單元自平衡預應力網格結構及其研究進展★

李國東 劉晚成*

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

·結構·抗震·

單元自平衡預應力網格結構及其研究進展★

李國東 劉晚成*

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

介紹了單元自平衡預應力網格的設計理念、受力機理和結構特點，總結了單元自平衡預應力網格結構在結構形態、成型方法、靜動力性能等方面的研究現狀，指出結構力學性能的試驗研究、結構成型技術研究以及結構動力性能研究是單元自平衡預應力網格結構理論體系深化研究的關鍵課題。

網格結構，鋼結構，預應力，自平衡

網架、網殼等空間網格結構具有受力合理，技術成熟，施工安裝方便，建筑造型美觀等優點，被廣泛應用在體育館、展館、大劇院等大型公共建筑中。隨著網格結構跨度的顯著增大，高應力壓桿的穩定性和拉桿的大形變成為控制結構截面設計的主要指標，在保證空間結構的整體剛度的情況下，網格結構的用鋼量和工程造價將顯著增高。為改善網格結構在大跨度建筑中應用的局限，預應力技術被引用到空間網格結構上，通過支座位移或張拉預應力拉索的方法，可以在傳統的網殼結構中建立預應力效果，進而實現減少用鋼量、改善構件受力狀態、降低應力峰值、增大結構剛度和穩定性的良好效果。以預應力技術應用為特征的結構創新研究已成為空間結構領域的熱門課題之一。

1 單元拼裝式自平衡預應力網格結構

單元自平衡預應力網格結構體系就是一種遵循“間斷拉、連續壓”原理的新式空間結構，這種結構通過全新的結構單元體實現結構骨架承力所需的連續“壓”與體系傳力所必須的不連續的“拉”之間的協調性。結構的基本單元體采用高強度的柔性拉索來替代經典網格結構中的剛性上、下弦桿，為保證結構的空間形態，在單元體內設置了支撐拉索的剛性壓桿，當拉索緊繃時，結構單元體被撐起，形成具有剛度的空間結構單元。結構基本單元體成型后是自平衡的，通過對結構基本單元體的拼裝組合可以形成任意造型的自平衡式的預應力空間結構體系。

結構的基本單元體可以是立方體結構單元、四面體結構單元、三棱柱結構單元等規則的空間幾何體，也可以根據結構需求設計成為不規則的幾何體，其尺寸可根據工程的荷載工況、結構跨度和節間大小靈活選用。

結構的成型理念上與張拉整體結構體系相類似，所不同的是這種網格體系遵循著“連續壓、間斷拉”的剛性結構體系的力學特性，部分柔性拉桿的失效不影響結構的整體工作穩定性。與既有的網格結構相比，這種結構體系具有以下典型的特點：

1)結構體系中的預應力是自平衡的，預應力的施加不依賴索塔或結構的受壓剛性環。

2)結構體系由索、桿單元體組成，柔性拉索對上、下弦桿的替換不改變結構體系的剛性方案，保留了經典網格結構在空間造型上的優勢。

3)結構單元中構件的強度潛能在預應力的效果下得以充分發揮，體系的自重極輕、撓度可控，可以滿足超大跨度、超大空間的建筑需求。

4)結構成型過程獨特，結構預應力度的建立無需整體張拉，可以采用分段成型建立結構的預應力度，成型過程中結構的預應力度實施準確、監測方便。

5)結構中的多數桿件接近理想的二力桿，受力簡單，易于保證分析計算的可靠性。結構屬于多次超靜定體系，個別構件的破壞不會影響結構的安全性，且方便維修。

2 研究現狀

2.1 結構的形態研究

理論上，剛性方案的結構可以建造出任意的空間造型，但不同的空間形態應有與之匹配的拓展單元體。文獻[4]針對網格結構的結構特征和力學要求，對采用新型結構體系的網架結構的基本單元體的幾何構造進行了研究，作者認為結構單元體內的壓桿最好采用高強度的空心圓鋼管，通過控制壓桿的長細比來實現結構的強度潛能的極限狀態。作者設計了一種如圖1所示的鉆石狀的多面球體節點，可以很好地解決多根壓桿在單元體核心處連接問題。按照作者的觀點，新型網格結構的單元體在幾何形狀上可以借鑒既有的成熟網格結構的構型，在不侵占結構內、外部空間的前提下實現經濟合理的大跨度應用。研究還表明，在單元體的構造上，只要適當調整壓桿長度、單元的布置方式、壓桿的連接形式以及壓桿間隔節點的數目等，就可以組建出各種改進的網格式空間造型。此外，從結構的形態學上分析，新型網殼結構的內部始終處在“間斷拉、連續壓”的內力分布狀態，理論上可以保證結構體系不會發生類似于薄殼結構的失穩破壞，它的極限狀態主要取決于桿件的極限狀態。

在文獻[5]的研究基礎上，對三棱柱結構單元組建超大跨K6扇形3向網格球面網殼的方法進行了研究；文獻[6]對棱臺形基本單元組建翹曲形式的空間網架結構的方法進行了研究。以上研究表明，單元自平衡預應力網格結構的基本單元體的構型完全可以滿足常見網格結構空間造型的拓撲需求。

2.2 成型方法的研究

單元自平衡預應力網格結構形狀的維持和剛度的建立完全依賴于拉索的預應力，因此結構成型方法的研究是單元拼裝式自平衡預應力網格結構工程應用理論研究的基礎。文獻[4]中針對新型網格結構單元成型的特點，提出了建立單元體預應力的“絲扣擰張法”，方法實施時，首先把待成型的結構構件初裝定位，然后依次將兩端具有絲扣設計的受壓桿件從桿件交匯的節點連接件中旋出一定的長度，伸長的壓桿使拉索繃緊，單元體由此獲得剛度。文獻[7]中首次在實驗室實現了“絲扣擰張法”的結構成型過程。試驗結構是一個4 m跨的自平衡預應力網格結構，結構由5組0.8 m×0.8 m×0.8 m立方體單元拼裝而成，研究表明，采用“絲扣擰張法”能夠精準地建立起結構各部所需的預應力數值。試驗研究證實了絲扣擰張法理論的正確性，凸顯了實施簡便、成型操控性好等優點。

2.3 結構力學性能的研究

文獻[7]中對一個空間尺寸為4.0 m×0.8 m×0.8 m的梁式網格結構模型實施了靜力加載試驗研究，在節點均布荷載條件下，結構承載表現穩定，結構跨中撓度和桿件的應變監測均未顯現出明顯的非線性變形。由試驗所獲得的構件內力的測試結果與基于二力桿假定的有限元數值計算結果基本吻合，其平均誤差不足10%。

文獻[5][6]對新型網格結構力學性能和預應力設計理論進行了研究，文獻[5]中以一座300 m超大跨度的單元自平衡預應力網殼結構為研究對象，采用非線性有限元方法對該網殼結構力學性能進行了數值仿真分析，并采用了二階段分析方法對該網殼結構進行預應力設計分析，結果表明，在豎向荷載作用下，網殼的外環處的環向索和豎向索的軸力較大；由工況改變引起的桿件應力增(卸)載現象在設計中需引起重視。

文獻[8]對單元自平衡預應力網殼結構的穩定性進行了研究，用于有限元數值分析的結構模型是一座100 m跨的K6型凱威特型網殼結構，計算時考慮了荷載的作用方式和結構的幾何非線性等因素對網殼結構的影響。

文獻[9]在大跨度自平衡預應力球面網殼結構的基礎上組合了索穹頂結構，提出一種新型組合空間結構：自平衡預應力球面網殼——索穹頂組合結構，通過一個100 m跨數值模型結構的算例，對新型結構的受力特性進行了分析，結果顯示這種結構力學性能良好。

3 有待深入研究的問題

單元拼裝式自平衡預應力網格結構具有獨特的結構構造，結構的剛度特性、耐久性、振動特性以及破壞失效特性等力學特點與結構構造特性的關聯性研究是關系到工程應用前景和應用質量的關鍵問題。筆者認為在現階段可側重以下科學問題開展研究工作。

3.1 結構力學性能的試驗研究

試驗研究是檢驗結構特性、探索結構工程應用性能最直接可靠的研究方法。目前針對單元自平衡預應力網格結構力學性能的試驗研究僅局限在由少量單元體組成的小型結構上，所獲試驗結果不足以表征大體量結構體系的宏觀性態特征，試驗研究在數量上和規模上的不足，制約了單元拼裝式自平衡預應力網格結構理論體系的建立和工程領域的實踐進程。因此，目前迫切的工作之一就是結合已取得的理論成果開展結構與工程工況相對應的結構模型實驗，在實驗的基礎上系統地分析單元拼裝式自平衡預應力網格結構的力學特性，針對結構性態反應規律的靜、動力試驗研究將是未來單元拼裝式自平衡預應力網格結構研究工作的主導。

3.2 成型技術的研究

目前用于單元自平衡預應力網格結構成型的方法是絲扣擰張法，理論和試驗研究均已證明這是一種簡便、有效的預應力成型技術。但是絲扣擰張法伸長桿件的幅度是有限的，而且被頂升的節點構件上通常關聯多根拉索，一個單元體的成型的過程勢必會造成臨近單元中拉索應力的增(卸)載。而且，目前的成型研究未考慮環境溫度變化、荷載條件的變化、拉索的徐變、蠕變等原因對結構成型質量的影響，為保證單元自平衡預應力網格結構建成后的可靠性，必須對新型網格結構成型過程中的預應力建立工藝、索力的監控技術、預應力補償技術開展深入的研究。

3.3 結構動力性能研究

工程結構的振動問題通常比較復雜，結構的風振特性和環境激振下的結構共振特性通常會嚴重影響結構的耐久性和功能適用性。同時為避免結構在強風、地震作用下發生危及結構安全的損壞，結構需具備良好的抗風性能和抗震性能。單元拼裝式自平衡預應力網格結構動力特性的研究目前僅局限在結構自振特性的理論分析上，結構抗風、抗震性能的理論研究并未開展，與結構類似的自平衡式預應力空間結構的抗風、抗震方面的研究成果也不多見，難以為工程應用提供可靠的借鑒經驗。因此，對單元自平衡預應力網格結構進行基于工程結構可靠度的動力穩定性研究以及抗風、抗震性能的理論和試驗研究十分必要。研究工作不僅要分析結構的振動特性，更要闡明結構在強風、強震條件下的破壞機理和損壞規律，提出有效的隔震控振技術。

4 結語

1)單元自平衡預應力網格結構具有獨特的構造，是一種高效的預應力空間結構形式，適合超大跨無中柱的空間結構應用。結構設計以構件強度作為控制指標，通過合理的截面設計，可以使結構的內力和變形保持在合理的范圍之內。2)單元自平衡預應力網格結構的成型方法獨特，絲扣擰張法實施簡便、操控性好，可方便地對結構實施多次成型作業，而且不受工況限制。3)單元自平衡預應力網格結構的理論體系和工程技術措施有待完善，目前研究中存在的問題表現在：基礎性試驗數據的缺失限制了單元自平衡預應力網格結構理論和實踐的發展；結構的抗風、抗震、動力穩定特性的研究不足；結構體系的成型控制技術有待完善和發展。

[1] 董石麟.中國空間結構的發展與展望[J].建筑結構學報,2010,31(6):38-51.

[2] 陸賜麟.預應力鋼結構發展50年(1)[J].鋼結構,2002,17(60):32-36.

[3] 陸賜麟.預應力鋼結構發展50年(2)[J].鋼結構,2002,17(61):45-47.

[4] 翟廣范,劉晚成.單元拼裝式自平衡預應力鋼結構構件加工與安裝[J].森林工程,2006,22(4):52-54.

[5] 劉晚成,周華斌,林 琳,等.超大跨度自平衡預應力索桿球面網殼結構的設計與分析[J].沈陽建筑大學學報(自然科學版)，2007,23(4):551.

[6] 劉晚成,李志峰.單元拼裝式自平衡預應力空間網架的仿真分析 [J].低溫建筑技術,2006(7)：90-92.

[7] 翟廣范.單元拼裝式自平衡預應力空間鋼結構的研究[D].哈爾濱:東北林業大學,2006.

[8] 范 瑩.自平衡預應力球面網殼結構的穩定性分析與自振特性分析[D].哈爾濱:東北林業大學,2010.

[9] 張博琨,劉晚成.自平衡預應力網殼——索穹頂組合結構的設計與分析[J].沈陽建筑大學學報(自然科學版)，2010,26(3):452.

An overview of research development of self-balanced prestressed lattice structure★

Li Guodong Liu Wancheng*

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

Gives a introduction of stress mechanism, structural characteristics and designing idea for self-balanced prestressed lattice structure, summarizes the research status of self-balanced prestressed lattice structure on structural form, static-dynamic performance and forming method, points out that the experimental study on the structural force performance, study on dynamic performance and the investigation of structural forming technology is the key subject for further research of self-balanced prestressed lattice structure.

lattice structure, steel structure, pre-stress, self-balanced

2015-01-13★：中央高校基本科研業務費專項資金資助(項目編號：DL11BB05)

李國東(1976- )，男，講師

劉晚成(1951- )，男，教授

1009-6825(2015)09-0030-03

TU318

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