索撐網(wǎng)殼的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景分析論文

　　[摘要] 自富勒提出張拉整體概念后，張弦結(jié)構(gòu)、索撐結(jié)構(gòu)等如雨后春筍般蓬勃發(fā)展，形式和材料趨向于多樣化，滿足了人們對(duì)不同空間的使用要求。本文介紹了索撐網(wǎng)殼的發(fā)展歷程及其國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，深入分析了其受力模式。同時(shí)，闡述了索撐網(wǎng)殼的應(yīng)用情況和發(fā)展前景。

　　[關(guān)鍵詞] 索撐網(wǎng)殼；張弦結(jié)構(gòu)

　　中圖分類號(hào)：C35 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

　　1、索撐網(wǎng)殼的提出

　　張拉整體的概念是20 世紀(jì)美國(guó)著名建筑師富勒提出的，是一種由一組不連續(xù)的受壓桿件與一套連續(xù)的受拉單元組成的自應(yīng)力、自平衡空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，它最大限度地利用了材料特征，世界各國(guó)建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的專家及研究所一直致力于將其應(yīng)用于工程實(shí)踐。日本大學(xué)齋藤公男教授于1990 年提出了張弦梁結(jié)構(gòu)，一種用撐桿連接抗彎壓構(gòu)件（梁、拱）和抗拉構(gòu)件（索）而形成的一種自平衡體系，通過(guò)對(duì)下層索施加預(yù)應(yīng)力使得結(jié)構(gòu)整體共同工作。

　　此后，為了解決單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)水平推力和穩(wěn)定性問(wèn)題，日本法政大學(xué)川口衛(wèi)教授于1993 年提出了由單層網(wǎng)殼和去掉上層索的索穹頂結(jié)構(gòu)組成的索撐網(wǎng)殼，與單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)相比，它具有更高的穩(wěn)定性，且有效減小了支座的水平推力；與索穹頂結(jié)構(gòu)相比，它不僅減小了周圍環(huán)梁的壓力，而且大幅度降低了結(jié)構(gòu)的施工難度。

　　索撐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是由單層網(wǎng)殼和下部撐桿、拉索組成，各環(huán)撐桿的上端與單層網(wǎng)殼對(duì)應(yīng)的各環(huán)節(jié)點(diǎn)鉸接；撐桿下端由徑向拉索與單層網(wǎng)殼的下一環(huán)節(jié)點(diǎn)連接；同一環(huán)的撐桿下端由環(huán)向箍索連接在一起，使整個(gè)結(jié)構(gòu)形成一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)上層單層網(wǎng)殼形式，索撐網(wǎng)殼又可以分為肋環(huán)型、施威德勒型、聯(lián)方型、凱威特型、三向網(wǎng)格型及短程線型。

　　2、索撐網(wǎng)殼研究現(xiàn)狀

　　2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

　　自1993年索撐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)概念提出至今，其發(fā)展是比較迅速的。從建設(shè)歷程來(lái)看，索撐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的規(guī)模正變得越來(lái)越大，建筑形體也變得越來(lái)越復(fù)雜。其中代表性的工程實(shí)踐有日本的光丘穹頂和聚會(huì)穹頂，跨度分別為35m和46m。此外，日本還完成了三個(gè)跨度160m以上的索撐網(wǎng)殼方案設(shè)計(jì)：跨度160m的大館穹頂、Schlaich 及Gehry Partners 等國(guó)外學(xué)者對(duì)以四邊形網(wǎng)格為主的索撐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的自由曲面網(wǎng)格劃分方式進(jìn)行了大量的研究。Schlaich 提出了表面平移法，并于1996 年應(yīng)用該方法對(duì)德國(guó)動(dòng)物園河馬館進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)該網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的屈曲問(wèn)題進(jìn)行了初步研究。Gehry Partners 在Schlaich 的研究基礎(chǔ)上，將表面平移法分進(jìn)一步為滑動(dòng)平移法和縮放平移法等不同形式，與此同時(shí)他們還對(duì)形式更加自由的三角形網(wǎng)格網(wǎng)殼的幾何劃分進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

　　Th.Bulenda 等學(xué)者對(duì)橢圓拋物面和橢圓柱面索撐網(wǎng)殼進(jìn)行了穩(wěn)定性能的研究，但所考察的參數(shù)比較簡(jiǎn)單，主要是在固定鋼桿件截面、固定索截面和索預(yù)應(yīng)力的情況下，對(duì)不同矢跨比的索撐網(wǎng)殼進(jìn)行了靜力穩(wěn)定性能分析，而且沒(méi)有考慮材料的非線性對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能的影響、也沒(méi)有考察結(jié)構(gòu)的屈曲后特性。C.Douthe等人以玻璃纖維作為柔性構(gòu)件、木材為剛性構(gòu)件，對(duì)索撐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了形態(tài)分析，并比較了有、無(wú)柔性材料時(shí)，結(jié)構(gòu)的剛度變化情況，初步論證了柔性構(gòu)件的加強(qiáng)作用。

　　2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

　　近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者在預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)方面做了大量卓有成效的工作，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的鐘善桐和沈世釗分別對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼桁架結(jié)構(gòu)和雙向懸索結(jié)構(gòu)進(jìn)行了具有開(kāi)創(chuàng)意義的研究工作；浙江大學(xué)的董石麟、羅堯治等也對(duì)索穹頂?shù)阮A(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究；貴州大學(xué)馬克儉提出了多種新型預(yù)應(yīng)力桁架結(jié)構(gòu)；北京工業(yè)大學(xué)的張毅剛、張愛(ài)林對(duì)索承結(jié)構(gòu)的研究也做出了重要貢獻(xiàn)；北京交通大學(xué)的楊慶山和同濟(jì)大學(xué)的張其林對(duì)于預(yù)應(yīng)力索膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)行的分析研究；天津大學(xué)的劉錫良和陳志華在20 世紀(jì)90 年代末期對(duì)索撐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)和張弦梁結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，相繼提出了弦支筒殼結(jié)構(gòu)、弦支拱殼結(jié)構(gòu)、弦支混凝土樓板結(jié)構(gòu)、弦支鋼絲網(wǎng)架混凝土夾芯板結(jié)構(gòu)等多種弦支結(jié)構(gòu)，豐富了弦支結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)容。

　　國(guó)內(nèi)主要研究?jī)?nèi)容偏重于靜力作用下的結(jié)構(gòu)性狀和分析方法，以滿足一般設(shè)計(jì)工作的要求為主要目標(biāo)。這些研究為我國(guó)空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了基本的理論支持。早期的工作偏重于以連續(xù)化理論為基礎(chǔ)的各種解析方法的研究，例如平板網(wǎng)架的擬板解法、網(wǎng)殼的擬殼解法。然而，懸索結(jié)構(gòu)在荷載作用下要產(chǎn)生較大位移，因此計(jì)算中應(yīng)考慮幾何非線性，并發(fā)展了一系列適用于不同形式懸索結(jié)構(gòu)的考慮大位移的解析方法。在一段時(shí)期內(nèi)，當(dāng)計(jì)算機(jī)尚未廣泛運(yùn)用于結(jié)構(gòu)計(jì)算以前，各種解析方法曾對(duì)空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展起過(guò)重要作用，但解析方法終究有其局限性，它們具有不同程度的近似性，而且往往僅適用于某些特定的結(jié)構(gòu)形式。計(jì)算機(jī)的普及和有限元分析方法的廣泛運(yùn)用為空間結(jié)構(gòu)的加速發(fā)展創(chuàng)造了真正的條件，許多大型的和特殊形式的新穎空間結(jié)構(gòu)只能用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行分析。

　　目前，大多科研機(jī)構(gòu)著重于索撐網(wǎng)殼的結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)形態(tài)、預(yù)應(yīng)力設(shè)定、靜動(dòng)力性能及穩(wěn)定性的理論分析和試驗(yàn)研究，關(guān)于施工方法以及節(jié)點(diǎn)連接的形式和受力等有待繼續(xù)深化。

　　3、索撐網(wǎng)殼的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景

　　21 世紀(jì)初，天津大學(xué)完成國(guó)內(nèi)第一座索撐網(wǎng)殼工程―天津保稅區(qū)商務(wù)中心大堂屋蓋，跨度35.4m；北京工業(yè)大學(xué)在相關(guān)成果的支持下，設(shè)計(jì)完成了昆明柏聯(lián)商廈采光頂索撐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，跨度15m；隨后在北京奧運(yùn)會(huì)和全運(yùn)會(huì)等大型社會(huì)體育文化活動(dòng)的背景下，空間結(jié)構(gòu)得到前所未有的發(fā)展，期間有代表性的索撐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)工程主要有：常州體育館、鞍山市網(wǎng)球訓(xùn)練館、武漢體育館，以及北京工業(yè)大學(xué)體育館、安徽大學(xué)體育館等，其中武漢體育館屋蓋是國(guó)內(nèi)首例建造的大型索撐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。

　　索撐網(wǎng)殼作為新興的空間結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)大的生命力。剛?cè)峤Y(jié)合的新型復(fù)合空間結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)雙層網(wǎng)殼、單層網(wǎng)殼及索穹頂結(jié)構(gòu)相比，除了造型美觀、節(jié)省材料。質(zhì)量輕、剛度大、抗震性能好和造價(jià)低等空間結(jié)構(gòu)的綜合優(yōu)勢(shì)外，在設(shè)計(jì)、施工和屋面選材上也具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)目前的發(fā)展現(xiàn)狀看，索撐網(wǎng)殼向著跨度更大，質(zhì)量更輕發(fā)展同時(shí)，網(wǎng)殼形式也需要更加合理，更加優(yōu)美的，更加多樣化的發(fā)展。此外，對(duì)于網(wǎng)殼的材料也在不斷的增加，鋁合金材料不僅強(qiáng)度高，而且具有耐腐蝕性。此外，越來(lái)越倡導(dǎo)綠色的時(shí)代，木材脫穎而出，輕質(zhì)高強(qiáng)，節(jié)能環(huán)保，具有優(yōu)良的保溫性能和吸聲性能。

　　木網(wǎng)殼在國(guó)外已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，多分布于英國(guó)、美國(guó)、日本、加拿大等發(fā)達(dá)國(guó)家，其中英國(guó)蘇塞克斯的星古頓森林及丘陵博物館內(nèi)，建有一棟三跨丘陵?duì)罹W(wǎng)格殼體建筑；意大利里米尼的諾瓦?費(fèi)拉展覽中心有一個(gè)30m 跨度的圓形穹頂，采用的是聯(lián)方型球面網(wǎng)殼。目前，木結(jié)構(gòu)的網(wǎng)殼在國(guó)內(nèi)的發(fā)展處于初級(jí)階段，索撐木網(wǎng)殼基本上處于空白狀態(tài)，有待大量研究。作為木網(wǎng)殼的難點(diǎn)和重點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)連接的形式以及受力狀態(tài)亟待解決，且前景廣闊。

　　4、結(jié)語(yǔ)

　　索撐網(wǎng)殼自誕生以來(lái)表現(xiàn)了強(qiáng)大的生命力，國(guó)內(nèi)外工程實(shí)例不勝枚舉。國(guó)內(nèi)為滿足一般設(shè)計(jì)工作的要求，研究?jī)?nèi)容偏重于靜力作用下的結(jié)構(gòu)性狀和分析方法，施工模擬以及節(jié)點(diǎn)連接等有待繼續(xù)深化，尤其在網(wǎng)殼材料上，木結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼的研究?jī)H僅停留在初級(jí)階段，但潛力巨大。

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