整体张拉及杂交结构体系的特点与应用

整体张拉及杂交结构体系的特点与应用工程建设与设计圆园园缘年第员期

整体张拉及杂交结构体系的特点与应用

郭彦林,吕晶

渊清华大学土木工程系袁北京100084冤

[摘

要]重点介绍了空间结构近几年出现的若干新结构形式以及它们的构成和受力特点、主要设计问题及设计理论；这些新

结构涉及到：索穹顶结构、弦支穹顶结构及巨型网格弦支穹顶结构、张弦梁（拱）及张弦桁架结构、悬吊索系及斜拉结构、车辐结构及索拱结构等。

[关键词]新型空间结构；索穹顶结构；弦支穹顶结构；斜拉结构；车辐结构；索拱结构[中图分类号]TU393.3

[文献标识码]A

[文章编号]1007-9467（2005）01-0011-06

１概述

近年来，随着整个世界经济水平的提高以及人们对结构形式多样化的需求，新型钢结构及空间结构体型不断得到发展。整体张拉结构及各种各样的杂交结构形成了空间结构的主流，极大地促进了钢结构及空间结构在新材料、新技术、新体型等方面的应用及发展。

索单元是张拉及杂交结构体系中最活跃的单元。拉索与撑杆的有机结合是形成整体张拉结构的基本要素，支承骨架或支承环梁是张拉结构赖以生存的基石。整体张拉结构靠受拉索系及受压撑杆组成的结构体系承受外荷载作用，并通过它们将荷载传递到刚度较大的“锚固”结构体系。拉索可以直接锚固在地面或坚固的建筑物上，也可以与环梁连接形成自平衡体系。目前常见的张拉体系有索穹顶结构、弦支穹顶结构等。

杂交结构是由拉索及拉索支托或悬吊的刚性结构组成，主要分为斜拉结构和悬吊结构，这些结构的构成特点是通过拉索给刚性结构提供更多地弹性支承点，以达到削减弯矩幅值提高结构刚度的目的。拉索的存在，不仅利用了索单元高强度的特点，而且大大地提高了结构效率，使它们向轻型大跨度方向发展。

无论是整体张拉结构还是杂交结构，其拉索均要施加一定的预应力。因此，它们均称预应力钢结构。

结构的使用与安全。

预应力钢结构的设计的三大要素是：（1）确定预应力拉索的截面面积；（2）确定预应力拉索的预拉力幅值；（3）根据主要荷载工况及有关结构或构件变形条件确定各拉索预应力的比值。一般情况下，三者相互关联，相互影响。根据常遇荷载工况，即（预应力+恒载+施工活载）在满足刚度控制的条件下，决定最小预应力值取值，其原理如图1所示。同

在拉时，根据其它主要荷载工况，即（预应力+恒载+风载）索不失效的条件下，调校预应力值晕o(kN)。合理的预应力取值与索的截面尺寸及对结构刚度的要求有关，如拉索的截面面积过大，尽管可使预应力取值降低，但造成材料浪费；如预应力取值过大，会造成施工困难，也可能在张拉过程中导致结构的个别构件破坏。

关于拉索预

应力值的确定可以从结构预应力态分析获得，而结构的预应力态是结构在未加载以

前由于对拉索施加预应力而产生的应力和变形状

图１预应力的取值原则

态；从结构分析的角度考虑，预应力态可以给拉索施加应变或温度荷载，通过对结构反复迭代及应变调试确定。值得注意的是，通过给拉索施加应变后而直接求得的拉索应力为理论上的预应力，称为虚设预应力值。在考虑结构刚度影响后所求得拉索应力才为真实预应力，通常用晕o表示。关于它们之间的区别，见图２所示。

晕粤着O=耘

２拉索预应力的取值原则

张拉及杂交结构是典型的预应力结构，其拉索是结构构件中最活跃的单元之一。预应力钢结构是实现大跨度或超大跨度结构的主要途径之一，它可以做的非常轻巧且可以跨越较大的跨度。预应力拉索能显著地提高结构的刚度，很好地改善结构的受力状态和结构的动力特性。对不同的结构体系，拉索预应力对结构的极限承载力的贡献有较大差别。与一般刚性结构不同，预应力钢结构的设计与预应力的成形过程密切相关。张拉方案及过程、预应力控制及检测是保证成型后是否满足结构的设计状态的重要环节，涉及到

[作者简介]郭彦林(1958耀)男,陕西富平人，清华大学教授，博士生导师，从事大跨度钢结构及空间结构的教学与研究.

晕粤着原晕觹

O=耘

图２预应力的定义

３索穹顶结构、巨型网格弦支穹顶结构及张

弦梁（拱）

结构

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索穹顶结构放射性脊索、斜索和环索组成的连续张力索网和不连续受压杆，连同中央拉环、周边压力环构成了Geiger型穹顶的基本体系（图3）。荷载从中央的张力环通过一系列辐射状的脊索、环索和中间的斜索传递至周边的压力环。为了减少屋盖表面薄膜材料的费用，在设计时使结构的曲面最小；为了增加结构的刚度，在脊索之间增加了谷索。

图３索穹顶结构的构成及分解图

Levy和Jing一改Geiger型索穹顶脊索的布置方法，变放射状的脊索为三角化联方型布置的脊索，增强了结构稳定性，减小了脊索所需的预张力值，而且丰富了结构的平面体型，同时取消了在薄膜铺设中起稳定作用的谷索。他们设计的亚特兰大Georgia体育馆为双曲抛物形张力集成穹顶（图4），平面为240.79m192.02m的椭圆形，由联方型索网、三根环索、桅杆及中央桁架组成（如图3所示）。继亚特兰大体育馆后，Levy和Jing又设计了索穹顶结构的台北棒球馆、墨西哥十万人体育馆，在阿根廷建造了LaPlata双峰索穹顶结构，并在沙特阿拉伯的利雅德大学体育馆中成功实现了可开启式穹顶结构，使得索穹顶结构进一步显示了广阔的应用前景。图5是日本某索穹顶结构，直径42m。

图４亚特兰大索穹顶体育馆

从结构的观点来看，索穹顶这种结构形式较其它结构更为合理。首先，它大量采用预应力钢索而较少使用压杆，能够充分利用钢材的抗拉强度，若能避免柔性结构有可能的结构松弛，索穹顶结构便不存在弹性失稳问题。其次，使用薄膜材料作为屋面材料，结构自重相当轻，单位面积的重量很小。亚特兰大Georgia体育馆的重量还不到30kg/m2；跨度为210m的圣彼的德堡的雷声穹顶的重量为24.4kg/m2。再次，索穹顶结构可达到相当大的跨度，而且随其跨度增大单位面积重量并不明显增加。初步分析证明，这类结构的跨度可以达到400m左右。但是，应该注意，索穹顶结构的跨度愈大，它对外环梁的刚度及强度要求愈高。

图５日本某索穹顶结构（Ｄ＝４２ｍ）

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索穹顶结构体系的形状、刚度、预应力分布、预应力值之间密切相关。索穹顶结构的设计和分析主要分成三个部分：找形分析、成形分析、荷载态分析。形态分析就是寻找一种合理的结构形状；成形分析是怎样使这一结构形状得以实现，主要包括预应力分析、施工工艺分析；荷载态分析是结构的受力分析，研究结构在静荷载以及动荷载下的反映。

日本的M.Kawaguchi教授于1993年提出了弦支穹顶的概念，并付诸于工程实践。这种体系由单层网壳、撑杆及预应力索组成，见图6所示。显而易见，弦支穹顶是将索穹顶的上部拉索全部采用刚性构件而构成一单层网壳，同时保持其它构件形式不变的一种新型的混合空间结构体系。

虚线：索

图６弦支穹顶结构及组成

M.Kawaguchi教授发明了弦支穹顶结构体系以后，于1994年将这种结构体系应用于日本东京Hikarigaoka穹顶和Fureai穹顶，并对后者进行了足尺试验，为今后的工程应用奠定了良好的开端。我国在弦支穹顶也进行了一些工程实践。如昆明柏联广场采光中庭，采用椭球型的弦支穹顶结构体系鞍山羽毛球馆，天津开发区商务中心大堂弦支穹顶。

但是，弦支穹顶结构不可能达到较大的跨度，这是因为单层网壳不可能承担较大的撑竿穿力，会引起网壳的局部强度破坏或失稳。清华大学郭彦林教授和崔晓强博士提出了巨型网格弦支穹顶结构的概念（如图7），并对其非线性稳定性进行了研究。研究结果表明它更适合于超大跨度结构，是一般弦支穹顶结构的增强形式，可以做到300m耀500m的超大跨度。

图７肋环形巨型网格弦支穹顶结构

张弦梁结构(BeamStringStructure,简称BSS)的概念由日本大学M.Saitoh教授在80年代初首先提出，它得名于“弦通过撑杆对梁进行张拉”这一基本形式。虽然其形式多种多样（图8），并不仅仅局限于梁、杆、索等简单组合，但各种形式的张弦梁结构均通过撑杆连接抗弯受压构件和抗拉构件，所以M.Saitoh教授对这种结构给出的定义是“用撑杆连接抗弯（受压）构件而形成的自平衡体系”。

图8张弦梁（拱）结构

第三种塔架和,如图图１４北京某斜拉结构

图１１张弦桁架结构

张弦梁结构或张弦桁架结构是自平衡结构体系，其设计的核心问题是根据其承受的重力荷载确定预应力最小值，并根据反向荷载（如风载）校核预应力的合理取值，即在各种荷载工况作用下，预应力拉索不失效。对于张弦梁结

图１５悬吊索系结构

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工程建设与设计圆园园缘年第员期

图１６英国千年穹顶

图１７悉尼会展中心

的。在大跨度悬吊索系结构体系中，索施加预应力,形后，稳定索中的应力会发生变化，下稳定索会卸载,定索中的应力基本不发生变化。源支撑结构体系是一典型的悬吊索系结构（图18），它是通过固定于周围混凝土塔架的三组主索将承载馈源舱的固定

图１８悬吊结构－Ａｒｅｃｉｔｏ望远镜

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钢结构场馆工程专题

平台结构体系悬吊起来，因固定平台结构体系自重较大，结构在自重作用下就具有比较好的整体刚度。因此，在Arecito望远镜的馈源支撑结构体系中未使用增加结构刚度的稳定索。我国正在研究和实施的重大项目--FAST项目，就是一个跨度为500m级的悬吊索系结构体系。

确定斜拉索系中的预应力水平是斜拉索系结构设计的关键问题,主要反映在两个方面，其一是确定各拉索之间预应力水平的比值,其二是确定预应力的幅值。确定各拉索之

间预应力水平的比值视结构形式不同而不同，主要考虑结构或主要受理单元的受力平衡及其合理性。预应力的幅值主要由结构的刚度要求决定，如跨中挠度或柱顶侧移值等。

中山大学风雨球场（图19）是预应力索拱杂交结构的典型应用，拱架采用三角形立体空间桁架,并与斜柱铰接;斜如图中实线所示，线条越粗表示拉力越大。受拉的辐条抵抗轮箍的继续变形，提高了轮箍的刚度，称为车辐受力原理。

图２０车辐受力原理示意图

将车辐受力原理引入到拱结构中，即按车辐式布置拉索系，形成一种索-拱杂交结构，称为车辐结构，如图21所示。与纯拱结构相比，车辐结构的刚度显著提高，稳定性明显改善，而且拱脚的水平推力变得可以调节。

图２１车辐结构

整体张拉及杂交结构体系的特点与应用车辐结构形式早在二十世纪五、六十年代在前苏联作为一种索拱体系提出，但直到1989年完成的汉堡历史博物馆庭院的玻璃屋顶（如图22所示）中才得到应用。该玻璃屋顶由德国建筑师VolkwinMarg设计，取得了举世公认的杰出成就。不过，该结构与本文的研究对象有所不同，它的索盘通过一根可滑动的索连接于邻近的外墙上。

图２２汉堡历史博物馆

伦敦观光轮（或伦敦眼）是一典型的车辐结构，其车辐直径达135m，如图23所示。

图２３伦敦眼阅＝１３５ｍ

车辐结构设计中一个重要的问题是其选型问题。除了纯拱设计中包含的拱的跨度、矢跨比、轴线形式和截面形式等，还包括拉索的数量、索盘位置、辐射形式等。

车辐结构设计的核心问题是其稳定性的计算，涉及到稳定承载力的确定及刚度的控制要求。通过非线性设计可以很好的解决这一问题，清华大学郭彦林教授的课题组正在对其设计理论进行研究[18,26]。

６索拱结构

众所周知，刚性体系中的拱具有结构造型优美、自重轻、刚度大、承载力高等许多优点，但在全跨均布荷载作用下其受力形式通常以压弯为主，常常在跨中、跨度１／４或３／４部位产生较大的弯矩幅值。特别对于椭圆形拱结构，在跨中正弯矩最大。为了使结构轻巧又适应于大跨度，只有通过预应力技术削减这些弯矩幅值。于是，一种预应力索拱结构便应运而生，这就是图２４所示的新颖轻巧的索拱结构。图２５是柏林新火车站，是这种索拱结构的典型工程实例。

在建筑结构中，索－拱结构中的拱一般采用工字形截面或箱形截面，其轴线形式多为圆弧形或椭圆形，索－拱中的拉索是按照拱轴线在全跨均布荷载作用下的弯矩图的变化来进行布置的。图２６是纯拱结构在全跨均布荷载作用下的弯矩图。这种布索形式不仅减小了全跨均布荷载作用下索

工程建设与设计圆园园缘年第员期

－

图２４新型索－拱结构的计算模型

－拱结构的稳定极限承载力。在半跨均布荷载作用下，拱结构发生的是反对称变形，因而只有非加载半跨中的索对结构的变形起控制作用，而加载半跨中的索可能会退出工作。正是由于拱轴线外侧拉索的有效约束作用，大大地提高了拱结构抵抗侧向整体失稳及二次分岔失稳的能力。

端，郭彦林和胡淑辉［１８，２７］对图２４所示的圆弧索－拱结构的受力特性和破坏机理进行了研究。对索－拱结构在全跨和半跨均布荷载作用下的面内弹性稳定性能进行了大挠度跟踪分析，并将其与纯拱结构进行对比，揭示了它的受力特性和破坏机理。在分析中，重点研究了矢跨比的大小和撑杆的高度对索－拱结构稳定性能的影响，其研究成果对类似结构的分析和设计有一定的参考价值。

图２４所示的索－拱结构，其造型的变化来源于拱、索和杆的变化。拱的选型主要是考虑拱的跨度和矢跨比、拱的截面形式、拱的轴线形式及拱的支座条件等。索是按照全跨均布自重荷载作用下纯拱结构的弯矩分布进行布置的，因而布索型式的变化取决于纯拱结构的弯矩分布及幅值。不同矢跨比的拱其弯矩分布和幅值有所不同，因而索的布置也就有所不同。当拱的矢跨比较小（或等于零）时，拱结构承受的均为正弯矩，此时索宜布置在整个拱的下方；当拱的矢跨比较大时，拱结构的跨中部分承受正弯矩，而两边承受负弯矩，因而中间部分索宜布置在拱的下方，

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工程建设与设计圆园园缘年第员期而两边索宜布置在拱的上方。此时拉索将与拱相交，其交点位置最好布置在拱弯矩图的反弯点上。经计算分析得知，两铰圆弧拱在全跨均布荷载作用下（当矢跨比大于０．１５时），其反弯点大致在拱轴线长的３／１０处，如图２６所示。连接索与拱之间的撑杆常采用圆管截面，它与索及拱的连接一般都采用铰接形式，因而撑杆只受压而不承受弯矩作用。

图２７英国某索拱结构

索－拱结构是由拱、索和撑杆组合而成的杂交结构，其造型丰富多彩，如图２７。郭彦林和剧锦三［１５，１６，１７］对对图２９所示的索拱结构进行了弹塑性承载力分析，研究结果表明：拉索的存在不仅大大地提高了结构的刚度，而且使其在半跨均布荷载作用下的承载力提高近一倍。近年来，我国有关学者已针对不同形式的索－拱结构的力学性能进行了初步的研究和探讨，特别考核了布索形式的变化对结构刚度及承载力的影响，取得了一定的研究成果。

[参考文献]

[1]董石麟，赵阳，周岱.我国空间钢结构发展中的新技术、新结构[J].

土木工程学报，1998，(6).

[2]刘锡良，夏定武.索穹顶与整体张拉穹顶[J].空间结构,1997.13(2):10耀17.

[3]MasaoSaitoh.StudyonMechanicalCharacteristicsofALight-WeightComplexStructureComposedofAMembraneandABeamStringStructure[J].IASSSymposiumonSpatial,Lattice,TensionStuctures,1994,633耀

644.[4]崔晓强，郭彦林.Kiewitt型弦支穹顶的弹性极限承载力分析[J].建筑结构学报，

2003，（1）.[5]崔晓强.弦支穹顶结构体系的静、动力性能的研究[D].北京：清华大学博士学位论文，

2002年7月。[6]崔晓强，郭彦林,等.索拱杂交结构及其在中山大学风雨球场中的应用，钢结构，

2001，(8)：11耀13.[7]郭彦林,崔晓强.滑动索系结构的统一分析方法——冷冻升温法[J].工程力学,2003，（4）.

[8]CuiXiaoqiang,GuoYanlin,WangHong.StaticBehaviorofPre-stressCable-trussHybridStructure[J].Proceedingsofthesixthpacificconferenceonsteelstructures,Beijing,October2001.

[9]崔晓强，

郭彦林.预应力确定准则及弦支穹顶拉索预应力的确定[J].建筑结构增刊，2004年8月.

[10]崔晓强，

郭彦林.巨型网格弦支穹顶的静力性能研究[J].建筑结构增刊，2004年8月.

[11]崔晓强,郭彦林，

等.“Kiewitt型弦支穹顶的弹性极限承载力分析16

钢结构场馆工程专题

[J].建筑结构学报，2003,(1).

[12]王宏.悬吊索系结构的静动力性能研究[D].北京：清华大学博士学位

论文，2001年7月。

[13]王宏,郭彦林等.大跨度悬吊索系结构目标位置成形分析方法[J].工

程力学,2003，（6）：93耀98.

[14]王宏,郭彦林，等.500m口径球面射电望远镜馈源支撑结构体系试验

研究与理论分析[J].建筑结构学报,2002，（6）.

[15]剧锦三,郭彦林.索-拱结构平面内稳定性研究[J].建筑结构学报,

2001，（2）.

[16]JUJinsan,GuoYanlin.In-planeinstabilitybehaviorofnewkindof

cable-archstructure[J].Proceedingsofthesixthpacificconferenceonsteelstructures,Beijing,October2001.

[17]剧锦三.拱形钢结构的稳定性研究[D].清华大学博士学位论文，2000

年7月.

[18]胡淑辉，郭彦林，索拱结构的刚度要求及性能研究[J].建筑结构

增刊，

2004年8月.[19]王高宁，郭彦林.车辐结构及其稳定承载力[J].建筑结构增刊，2004年8月.

[20]吕晶，

徐国彬，郭彦林，王月栋.劲柔索张拉穹顶结构拓扑优化研究[J].建筑结构增刊，2004年8月.

[21]刘建彬，

郭彦林.北京某预应力钢管桁架结构性能研究及设计[J].建筑结构增刊，2004年8月.

[22]张晓燕，

郭彦林，黄李骥，马智刚，陈国栋.深圳会展中心钢结构屋盖起拱方案及施工技术[J].工业建筑，2004，（12）.

[23]Yan-linGuo&E-nuoZhang.FiniteElementSimulatingofCableSliding

inMembraneStructuresinTheirBothConjunction[J].Advancesinsteelstructures,Shanghai,2005.

[24]Gao-ningWang,Yan-linGuo,E-nuoZhang.Elastic-PlasticStability

BehaviorofSpatialSpokeDomeStructure[J].Advancesinsteelstructures,Shanghai,2005.

[25]Shu-HuiHu&Yan-LinGuo.TheInelasticBehaviorofPre-stress

Cable-arch[J].Advancesinsteelstructures,Shanghai,2005.

NewSpatialStructuresandTheir

EngineeringApplication

GUOYanlin&LUJing

(Tsinghuauniversity,civilengineeringdepartment,Beijing

100084，

China)[Abstract]

Thispaperpresentsseveralnewspatial

structureformsandtheirconfiguration,structuralbehavior,maindesignproblemsanddesignapproachesareoutlined.

Thenew

spatialstructureformstobeintroducedanddiscussedincludecabledome,suspencabledomewithgiantlatticedmembers,beamstringstructureandbeamstringtruss,cable-suspenedstructureand

cable-stayedstructure,spokestructures,cablearchstructureandso

on.

[Keywords]newspatialstructureforms;cabledome,supencabledome;cable-stayedstructures;cable-suspendedstructure,spokestructure,cablearchstructure.

[收稿日期]

2005-01-03