应用。Ⅱ、理论依据：索穹顶结构属于索杆结构的一种索穹顶结构体系二索穹顶结构

3、体系一，由一系列张力索和受压杆件组成,是杆系结构和柔性结构的结合。索穹顶结构是由张力集成穹顶单元根据一定的规则组合而成的。由张力集成穹顶单元的几何稳定性分析和刚化条件判别准则可对索穹顶结构进行力学分析。Ⅲ、简要分析与计算：图3显示了以正三角形为基底的单纯形张力集成穹顶单元。在单纯形张力集成穹顶单元中由O-xyz的轴定义一个单元局部正交坐标系:O为位于单元基底多边形外接圆的圆心,Oz轴垂直于基底平面。记:为两个相邻顶点中心的夹角(对于正三角形=120°);为两个多边形关于Oz轴的转角;p,q,r为多边形的顶点;s为多边形的角点数;x,y,z为角点在O-xyz中的坐标。图4是一种张力

4、集成穹顶单元,设其上正三角形()的外接圆半径为,下正三角形的外接圆半径为,单元矢高为h,上、下两个三角形的相对转动角为,确定其位置的点为上部正三角形的形心点O,而O点在整个结构中的曲率半径为R,单元局部坐标系为O-xyz。根据如图所示的几何关系,不难推出集成单元中底部三角形顶点的坐标在局部坐标系O-xyz中可表示为图3以正三角形为基底的单纯形张力集成单元(1)通常,单元底部多边形的角点p与上部多边形角点q之间有一根刚性撑杆相连,如图3所示。从p到q绕Oz轴转动的角度(2)式中:n是小于多边形顶点数的整数(如对于三角形n=0,1,2).那么,刚性杆上、下顶点坐标之间的变换(3)由底

5、边顶点p到上面多边形顶点r的系杆pr绕Oz轴转动的角度为,则顶点r的局部坐标为(4)图4　张力集成穹顶单元的几何刚性杆和系杆长度由顶点坐标所决定,并由顶点坐标表示,经计算得:=(5)=(6)上述的几何关系如图3所示。因多边形位于平行的平面内,故有:=(7)将式(5)和(6)展开后经整理得:(8)　对连接压杆的角点向外施加作用,节点产生位移,但结构几何仍是协调的。在这种状态时,角点间距离达最大值。对于给定拉杆长度,当(9)由式(8)得到的压杆长度为最大。图5索穹顶体系(双层张力穹顶)的几何Ⅳ、索穹顶结构的工作机理张力集成体系的最大力学特点,也是它的最大优点就是“张力集成”,体系结构

6、中的大部分单元处于连续的张拉状态。索穹顶结构是在张力集成体系独特的结构特性的启发下而产生的一种效率很高的结构形式,并且也是靠预应力来提供刚度。索穹顶结构简单地由脊索、环索以及刚性的竖向桅杆组成,而由环索和斜索组成若干个自平衡的回路,使结构具备自适应能力。由于索系不论在初始态还是在预应力态或荷载态均处于张力状态,故可望获得很高的结构效率。1988年汉城奥运会体育馆是索穹顶结构的成功的工程实例。　　索穹顶结构受力合理，结构效率高，而且集新材料、新技术、新工艺于一身，代表了当前空间结构发展的最高水平。此种结构形式是学术界和工程界的热点，其用钢指标优异、结构轻柔、造型美观富于艺术感等优点

7、使其成为许多大跨度体育场馆的建筑形式。Ⅴ、参考文献[1]袁行飞，董石麟：索弯顶结构施工控制反分析[J].建筑结构学报,2001,22(2):75-79.[2]袁行飞：索穹顶结构的理论分析和试验研究［D］.浙江大学，2000[3]FullerRBuckminsterInventions,thepatentedworksofRBuckminsterFuller[M].St.Martin’sPress,NewYork,1983.[4]SPellegrino.Aclassoftenseg