张力结构的型式及发展

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1、http://www.paper.edu.cn张力结构的型式及发展徐宗美，张华，陈礼和南京河海大学土木工程学院(210098)E-mail：xuzongmei_1999@126.com摘要：张力结构涉及诸如基础理论研究、应用技术、材料科学、建筑设计与施工等内容，它的分析、设计与施工反映了一个国家多种先进的科学技术水平。由于张力结构充分发挥了材料强度，造型优美且具有很高的结构效率，在大跨度空间结构及中小跨度结构中得到了广泛应用。随着张力结构的不断发展，目前出现了许多新型结构型式。本文结合大量科技文献，对张力结构进行了分

2、类并阐述了各型式的机理和特点，对其重点研究领域进行了描述，最后对张力结构的发展前景作了展望。关键词：张力结构；悬索结构；张力集成体系；膜结构1概述张力结构从满足一定拓扑关系的几何构造和外形中，通过预应力过程获取刚度，从而使结构具有满足功能要求的建筑造型和承载能力。因此张力结构的分析、设计与施工的过程紧紧围绕结构的拓扑、外形及刚度展开。在当前的工程中，张力结构一般都不是一种简单的型式，而是多种型式的集成，因此各文献对其分类也不尽相同，本文取长补短，对张力结构作出如下分类：悬索结构，张力集成体系和膜结构。2张力结构的分类

3、2.1悬索结构悬索结构形式多样，布置灵活，自重轻，施工简单。它以一系列受拉的索作为主要承重构件，这些索按一定规律组成各种不同形式的体系，并悬挂在相应的支承结构上。悬索结构仅通过索的轴向拉伸来抵抗外荷载的作用，结构中不出现弯矩和剪力效应，可充分利用钢材[1]的强度。悬索结构按受力特点，一般可分成单层悬索体系、双层悬索体系、索网结构、张弦梁、组合悬索结构及斜拉结构等类型。2.1.1单层悬索体系单层悬索体系根据索的布置方式分为平行布置方式、辐射布置方式和网状布置方式。平行布置方式即单向索系结构，它由许多平行单根拉索组成，拉

4、索之间可以设置横向加劲构件，拉索两端悬挂在稳定的支承结构上，也可设置专门的锚索或端部的水平结构来承受悬索的拉力。横向加劲构件可以传递荷载并均匀地分配到各平行索上；另外通过下压横向加劲构件的两端到预定位置或通过张拉索使整个体系产生预应力，提高屋盖的刚度。上海杨浦体育馆、安徽体育馆等工程采用了设置横向加劲梁（或桁架）的方法。横向加劲的单层悬索[2-3]体系施工方便，系统几何外形简单，用料经济，是一种成功的创造。辐射布置方式中悬索常沿辐射方向布置，适用于圆形、椭圆形平面。用于屋盖结构时，整个屋面形成下凹的旋转曲面，悬索支承

5、在周边构件－受压圈梁上，中心可设置受拉的内环，-1-http://www.paper.edu.cn形成碟形屋面；当中心设置支柱时，则形成伞形悬索结构。受拉内环采用钢制，受压外环采用钢筋混凝土制作，可比平行布置做到较大跨度。网状布置的单层索系形成下凹的双曲率曲面，适用于圆形，矩形等各种平面，通常索系正交布置。2.1.2双层悬索体系双层悬索结构由下凹的承重索、上凸的稳定索及它们之间的连系杆组成。每对承重索和稳定索一般位于同一竖平面内，二者之间通过受拉钢索或受压撑杆连系，构成索桁架，其工作机理与预应力索网有类似之处。通过张

6、拉承重索或稳定索或同时张拉，不仅保证索系具有必要的形状稳定性，也可以提高整个体系的刚度。双层索系的布置也有平行布置、辐射式布置和网状布置三种形式。平行布置的双层索系多用于矩形、多边形建筑平面，并可用于单跨、两跨及两跨以上。双层索系的承重索与稳定索要分别钳固在稳固的支承结构上，其支承结构形式与单层索系基本相同。索的水平力一般采用闭合的边缘构件、支承框架或地钳等来承受。辐射及网状布置形式适用于圆形或椭圆形建筑平面。对辐射式，为解决双层索在圆形平面中央的汇交问题，在圆心处要设置受拉内环；根据所采用的索桁架形式不同，对承重索

7、[4]和稳定索可能要设置二层外环梁或二层内环梁。2.1.3索网结构索网结构通常由两组相互正交、曲率相反的钢索直接交叠组成，形成负高斯曲率的曲面，又称为鞍形索网。通过对其中任意一组索或同时对两组索施加足够大的预应力，索网便具有很好的形状稳定性和刚度。索网结构的成功与否取决于预应力作用下索系边缘支承结构[5]能否形成自平衡体系。索网曲面造型要与建筑的造型及功能相协调，曲面形状取决于所覆盖的建筑物平面形状、支承结构形式、预应力的大小和分布以及外荷载作用等因素。因此索网曲面形状丰富多彩，可以是规则的圆形或椭圆形，也可以是不规

8、则的形状。浙江人民体育馆的屋盖采用的是圆形平面的双曲抛物面索网结构。索网结构效率高，经济性能佳，极大推动了张力结构的发展和应用，并且发展和演变了很多其他结构型式，如帐篷结构和膜结构。2.1.4张弦梁结构张弦梁结构是最近几年发展起来的大跨度钢结构，用于屋盖结构、楼层结构及墙体结构。它由下弦索、上弦梁和竖腹杆组成,通过对拉索施加预应力,使竖腹杆产生