劲性支撑屋顶结构的构造与应用

劲性支撑屋顶结构的构造与应用

首先，美国著名的工程师geiger将其应用于汉城奥运会的体操中心和击剑馆，然后先后建成了10多个顶层结构。红鸟体育馆、太阳海岸体育馆、佐治亚晋升为中心、圣彼得堡鱼雷丘陵体育馆、阿拉伯利亚德大学体育馆（可开启山顶）。2009年，中国在无锡太湖国际高技术交流中心完成了中国第一个刚性屋顶。2011年，中国在鄂尔多斯的伊金霍洛旗上建造了中国大陆上第一座大型屋顶结构。该结构在上述两种情况下得到了实际应用，但仍存在许多技术问题，限制了该结构的推广应用。同时高强钢拉杆得到了发展和广泛应用,据此笔者提出了一种新型的张拉整体结构———劲性支撑穹顶结构.1支持屋顶结构的提出1.1索顶结构施工技术难题索穹顶结构是一种由索、杆、膜组合而成的预张力空间结构,被认为是代表当前空间结构发展最高水平的结构形式.但由于索穹顶结构自身的结构特点决定着其施工成形过程中存在如下技术难题.首先,索穹顶结构初始态的杆件定位困难.索穹顶结构的形态分为零状态、初始态和荷载态.初始平衡态是整个设计工作的起点,也是零状态和荷载态形态分析的根本依据.初始态是结构建成验收时的平衡形态,必须与建筑施工图上对建筑形状的要求相一致,即结构的拓扑形式和节点坐标与建筑施工图相一致,方可满足竣工验收要求.从结构内力角度看,杆件内力不仅包括预应力效应,而且还包括恒荷载产生的内力效应.如果索穹顶结构成型过程中施工方法和过程与理论分析的假设和算法不符,则成形结构可能面目全非或者极大地改变了结构形状.索穹顶结构除了对施工方法和过程与理论分析提出了很高的要求之外,在工程施工过程中,对拉索和撑杆的制作精度,结构的装配精度,索的张拉是否同步、均匀等都提出很高的要求.索穹顶结构对误差非常敏感,误差会对杆件的定位造成影响,易出现与建筑图的建筑形状不一致的情况.因此,索穹顶结构初始态的杆件定位是该结构施工过程中的技术难题之一.其次,索穹顶结构在施加初始预应力前,结构几乎不存在自然刚度,不能维持一个稳定的初始平衡形状,刚度、稳定性均比较差.目前,解决索穹顶结构的上述技术难题主要有以下两种途径.第一,寻找简捷高效且精度好的施工模拟方法和施工工艺.许多学者进行了这方面的研究,袁行飞应用“拆杆法”的反分析法,从结构的理想设计成形状态,以成形时索、杆内力和坐标为初值,逐步拆除斜索,确定出各个阶段的理想施工控制参数.罗尧治采用奇异值分解法模拟分析了索杆张力体系的成形过程.沈祖炎应用悬链线索元分析理论,采用控制索原长的方法在理论上实现了索穹顶的施工张拉.黄呈伟探讨了索穹顶的张拉工序和内力控制等施工手段,采用几何非线性有限元法,结合结构的连接和整体张拉过程,对结构的施工模拟进行了计算.陈联盟等采用动力松弛法、控制构件原长的找形分析方法对索穹顶结构进行了施工过程模拟分析.张建华采用非线性时变有限元分析方法,对索穹顶结构进行了全过程跟踪分析.唐建民等应用有限元法对圆形的Geiger型索穹顶的施工过程进行了研究.董石麟等提出了7种不同的施工张拉方法并对其进行研究.洪国松等对肋环型索穹顶结构的张拉成型、仿真计算及施工监测等进行了研究.第二,通过改良和创新新型的结构来解决施工技术难题.蔡丽等提出倾斜撑杆式索穹顶结构,该结构倾斜撑杆,使得脊索、斜索和撑杆不在同一个平面内构成“立体桁架”.卓新等提出了逐层双环索穹顶结构,与传统的索穹顶结构比较,新型索穹顶结构每层增加了一道环索.刘晚成等提出了预应力网壳-索穹顶组合结构.吕晶等提出了一种劲柔索张拉穹顶结构,该种结构是把索穹顶结构中由于重力加载而发生卸载或易松弛的某些拉索更换为劲性索.上述两种途径虽然在一定程度上解决了索穹顶结构的施工技术难题,但都无法从根本上解决索穹顶结构初始刚度低稳定性差以及对误差敏感性差造成的杆件定位难等问题.造成索穹顶结构施工技术难题的根本原因是索为柔性构件,几乎没有自然刚度,对各种误差非常敏感且不容易在施工过程中定位.若在保持索穹顶结构的轻质高效等优点的前提下,提高杆件的自然刚度,无疑是很好的选择.提高杆件自然刚度的方法就是用刚性构件替代柔性构件,在考察高强钢拉杆的性能和应用的基础上,提出用高强钢拉杆替换索穹顶结构下部柔性拉索的设想.1.2高强度钢拉拔施工高强度钢拉杆作为建筑工程中的主要受力构件,在国内外各种类型的建筑工程中使用较为普遍.在国内,最早应用于上海浦东新国际博览中心的柱间支撑中,然后在深圳会展中心、西安咸阳机场候机楼、济南奥体中心体育馆等工程均有应用.高强度钢拉杆主要是指屈服强度大于460MPa的钢拉杆.目前,高强度钢拉杆的杆体极限抗拉强度已经达到1030MPa.鉴于热处理和运输能力,单根杆体长度不超过12m.对于更长的钢拉杆的应用,可以通过调节套筒连接,总长度可以超过百米,可以解决大跨度结构的需要.按照《钢拉杆》(GB/T20934-2007)标准中规定,屈服强度为650MPa的高强钢拉杆直径可达120mm,完全可以满足工程需要.1.3劲性支撑顶结构针对索穹顶结构的初始(建立起适当预应力分布之前)刚度、稳定性差及初始态杆件定位困难等难题,在探讨高强度钢拉杆发展的基础上,文献提出了劲性支撑穹顶结构,如图1所示.该结构为上柔下刚穹顶,上层是索网体系,下部全部由刚性杆支撑.2劲性支撑顶板结构拓扑的选择依据劲性支撑穹顶结构的概念,确定合理的结构拓扑形式是首要解决的问题.索穹顶结构是一种构造轻盈、造型别致、效率极高的空间结构.如果在不改变索穹顶结构拓扑形式同时具有比较好的承载能力和结构效率的情况下,形成劲性支撑穹顶结构是比较好的选择.因此是否能够按照索穹顶结构的拓扑关系形成劲性支撑穹顶结构,从以下几个方面进行分析.2.1劲性支撑顶板结构劲性支撑穹顶结构下部为刚性杆支撑体系,材料为建筑高强刚性杆,《钢拉杆》规范上刚性杆最大抗拉强度为850MPa,而常用拉索的抗拉强度为1670MPa.由于刚性杆的屈服强度比拉索的低很多,在不改变结构的拓扑形式,把下部拉索换成刚性杆之后,会不会导致杆件截面过大?如果杆件截面过大,有可能超过《钢拉杆》标准对高强钢拉杆的直径的限制,使结构不可行.即使满足标准对直径的限制,杆件截面面积过大,也会使节点构造复杂.因此杆件截面的大小是关键问题之一,它影响着劲性支撑穹顶结构是否能够按照索穹顶结构的拓扑形式来成型.下面通过算例进行分析.设有两道环杆的肋环型劲性支撑穹顶结构跨度为70m,矢高5.5m,矢跨比1/13,环向20等分,中心拉力环、第一、二圈撑杆的高度分别为:5.3m、5.8m、6.8m.结构如图2所示.圆钢杆的弹性模量为2.06×105MPa,索的弹性模量为1.9×105MPa,圆钢杆的抗拉强度为850MPa,索的抗拉强度为1670MPa.构件各节点均为铰接,支撑条件为周边三向固定铰支承.膜重度为0.01kN/m2,屋面活荷为0.5kN/m2,基本风压取为0.45kN/m2.杆件截面面积比较原则,在相同的拓扑几何形式及相同的外荷载作用下,充分发挥拉索和拉杆的力学性能,将索穹顶结构下部拉索截面面积和劲性支撑穹顶结构拉杆截面面积进行对比分析.同时考察劲性支撑穹顶结构内部脊索的截面面积和刚性杆的截面面积.依据《建筑结构荷载设计规范》(GB50009-2001)对荷载进行组合,考虑三种荷载工况,如表1所示.三种工况下的节点荷载,如表2所示.根据《预应力钢结构技术规程》(CECS212:2006)中的“3.3.1预应力钢结构中的拉索,除应保证索材在弹性状态下工作外,在各种工况下均应保证索力大于零.钢索强度设计值不应大于索材极限抗拉强度的40%~55%,,重要索取低值,次要索取高值.”索穹顶结构中最外圈环索的拉力较大,属于重要索,因此索的抗拉强度设计值取744MPa.钢拉杆的抗拉强度设计值为340MPa.对上述相同几何拓扑形式的索穹顶结构和劲性支撑穹顶结构进行静力计算,以充分发挥受力最不利杆件的力学性能,同时考虑结构的节点位移满足要求.表3列出了不同荷载工况下索穹顶结构的拉索截面的最大截面面积以及劲性支撑穹顶结构的脊索和环杆截面最大截面面积.由表3可以看出,70m、64m、58m跨劲性支撑穹顶结构与索穹顶结构的杆件截面面积之比分别为2.752、2.691、2.527,杆件的直径之比分别为1.66、1.64、1.59.劲性支撑穹顶结构的杆件的直径分别为87.4mm、87.4mm、77.8mm.劲性支撑穹顶结构内部刚性杆与拉索的截面面积比分别为5.217、4.651、4.095,杆件直径之比分别为2.284、2.157、2.024.对以上结果进行分析可得到,第一:劲性支撑穹顶结构刚性杆的直径满足《钢拉杆》标准的规定,实际工程中能够实现;第二:劲性支撑穹顶结构下部拉杆的截面积比索穹顶结构拉索截面积大,但是大的程度有限,不会造成截面面积大很多的现象;第三:劲性支撑穹顶结构内部刚性杆截面积比拉索截面面积大,但不会造成节点构造复杂的情况.2.2劲性支撑顶架结构设计时长索穹顶结构是一种效率极高、自重很轻,且单位面积的平均重量不会随结构跨度的增大而明显增加的结构.劲性支撑穹顶结构下部被换成刚性杆之后自重是否会变得很大,如果自重变得很大会使得结构显得笨重不经济.即使劲性支撑穹顶结构的自重不会变得很大,该结构的自重会不会随着跨度增加而明显增加.下面通过算例进行分析.采用与上面算例相同的初始条件,考虑在52m、58m、61m、64m、70m几种跨度下的劲性支撑穹顶结构单位面积用钢量,并与索穹顶结构的单位面积用钢量进行对比分析.两种结构单位面积用钢量随着跨度的变化如图3所示.从图可以看出,随着跨度的增加,劲性支撑穹顶结构的单位面积用钢量也有所增加,但是增加并不明显.同时和索穹顶结构比较起来,单位面积用钢量有所增加,但增加不多,最大增幅为64m跨时的66.5%,且用钢量不超过23kg/m2.可以说劲性支撑穹顶结构也是一个自重很轻的结构,结构单位面积的平均用钢量不会随结构跨度的增加而明显增加.基于上述两项分析结果,在不改变索穹顶结构拓扑形式的前提下,劲性支撑穹顶结构较之索穹顶结构,杆件截面面积不会增加很多,且自重较轻,单位面积用钢量不会随着跨度的增加而增大.因此,按照索穹顶结构的拓扑形式来形成劲性支撑穹顶结构是合理的.3体系的稳定性分析劲性支撑穹顶结构由上部索网、下部支撑杆系组成,是一种索杆张力结构.对于索杆张力结构而言,结构初始平衡态的合理性首先面临的是一个结构判定问题,一般包括以下几个方面的内容:(1)体系的几何稳定性分析;(2)体系中是否可以维持预应力;(3)体系中维持的预应力是否可以刚化结构.劲性支撑穹顶结构上部为索网,在初始态中索的预应力通常是较大的,而相应的索上横向荷载较小,因此在高张力作用下索段由于横向荷载造成的垂度是可以忽略的,从工程设计角度来看,初始态将索按直杆单元处理所造成的误差是允许的.因此,劲性支撑穹顶结构可以看成是空间杆件体系,空间杆件体系的结构可行性判定可以依据Calladine和Pellegino等的研究工作给与判定,因此劲性支撑穹顶结构的可行性得以判定.4支持屋顶结构的分类和特点4.1覆盖层材料类型.根据结构的拓扑形式不同,劲性支撑穹顶结构大致分为肋环型(图1所示)、利维型、凯威特型(图4所示)等.根据覆盖层材料不同,可分为柔性屋面劲性支撑穹顶结构和刚性屋面劲性支撑穹顶结构.根据撑杆是否倾斜,可以分为竖直撑杆式(图5所示)和倾斜撑杆式(图6所示)两种.4.2劲性支撑顶结构基于上述分析可以将劲性支撑穹顶结构的特点概括如下:(1)建立起适当预应力分布前的初始刚度较好.和索穹顶结构相比,劲性支撑穹顶结构在整个结构建立起适当的预应力分布之前,下部刚性杆具有一定的刚度,此时的刚度、稳定性要比索穹顶结构好.(2)施工成型过程杆件定位容易.和索穹顶结构相比,结构下部为刚性杆系,在施工成型过程中较容易定位,很大程度上可避免使结构面目全非或者极大改变结构形状的情况发生.(3)自支撑自平衡体系.劲性支撑穹顶结构是由拉索、杆系组成的自支撑体系.它在结构成型过程中不断自平衡.此时,周边支撑环梁都属于自平衡构件.(4)结构具有较高的效率.和索穹顶结构相比,劲性支撑穹顶结构的单位面积用钢量虽然有所增加,但是增加有限,仍是一种自重很轻的结构.而且随着跨度的增加单位面积用钢量增加不明显.因此,劲性支撑穹顶结构是一种适合于大跨度结构的预应力空间结构.5劲性支撑顶结构的应用技术研究通过本文的分析,可以得出劲性支撑穹顶结构的合理结构形式,同时可知结构具有较高的结构效率