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1、大跨度预应力钢结构设计中的相关问题 以张弦梁、弦支穹顶及索穹顶结构为例,广东省标准钢结构设计规程,大跨度屋盖钢结构的跨度大于80m，应优先选用屋盖形效结构。,张弦梁结构的相关研究 及工程实践,概念 张弦梁结构是由刚性压弯构件(拱)、柔性拉索或钢拉杆(弦)及撑杆组合而成的屋盖弯矩结构体系，最初是由日本大学M.Saitoh(斋藤公男)教授在20世纪80年代初提出。该结构通过撑杆减小拱弯矩和变形的同时，由弦抵消拱端推力，从而降低对边界条件的要求。 上弦拱可采用实腹式截面，也可采用格构式截面。,张弦梁结构 (Beam String Structure BSS),直梁型张弦梁,分类 张弦梁结构根据传力特
2、点，可分为单向张弦梁结构、双向张弦梁结构、三向张弦梁结构、辐射式张弦梁结构等。(一维及二维张弦梁结构),单向(一维) 双向(正交式布置二维) 适用用于矩形平面 适用于矩形、圆形和椭圆形平面,三向(斜交式布置二维) 辐射式(辐射式布置二维),单向及辐射式张弦梁中，撑杆与拱的连接一般采用面内铰接、面外刚接(平面铰)。,适用于多边形平面 适用于圆形和椭圆形平面 中心宜设置受拉环及受压环,绿色穹顶 (167mx122m椭圆形，135kg/m2),贝尔格莱德新体育馆(102.7mx132.7m),浦东机场航站楼(一期) (82.6m),浦东机场航站楼(二期) (89m),工程应用,广州会展 (126.6
3、m),深圳会展中心 矩形平面(1830m)(126m+30m+126m)，250kg/m2,国家体育馆 (114mx144.5m),广州南沙体育馆 (直径98m/41.6m，36榀/18榀),哈尔滨国际展览体育中心 (128m),单榀张弦梁结构的发展途径,(1) 体内布索 体外布索 下部索杆,(2) 索杆替换连续梁的中间支座,(3) (竖向、斜向)吊挂 下部索杆(支点代替吊点),(4) 曲梁 拉杆拱 张弦梁,单榀张弦梁结构的受力特性,单榀结构的受力特性实际上与简支梁相当,由于张弦梁结构中通常只布置竖向撑杆，且拉索不能承受剪力，因此整体剪力由拱的剪力和索拉力及拱压力的竖向分量组成。,张弦梁结构在
4、竖向荷载作用下的整体弯矩由两部分组成： 拱压力和索拉力的水平分量所形成的等效力矩； 拱本身所承受的局部弯矩。,简支梁 单榀张弦梁,隔离体,模型3中，撑杆对拱受力性能的改善十分显著，拱跨中挠度、支座水平位移、跨中弯矩和剪力均比模型2大幅减小，拱轴力也得到一定的改善，因此受力性能更为合理。,模型2中，由于拉索的存在，拱跨中挠度和支座水平位移均远小于模型1；模型1的曲梁轴力很小而弯矩很大；模型2的拱轴力远大于模型1，但跨中弯矩和剪力均较小。,模型3 张弦梁,模型1曲梁,模型2 拉杆拱,零状态 预应力态 工作态,形态定义,零状态：无自重、无预应力； 预应力态：自重和预应力共同作用； 工作态：在预应力态
5、受力的基础上，承受其他外荷载。 零状态是拉索张拉前的状态，实际上是指构件的加工和放样形态(也称放样态)；预应力态是拉索张拉完毕后，结构安装就位的形态(也称初始态)，亦是建筑施工图中所明确的结构外形；而工作态是外荷载作用在预应力态结构上发生变形后的平衡状态(也称荷载态)。,单榀张弦梁结构的受力性能 1. 格构式拱端部偏心受力的影响,荷载“走捷径”的原则，下弦杆件内力较大，相同截面情况下，较易失稳。模型二可显著减小支座尺寸及用钢量。,模型1,模型2,计算结果比较,2. 斜撑杆的影响,模型1 模型2,模型3 模型4,模型4在提高结构刚度、改善受力性能方面效果最佳,双向张弦梁结构的受力性能 1. 与单
6、向结构的比较,a) 60mx60m双向,优点：双向受力、侧向稳定性好； 不足：刚度分布不均匀、不能充分发挥下部索杆体系作用； 原因：周边各榀厚度太小。,b) 单向,c) 1-1 剖面,拱挠度,单向： 跨中挠度最大； 双向： 跨中挠度均较小，靠近两端支座的第一根撑杆附近挠度最大。,(一维),拱弯矩,单向：撑杆处的负弯矩和相邻撑杆间的正弯矩相差不大 各撑杆受力相差不大，所起的弹性支撑作用大致相当，因此拱弯矩分布较均匀; 双向：跨中为负弯矩而靠近两端支座均为正弯矩，且正弯矩数值大于负弯矩 跨中各撑杆受力较大，提供了较强的弹性支撑，而两端撑杆受力较小，这说明双向张弦梁并没有合理有效地利用下部索杆体系。
7、,h/5=0.56,h/5=0.75,变形图,2. 拉索布置方式的影响,拉索抛物线布置,拉索折线形布置,一定程度上增加边榀厚度能改善结构的刚度分布，但并非越大越好。,最佳预应力状态标准 (1) 抵消结构自重，控制结构变形，减小支座水平推力； (2) 保证拉索正常工作条件下不出现索力为负而退出工作， 且能保证结构预想的几何形状； (3) 满足上述条件下，使预应力水平最低。 预应力取值方法 索内张力表示为： 结构自重引起的索拉力： 预应力钢结构的预应力损失一般为10%15%，则 。 广州会展张弦梁单榀自重135t，跨度126.6m，跨中力臂 ，则,防止风吸力作用下拉索松弛的措施：适当增加结构配重、
8、设置抗风索。,拉索应力限定 各种荷载基本组合作用下，索的拉应力应满足下式要求： 工程实践中，索的预应力宜取 ，且保证拉索张紧的刚度要求。 预应力损失的分析与补偿 (1) 局部损失锚固损失、摩擦损失等 施工时进行适当超张拉的办法解决,索抗力分项系数，,索杆节点没必要刻意减小转角摩阻 (2) 整体损失松弛损失、温度升高引起的损失、分批张拉损失等 拉应力低于 时，松弛损失不显著，设计时可不考虑； 分批张拉损失的补偿方法：循环张拉适当超张拉。 应进行施工仿真分析，制定合理的施工张拉方案，以指导施工， 并宜进行索力监测。,索杆节点处的平衡力系,拉索在节点处可滑移， 。 一般情况下 ，撑杆保持竖直状态时两
9、端张拉索，则张拉完毕时撑杆下端必定偏向两张拉端(偏摆) 。,张弦梁结构设计的其他问题 张弦梁结构的高跨比可取1/101/12； 拱的矢跨比应结合建筑功能、造型及结构受力综合确定，可取 1/141/18，当上弦采用格构式拱，其厚度可取跨度的1/301/50； 单向结构中的单榀用钢量约与跨度的平方成正比，因此跨度不宜太大； 预应力态分析应考虑几何非线性；工作态分析可采用线性分析方法，进行对考虑下部结构的整体模型和张弦梁单独计算的对比分析； 一维及辐射式张弦梁的上弦拱应设置平面外的稳定支撑体系。,稳定问题,矢高为正，且矢跨比在合理范围内，撑杆不会出现由于索撑节点平面外的微小侧移而产生的平面外失稳，此
10、时拉索可不设置平面外稳定钢索。,拱的侧向刚度较小，单榀张弦梁应设置平面外的稳定支撑体系。不设侧向支撑的单榀结构首先表现为拱的平面外屈曲。 满足规范限值。,撑杆稳定安全系数,节点设计,1) 张弦梁一端为固定铰支座，另一端可为滑动铰支座; 2) 索与撑杆的连接为铰接，索宜贯通，且应采用固定式索夹；,节点设计,3) 撑杆与上弦拱的连接可采用面内铰接、面外刚接或球面接触的铰接节点; 4) 为确保拉索穿过格构式拱的下弦节点，须准确计算其角度和方向；索张拉时，可能贴紧节点侧壁，计算时应考虑此偏心影响。,弦支穹顶结构的相关研究 及工程实践,1993年，日本法政大学M. Kawaguchi(川口卫)教授等人依
11、据张拉整体思想，将传统单层网壳和索穹顶进行有机结合，首次提出了弦支穹顶的结构概念。 弦支穹顶通常是由上部单层网壳和下部索杆体系组成的屋盖形效结构体系，当结构跨度较大时，也可采用双层网壳或局部双层网壳等作为上部刚性层。径向索可采用钢拉杆。,弦支穹顶结构(Suspended Dome)的概念,改善了单层网壳的稳定性能，提高了单层网壳的面外刚度，降低对边界条件的要求；与索穹顶结构相比，降低设计和施工的难度。,鄂尔多斯伊金霍洛旗 索穹顶结构直径71.2m,两类结构比较,可采用整体牵引提升方法进行安装，包括低空组装、空中牵引提升和高空张拉成型三阶段。,索穹顶整体牵引提升方法,低空组装、空中牵引提升、高空
12、张拉成型,工程实践,光球穹顶（Hikarigaoka Dome）世界第一座弦支穹顶，跨度35m 聚会穹顶（Fureai Dome）世界第二座弦支穹顶，跨度为46m,国外仅有日本有过试验性的工程实践，分别为1994年3月在东京建成的光球穹顶和1997年3月在长野县建成的聚会穹顶。,国内于2001年也有两个试验性的工程实践，分别为天津保税区商务中心大堂弦支穹顶和昆明柏联广场中厅采光顶弦支穹顶。 天津保税区商务中心大堂 直径35.4m，矢高4.6m 屋面以铝锰镁板为主，入口局部为采光玻璃，上部网壳为联方型与凯威特型的组合，节点为焊接空心球。,昆明柏联广场中厅采光顶直径15m，矢高0.6m 肋环型单层
13、网壳，圆管相贯， 上铺中空玻璃，下部设置5圈索杆体系。,至今，国内已建成或正在建设了10余座弦支穹顶结构。,2008奥运会羽毛球馆 跨度93m，矢跨比1/10，为目前国内跨度较大的圆形弦支穹顶结构，用钢量约63kg/m2。单层网壳采用圆管，拉索采用平行钢丝束，分别设置5道环索、102根撑杆及204根径向钢拉杆。,武汉体育馆椭圆抛物面双层网壳,武汉体育中心二期工程体育馆为2007年第六届全国城市运动会主赛场之一； 长轴方向总长165m，短轴方向总长145m； 长轴方向净跨135m，短轴方向净跨115m； 下部为张拉索杆体系（Levy型），共布置3圈索系（环向索、径向索和撑 杆），其中每圈均设双根
14、环向索; 主体钢结构用钢量约85kg/m2(含节点、拉索等重量)。,常州体育馆,常州体育中心体育馆屋盖为一椭球型索承单层钢网壳，长轴120m，短轴80m，矢高21.45m。网壳杆件采用圆钢管，节点均采用铸钢节点。下部索系为Levy型(共6圈)。,安徽大学体育馆,安徽大学体育馆弦支穹顶钢屋盖平面投影为正六边形，外接圆直径87.76m。其中，沿正六边形的6根箱型主脊梁处设置5圈索系。,济南奥体中心体育馆,跨度122m，矢高12.2m，是目前已建跨度最大的圆形弦支穹顶结构。,东莞厚街体育馆椭圆抛物面,体育馆钢屋盖由单层网壳、环向索、径向钢拉杆及撑杆组成。撑杆上、下端采用铸钢节点。环向索施加预应力。
15、网壳椭圆平面：127.875m93m； 支座平面：110m80m，24个焊接球支座。矢高 f =9.4m。中央无弦支椭圆：37.284m27.116m f / l=1/8.5（短轴）， f / l=1/11.7（长轴） 屋盖投影面积：0.9340万m2 展开面积：0.9825万m2,单层网壳（联方型+凯威特型，中央：绽放的花瓣）,弦支（第9、7、5、3共四圈稀索体系）,分类 按上部单层网壳的不同形式，弦支穹顶可分为下列形式：肋环型弦支穹顶、施威德勒型弦支穹顶、联方型弦支穹顶、凯威特型弦支穹顶、三向网格型弦支穹顶、短程线型弦支穹顶。,肋环型弦支穹顶 施威德勒型弦支穹顶 联方型弦支穹顶,凯威特型弦支穹顶 三向网格型弦支穹顶 短程线型弦支穹顶,按上部网壳的曲面形状，弦支穹可分为下列形式：球面弦支穹顶、圆锥面弦支穹顶、棱锥面弦支穹顶、椭球面弦支穹顶、椭圆抛物面弦支穹顶等。,圆锥面弦支穹顶 棱锥面弦支穹顶,椭球面弦支穹顶 椭圆抛物面弦支穹顶,椭球面弦支穹顶的网壳曲面基本方程,椭圆抛物面弦支穹顶的网壳曲面基本方程：,按水平投影形状，弦支穹顶可分为下列形式：圆形弦支穹顶、椭圆形弦支穹顶、环形弦支穹顶、正多边形弦支穹顶等。,
