刚性屋面板索穹顶静动力性能研究

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1、第七届牟国现代结构工程学术研讨会刚性屋面板索穹顶静动力性能研究李红雨刘锡良韩庆华f天津水泥工业设计研究院，夭津300400)(天律大学建T学院，天津300072)摘要：索穹项结构一经『¨J世便以其构造轻盈、造型别致、尺度宏伟、色彩明快等美学特征和所能实现的超大跨度受到了建筑师与结构丁程师的青睐，但由于其施工的保密性及复杂性使其在一定程度上广泛应用还存在很大难度，鉴于此，也出于对两种屋面材料膜、刚性屋面板(压型钢板)树料特性的考虑．提出了刚性屋面板索穹顶方案，本文探讨了该结构的静力性能并对其进行了模态分析且考察了预应力、边界、支撑等因素对其影响。关

2、键词；刚性屋面板索穹项，膜，压型钢板，模态分析一、刚性屋面板索穹顶索穹项是由拇索和压杆组成的自应力宅间结构体系，是最近十几年发展起来的一种新型的空间结构形式。这种结构体系作为一种受力台理、结构效率高的全张力结构体系，它同时集新材料、新技术、新工艺和高效率于一身，并以其构造轻盈、造型别致、尺度宏伟、色彩明快等美学特征和所能实现的超大跨度受到了建筑师与结构师的青睐。在建筑结构中膜以其轻盈、透亮等其它材料所没有的特性发挥了日益重要的作用，在张拉结构由其是索穹顶结构这样的柔性结中更是占有极其重要的地位。当今世界上的几座已建索穹项工程主要分布在美国、韩国、

3、台湾，它们所用的结构形式大都为传统的Geiger型、Levy型，如其中著名的雷声穹顶、GeorgiaDome等，国外己建索穹项工程的屋面覆盖材料比较单一，几乎全部采用柔性织物膜，而以刚性材料作为屋面的工程很少有报道，然而由于膜为柔性材料的特性为结构的设计、施工带来了一系列的困难，其高昂的价格也使结构的总体造价有很大提高，鉴于此情况，出于以下目的：l、降低索穹项结构的施工难度；2、降低结构总体造价；3、为结构的保温等构造措施以及结构将来的维护提供方便。4、作为一种新的形式可以为将来的实际工程提供必要的理论依据，并指导实践，因此采用刚性屋面板来代替膜

4、，必将给结构的设计、施工、造价，维护带来一定的稗益。在结构中，轻型刚性屋面板通常所用材料为压型钢板，铝合金压型板等金属面板及玻璃面板，其中又已压型钢板应用最为广泛。建筑用压型彩色涂层钢板是一种新型建材，它最早是从瓦楞钢板发展而来的，本世纪30年代国外发明了第一条彩带生产线后，将成卷镀锌钢板或冷轧钢板上直接滚涂彩色有机涂层，经高温烘烤而成为彩色钢板块状或卷状，再经滚压成型为各种压型钢板用于建筑物屋顶和墙面，美观而轻巧，成为现代不可缺少的新型建筑材料，它具有自重轻、强度高、防水性能好、设计施工周期短、耐久性、耐侯性强、平面布置灵活、剖面形式多样等优点

5、，为建筑设计、施工提供了便利。使用建筑压型钢板与其它材料组合，可进行高速度的工业化建筑施工，建成的房屋结构整洁、美观，并可达到很好的保温隔热效果，随着设计水平的提高，材质的改善，施工技术的改进，轻型刚性屋面板已经获得了广泛的应用，曰益受到人们的青睐．不但在工业厂房、轻钢住宅结构设计中大量采用，而且在一些大跨空间结构中也显露头脚，例如在天津博物馆、广州国际会议展览中心、广州白云国际机场(图1)等结构中就采用了它们，给建筑增色不少。工业建筑2007增刊第七届全围现代结构工程学术研讨会a．天津博物t自c．广州白云国际机场图1采用刚性屋面板的工程b广州国

6、际会议展览中心在对索穹顶的受力性能的研究中，以往研究一般仅考虑预应力索单元承受荷载，而忽略屋面材料如薄膜单元、刚性屋面板对结构受力的影响，在下部结构为刚性的结构中未考虑刚性屋面板参与协同工作是偏于安全的，而在下部结构为柔性时情况确是不确定的，且这也并不能真实反映索穹项结构的实际工作状况，并且这种简化计算是否偏于安全也未经验证。文献[5]对膜与下部结构的协同工作做了一些研究，并指出：如仅考虑预应力索单元和压杆单元构成的结构骨架承受荷载，相对于索、膜协同工作的索穹顶结构的极限承载力的计算将会偏大，而对其节点竖向位移值的计算将偏小，导致计算结果偏于不安

7、全。所以在进行索穹顶结构的荷载分析过程中，考虑预应力索和薄膜单元协同工作承受外荷载作用是相当必要的，只有这样才能得到结构在荷载作用下的真实反应。因此对刚性屋面板对结构受力性能的影响的研究也是很有必要的，且这样才能反映结构的受力真实情况。二、静力分析(一)模型建立由于压型钢扳材料本身的独特优势及其本身受力的合理性．它在结构应用中得到了十足的发展，本文也采用压型钢板代替膜材作为索穹顶的屋面材料与索穹顶有机结合起来，参考压型钢板在轻钢结构中的普遍作法，将索穹项索杆节点作一些改动便可将其应用于索穹顶结构当中，其作法是这样的：在索穹顶上弦节点处设置调整屋面

8、高度用的短柱，然后在短柱上架设屋而梁(两根屋面粱之间架设联系梁)，再在屋面梁上布置檩条，最后在檩条上铺设压型钢板。为了探讨此种结构的受力