球面巨型網(wǎng)格弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系概述

尹淦生

（中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610041）

球面巨型網(wǎng)格弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系概述

尹淦生

（中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610041）

本文首先引入巨型網(wǎng)格弦支穹頂結(jié)構(gòu)概念。通過對剛性巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和柔性索桿體系拓撲關(guān)系方面選型分層次的介紹，闡述巨型網(wǎng)格弦支穹頂結(jié)構(gòu)形式的多樣性。

巨型網(wǎng)格 弦支穹頂 體系設(shè)計

0 引言

巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系構(gòu)成，首先是網(wǎng)格尺寸為10～30m的大網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。構(gòu)成大網(wǎng)格的構(gòu)件即為結(jié)構(gòu)主構(gòu)件，一般為格構(gòu)式桁架，對它們進行特別加強，然后在大網(wǎng)格內(nèi)布置小網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。這樣，單級網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系便變?yōu)殡p級結(jié)構(gòu)體系，第一級為大網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系，稱之為主體結(jié)構(gòu)，主要承擔(dān)整體結(jié)構(gòu)荷載并將其傳遞至支承結(jié)構(gòu)，第二級為普通網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，稱之為子結(jié)構(gòu)，布置于主體結(jié)構(gòu)的大網(wǎng)格中，承受大網(wǎng)格范圍內(nèi)的屋面荷載并將它們傳遞至主體結(jié)構(gòu)上，從而形成大網(wǎng)格套小網(wǎng)格的一種復(fù)合結(jié)構(gòu)形式。[1]

通過巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)與索桿體系組合，即形成巨型網(wǎng)格弦支穹頂結(jié)構(gòu)，在拉索中引入預(yù)張力，不僅有效提高了結(jié)構(gòu)剛度，降低結(jié)構(gòu)位移，減少了結(jié)構(gòu)支座負擔(dān)，還使得結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)力分布更趨均勻，桿件內(nèi)力峰值降低，最終顯著提高結(jié)構(gòu)承載能力，實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)向超大跨度發(fā)展的目標(biāo)。

1 結(jié)構(gòu)體系布置概述

以球面巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)為例，徑向立體桁架以及周邊環(huán)向的立體桁架將球面劃分成若干小的網(wǎng)殼區(qū)域，化大為小，在小區(qū)域內(nèi)再布置單層網(wǎng)殼，就將球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定問題轉(zhuǎn)化為局部區(qū)域的穩(wěn)定問題，大幅提升網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的適用跨度。考慮到不同方向的徑向立體桁架梁在屋蓋結(jié)構(gòu)中央?yún)R交，可能導(dǎo)致節(jié)點處理困難，可以沿屋蓋頂部設(shè)置一定半徑的環(huán)向桁架，從而避免匯交問題。

巨型網(wǎng)格弦支穹頂，其典型結(jié)構(gòu)體系見圖1。具體來說，沿巨型網(wǎng)格主骨架——徑向桁架的下弦布置豎直撐桿，同一環(huán)向：撐桿下節(jié)點之間通過環(huán)向拉索相連，同一徑向：內(nèi)側(cè)撐桿下節(jié)點與外側(cè)撐桿上節(jié)點通過徑向拉索相連，從而形成典型的肋環(huán)型索桿體系。

圖1 球面巨型網(wǎng)格弦支穹頂結(jié)構(gòu)構(gòu)成

2 巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)選型

巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)選型可分為兩個層次：網(wǎng)格劃分和截面選型。

網(wǎng)格劃分又包括大網(wǎng)格的劃分和小網(wǎng)格的劃分兩方面。借用單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式，大網(wǎng)格的劃分可以采用的形式有：肋環(huán)型和凱威特型等，如圖 2所示。凱威特型的大網(wǎng)格沿整個表面大小分布均勻，但是由于大網(wǎng)格的邊長尺寸一般在 20m以上，該網(wǎng)格劃分會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)模擬出的球面棱角突出，擬球面不光滑，最終呈現(xiàn)的建筑效果不理想，因此，建議采用肋環(huán)型。

圖2 大網(wǎng)格劃分形式

在主體結(jié)構(gòu)形成的次結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)，根據(jù)具體情況布置單層網(wǎng)殼，可采用的形式見表1。

次結(jié)構(gòu)區(qū)域網(wǎng)格劃分類型 表1

在截面選型這一層次，主體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格尺寸大、桿件長、受力大，骨架又位于結(jié)構(gòu)傳力的關(guān)鍵部位，必須保證它們的強度、穩(wěn)定性要求，因此巨型網(wǎng)格主體結(jié)構(gòu)的組合桿件一般采用立體桁架形式。

3 索桿體系選型

索桿體系種類 表2

根據(jù)常規(guī)的弦支穹頂結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗，索桿體系的布置應(yīng)當(dāng)結(jié)合上層剛性結(jié)構(gòu)的具體形式來考慮。常見的索桿體系布置形式包括肋環(huán)型、凱威特型和施威德勒型等，見表2。

布索應(yīng)選擇在巨型網(wǎng)格受力的敏感區(qū)域，使結(jié)構(gòu)在預(yù)應(yīng)力作用下具有最多數(shù)量的減力桿（預(yù)張力的作用使得桿件產(chǎn)生與在荷載作用下相反性質(zhì)的力）、最少量增力桿（預(yù)張力的作用使得桿件產(chǎn)生與在荷載作用下相同性質(zhì)的力）和中性桿（內(nèi)力幾乎不受預(yù)張力影響），并以卸載量最大、用鋼量最省、撓度合適、桿力內(nèi)力分布均勻為目標(biāo)經(jīng)過多方案優(yōu)選，試算后確定。

4 結(jié)論

巨型網(wǎng)格弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系綜合了巨型網(wǎng)格和弦支穹頂兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，剛?cè)嵝缘碾s交使得結(jié)構(gòu)的承載效率進一步提升，預(yù)張力的引入還降低了支座推力，是一種新型優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)體系。

[1]賀擁軍，周緒紅，董石麟.巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式與支承方式[J]. 建筑結(jié)構(gòu)，2006，36（8）：16

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1007-6344（2015）03-0337-01