弦支穹頂體系及其結構動力特性分析

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弦支穹頂體系及其結構動力特性分析 工程建設與設計２００６年第３期

弦支穹頂體系及其結構動力特性分析

林素頤，，杜國良ｚ，馬宏，

（１．北京工業大學建筑工程學院，北京１０００２２；２．北京國電華北電力工程有限公司，北京

１０００１ １；３．機械工業出版社，北京１０００３７）

【摘 要】弦支穹頂姑構體系是在索桿張力體系和單層網殼基礎上發展起來的一種新型復合空間姑構。本文概述了弦支穹頂結構產

生的背景和結構原理，采用ＡＮＳＹＳ程序進行了姑構的模態分析和地震響應分析，得到了弦支穹頂結構體系的動力性能姑果，并將弦支穹

頂結構不施加預應力的情況和預應力作用下結構的動力特性進行了對比分析．

【關鍵詞】弦支穹頂；ＡＮＳＹＳ；預應力；地震響應分析；動力特性

【中圖分類號】ＴＵ３９１ 【文獻標識碼】Ａ 【文章編號１１００７－９４６７（２００６）０３－００１９￣３

１弦支穹頂由來及體系的組成和工作原理

結構造價將因此而降低，同時使弦支穹項在跨越更大跨度

方面具有較大的潛力。

２０世紀７０年代至８０年代，國外大跨空間結構得到快速 ２１通過對索施加預拉力，上部單層球面網殼將產生與荷

的發展，涌現出許多創新結構，如張弦立體桁架、索穹頂、索

載作用反向的變形和內力，使弦支穹頂結構在荷載作用下

膜結構等，尤其以索膜結構最受青睞，但由于專利權制約推

的桿件內力和節點位移均小于相應的單層球面網殼。

廣應用較少。為了克服技術上的困難，一些學者考慮以剛性 ３１調整環索的預拉力，可以減小甚至消除弦支穹項對下

上弦代替索穹頂中柔索上弦的構思。在對索穹項和單層網殼

部結構的水平推力，使弦支穹項具有更大的適用性。

兩種結構的優缺點進行充分的研究后，１９９３年日本川口衛教

４）作為“弦”的預應力拉索，增大了結構的整體剛度，因

授立足于張拉整體的概念，將索穹頂的思路應用于單層網 此弦支穹項具有更大的穩定承載力，同時使螺栓球等鉸接

殼，提出了Ｓｕｓｐｅｎｄｏｍｅ的張弦穹頂（又稱弦支穹項）的結構

節點的應用成為可能。

形式【ｌ】。

５１由于由一定的剛度，弦支穹項結構的設計、施工及節

典型的弦支穹項結構體系由單層網殼、撐桿、索組成。其

點構造和索穹項等完全柔性結構相比得到較大的簡化，預

中各層撐桿的上端和單層網殼相對應的各層節點徑向鉸

應力拉索可以簡單地通過伸長撐桿而獲得張拉。

接，下端由徑向拉索與單層網殼的下一層節點連接，同一層

的撐桿下端由環向箍索連接在一起，使整個結構形成一個

３弦支穹頂的動力性能分析

完整的結構體系。結構的傳力路徑非常明確，結構最初建成

３．１算例分析

時，通過對索施加預拉力，減少結構在正常使用荷載作用下

采用長軸６．７ｍ，短軸５．１ｍ，矢高０．６５６ｍ的雙橢圓形弦

上層單層網殼對支座的推力。在結構受外來荷載作用時，內 支穹頂模型，上部結構為聯方形單層網殼，采用ＡＮＳＹＳ有

力通過上端的單層網殼傳到下端的撐桿上，再通過撐桿傳

限元軟件，周邊沿豎向為鏈桿，其它方向自由滑動，在一個

給索，索受力后，產生對支座的反向推力，使整個結構對下

支座處設置三向鉸支座。另一支座處設置兩個方向的約束，

端約束環梁的橫向推力大大減少。與此同時，由于撐桿的作 消除結構的剛體位移，第一至第五道環索預應力比值為５：

用，減少了上層單層網殼各層節點的豎向位移和變形，較大

４．２５：３．２５：２．２５：１，第一環即最外圈環索的預應力值為１６００Ｎ。

幅度地提高了結構的穩定承載能力。

計算模型采用梁單元、拉壓桿單元和只拉桿單元進行分析，

２弦支穹頂的特點

以ｌｉｎｋｌ０單元作為弦支穹頂中徑向索和環向索單元，用

ｂｅａｍ１８８單元作為單層網殼的桿件單元，撐桿單元用

從結構體系上看，弦支穹頂作為剛、柔結合的新型雜交 ｌｉｎｋ１８０，鋼管的彈性模量Ｅ。：２．１×１０“Ｎ／ｍ ，索的彈性模量

空間結構，與單層球面網殼結構及索穹項等柔性結構相比， ＝１．９６×１０１ｌＮ／ｍ２。僅考慮豎向均布荷載，外荷載設為

具有如下特點：

１．５ｋＮ／ｍ２，等效到節點上為１０ｋＮ，對初始應力采用加溫差的

１１弦支穹項是一種異鋼種預應力空間鋼結構，其中高強

方法來施加。

度預應力拉索的引入使鋼材的利用更加充分，結構自重及

３．２白振特性分析［２

結構的自振特性是其本身固有的極其重要的力學性

【作者簡介】林素頤（１９７５￣），女，湖南洞口人，在讀碩士研究生，從事

能，又是衡量一個結構質量和剛度是否匹配、剛度是否合理

預應力鋼結構與抗震研究．（Ｅ—ｍｉｎｉ）ｔｅｄｍｍ＠ｓｉｎａ．ｃｏｒｎ

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