张拉整体结构研究的回顾与展望

张拉整体结构研究的回顾与展望

1张拉整体结构的基本原理张拉的整体结构是由不连续的压着材料和连续的受拉索组成的特殊结构体系。这个概念最早由snill和1968年提出。在外观和材料上，张拉的整体结构具有美观、轻重性和非连续性的特点。在结构上，全球结构本身的内在浮力平衡，刚性随着预测值的变化，自由度高。张拉整体结构的概念的提出极大地扩大了人们对力学体系创造性和想象力的限制。完整的人认为，宇宙的运行是基于张拉一致性的原则。换句话说，重力是平衡的张力网，每个球形点都是该网络的一个孤立点。根据这一理念，张拉的整体结构可以定义为由由一系列不连续的压动器组成的自支撑和低压空间网格结构。leven也使用类似的原则来表达人体的结构。不管是从张拉整体结构非连续的建筑学外观特点,还是从其质量轻盈、结构合理的工程学特点出发,自从张拉整体结构的理论被提出以后,就一直是结构科学研究的热点.早期的张拉整体结构研究主要关注经典张拉整体结构的单元布局,力学特性与预应力的分析,经历了以下几个阶段:想象和几何学、拓扑和图形分析、力学分析及试验研究.其中力学分析包括找形、自就历程准则、工作机理、稳步预应力作用下的性能等.其几何形状同时依赖于构件的初始几何形状、关联结构(拓扑)及形成一定刚度的自应力的存在.Pugh对早期的张拉整体结构模型进行了分类与解析,其中主要包括Snelson的T棱柱模型,以及四面体模型和宝石模型(图1).Motro对张拉整体结构体系的内力分布和索杆单元的特点做了系统总结.早期的张拉结构艺术性大于结构性,除了Snelson的经典T棱柱模型,Fuller、Vilnay、Motro、Hanaor等创造了多种艺术品性质的张拉整体结构体系,如法国的公园雕塑、华沙国际建筑联合会前的自张拉空间填充体、荷兰国家博物馆前覆盖的四棱柱等.从结构上来看,经典张拉整体结构属于静不定而动定体系(S>0,m=0)或者静不定且动不定体系(S>0,m>0),这类临界类体系可以依靠预应力来硬化体系中无穷小机构并为结构提供初始刚度,保证结构在一定应力下的稳定性,结构在外荷载过程中刚度不断发生变化,传力途径也就随之改变.在张拉整体模型的结构上,目前已经形成比较统一的观点认为,这种体系只能在考虑了几何非线性甚至材料非线性时才能分析.由于自由度较大,张拉整体体系的分析模型必须考虑非线性特性和平衡自就历程的存在,其模型基于松弛原理或牛顿-拉夫逊型过程的矩阵追赶法原理.2张弦梁结构模型及其计算上世纪80年代末开始,对张拉整体结构的研究呈现出多样化的发展.由于经典张拉整体结构的自由度大,结构具有随机性,布局很难掌握,科研工作者们不再拘泥于研究经典结构的构造,转而探索新的可控制性与可运用性强的包含张拉整体结构原理的模型,特别是大跨度的模型.清华大学的郭彦林教授对这部分工作做了总结.美国工程师Geiger提出了支承于周边受压环梁上的一种索杆预应力张拉整体穹顶体系,即索穹顶(图2),并运用在汉城奥运会的体操馆(D=119.8m)和击剑馆(D=89.9m)以及亚特兰大奥运会的主体育馆(193m×240m)上[11~13].在此基础上,郭彦林和崔晓强又提出了巨型网格弦支穹顶结构.索穹顶结构属于张拉整体体系的范畴,但它还没有完全实现结构自支承、自应力的原则,不符合张拉整体结构自身内力平衡的特点,因此离开下部受压环梁则不能成立.同样地,利用张拉整体结构的原理,日本大学的Saitoh教授提出了用撑杆连接抗弯构件而形成的自平衡体系,即张弦梁体系.深圳国际会展中心的设计(图3)就利用了这个概念,在此基础上发展产生了更大跨度的张弦桁架体系,并运用到广州国际会展中心的设计上.张弦梁结构满足了张拉整体结构自身平衡的要求,但利用受压构件内部的弯矩提供预应力,也不属于经典的张拉整体结构.类似的张拉整体原理模型还有利用斜拉索系提供预应力的悬吊索系结构(图4),类似于自行车车轮,拉索与弧形外沿预应力平衡的车辐结构(图5)等.总的来讲,上述这些模型已经超脱了索杆的单纯受拉与受压体系,与自身平衡的张拉结构特点,属于类似张拉整体结构模型.与此同时,对张拉整体结构预应力控制和计算的研究也有了长足进步.Webster和Schrefeer等在计算与力学杂志上先后发表文章对空间索杆结构的刚度与预应力控制的数值分析做了阐述.Pramod等对需要预应力支撑的大跨度结构的边界条件做了研究.在国内方面,王宏等,曹喜与刘锡良,唐建民等也分别对张拉绳索预应力做了非线性模型和有限元方法的分析.3张拉整体结构体系进入21世纪,虽然对利用张拉整体原理的索杆结构与预应力的研究仍然在继续并且不断细化,来研究预应力前后的微小几何变形,或者索杆结构布局的智能化,但是张拉整体结构的发展有了新的趋势.这个新的趋势即用三维受压构件代替一维杆,来减少自由度,增加可控制性,实现能根据需要随心所欲地布置含有空间非连续性的三维构件的张拉整体结构.回顾张拉整体结构的理论,早在1949年Snelson就曾经制作过一个特殊的模型,用X形状的二维构件代替一维杆来做张拉结构中的受压构件(图6),该模型首次展示了二维几何构件在张拉整体结构中的运用.近年来,美国印第安纳州大学的Liu等人模仿人体基因结构,用DNA的形状搭建了三角形单元形状的张拉整体结构(图7),该模型中的受压构件是螺旋形的三维构件.1998年开始新加坡南洋理工大学的Wang等尝试用相连的杆组成不同形状的三维构件,来构建新的结构,着重研究了整体结构的几何拓扑,三维刚体与绳索形成的可重复构件及刚体与绳索的节点与作用力.法国科学家Smaili和Motro也做了类似的研究,将杆连接成折线形的构件,并建立了双层弯曲形状的张拉整体结构模型(图8).2009年作者与澳大利亚皇家理工大学的JeromeFrumar博士、谢亿民院士、澳大利亚著名建筑设计师MarkBurry一起,尝试提出了含有三维受压构件的张拉整体结构概念,来定义所有内部可能存在剪力、弯矩等内力的受压三维几何构件与受拉绳索组成的非连续自平衡张拉整体结构体系,并对三维受压构件做了初步分类,对其空间排布做了具体论述.含有三维受压构件的张拉整体结构应当满足下列三个特性:(1)该结构必须是由三维受压构件和受拉绳索组成的;(2)结构中的三维受压构件之间是彼此不连续的;(3)整体结构必须能够自平衡或在预应力下平衡,能实现受拉绳索内包含非连续受压构件的功能;三维受压构件的建立有很高的要求.首先,受压构件必须是一个三维的空间结构;其次,这个构件必须通过节点同时与多个受拉绳索相连;最后,构件必须保证在空间的一个或者多个方向上有延续性.即通过构件的重复镶嵌,能够形成线性、平面或者三维的张拉整体结构.根据空间几何体的特性,一系列基本的三维受压构件如四面体、八面体、直角棱柱、风筝体、十面体等被制作出来(图9).由于三维受压构件内部有多个节点同时与绳索相连,这样的结构和传统的杆索体系相比,可以大大减少结构的自由度,因此更为容易控制和布局,同时在空间构件上,保留了传统张拉整体结构非连续性与节省材料的特点.根据基本的张拉单元,一系列不同的张拉整体结构被制作出来,并做了简单的分类,具体来讲可以分为单向结构、空间砌体结构、空间充气结构等.随着电脑技术的不断发展,计算机数值计算与有限元分析理论也不断在张拉整体结构的建模上使用,让张拉整体模型真正实现空间布局的控制.1998年Gerald开发了一个张拉整体结构布局与张力计算软件,可以对传统和三维的张拉整体结构进行布局与计算,初始导入的单元可以是节点、绳索,或受压杆件.初始情况通常按照节点之间距离最短的位置来设定,故绳索一般受拉力,绳索受压时,系统自动删除.绳索受拉时,收到拉力根据虎克定律,与变形成正比,来计算绳索张力,最后计算整体平衡后的系统位置与张力.在三维受压构件的张拉结构设计中,作者也运用了Gerald软件对含三维受压构件的单跨模型的空间布局及变化进行了布局计算,如图10所示.图11中展示了两个用三维构件制作的单向张拉结构的例子.可以看到,在单向张拉整体结构中,三维受压构件取代了杆索体系,每一层上只有一个受压构件,相邻两层间的张拉由一个垂直于模型延伸方向的环形支撑绳索体系和沿着绳索方向的调整绳索体系完成,与其他构件无关,这种结构体系被称作两个单元间的局部张拉.显而易见的是,由于只要控制相邻两个单元,这种局部张拉更容易被控制和使用.2009年作者等以一个利用含三维构件单向张拉整体结构制作的模型参加了美国Evolo摩天大楼结构设计大赛,并获得了最新鲜创意奖.当采用不同的单元组合,将这个局部张拉体系扩展到多个方向,就可以形成规则的空间砌体结构,这种模型如图12所示.运用三维张拉构件还能制作一些特殊的空间结构,比如一个用四面体筝形构件制作的充气结构(图13).在这个结构中,将四面体结构四个角上的节点充分张拉,按照一定的几何排布,将每个受压构件与相邻的四个构件相连,组成一个平面的张拉体系,再利用受压构件两个角之间的弧度将整个平面弯曲,形成一个类似空心筒体的充气结构.原则上这个充气结构中间有一个中间轴,整个体系可以在轴向和半径方向增加单元而不断扩充.该模型的建立,也充分说明了三维张拉整体结构在空间排布和可控制性上的优势.4结构的三维构建本文介绍过去50年张拉整体结构的发展历程,从理论分析、工程运用、计算机模拟到新的三维张拉结构理论.随着预应力控制技术的成熟和有限元优化方法的运用,张拉结构的三维受压构件内力与绳索张力可