談雜交張拉結(jié)構(gòu)體系在體育場中的應(yīng)用

談雜交張拉結(jié)構(gòu)體系在體育場中的應(yīng)用

0張弦結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用需要復(fù)雜的設(shè)計(jì)技術(shù)所有具有長期生命力的體育建筑作品通常通過以下兩種方式進(jìn)行。首先，通過改革和創(chuàng)新結(jié)構(gòu)體系，我們可以創(chuàng)造一種新的建筑空間模型。例如，正如蘭沙姆體育中心（索登），這需要一個(gè)長期的研究、實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐過程。其次，根據(jù)建筑造型的特點(diǎn)，選擇適應(yīng)性強(qiáng)、效率高的結(jié)構(gòu)體制，建筑藝術(shù)和結(jié)構(gòu)技術(shù)的完美結(jié)合。對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言,需要運(yùn)用清晰的結(jié)構(gòu)概念,配合建筑師創(chuàng)造富于想象力和創(chuàng)新性的屋蓋造型,合理選擇結(jié)構(gòu)體系,在深入分析和不斷調(diào)整優(yōu)化的基礎(chǔ)上,最終形成高效、先進(jìn)的大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)。這是提升結(jié)構(gòu)工程師思維與設(shè)計(jì)能力的大好機(jī)遇。按照結(jié)構(gòu)剛度來分,體育館建筑可分為剛性結(jié)構(gòu)體系(如網(wǎng)架、桁架混凝土結(jié)構(gòu)),柔性結(jié)構(gòu)體系(如索膜結(jié)構(gòu))和剛?cè)犭s交結(jié)構(gòu)體系。作為新型雜交張拉結(jié)構(gòu)體系,張弦結(jié)構(gòu)有著與眾不同的優(yōu)異性能:結(jié)構(gòu)構(gòu)成的合理性,卓越的自平衡特性和整體穩(wěn)定性,主動(dòng)的應(yīng)力控制和變形控制功能,良好的耗能性能,以及對(duì)建筑造型極強(qiáng)的適應(yīng)能力等。這些特點(diǎn)使張弦結(jié)構(gòu)這類剛?cè)岵?jì)的新型結(jié)構(gòu)體系在日趨復(fù)雜化、專業(yè)化的體育場館設(shè)計(jì)中得到了廣泛的運(yùn)用。近十年來,我國人均體育場地面積、每萬人擁有體育場地?cái)?shù)和人均體育場地投資額等指標(biāo)均有了很大程度的提高?！吧陫W”成功之后,體育場館的建設(shè)更是步入高潮。1北京大學(xué)奧運(yùn)會(huì)乒乓球館1.1屋面曲面形態(tài)設(shè)計(jì)北京大學(xué)體育館(圖1(a))為2008年奧運(yùn)會(huì)乒乓球比賽館,共8000座席,規(guī)模達(dá)2.5萬m2。其屋蓋由旋轉(zhuǎn)屋脊與曲線屋檐形成異型曲面,并與中央透明的球體共同組成屋蓋造型,詮釋了乒乓球是對(duì)速度、力量、旋轉(zhuǎn)的綜合要求。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型和體系建立的過程中,首要難題在于:面對(duì)如此復(fù)雜的一個(gè)曲面造型屋蓋,傳統(tǒng)解析方法已無法準(zhǔn)確描述,然而屋面曲面形態(tài)設(shè)計(jì)又是屋蓋結(jié)構(gòu)選型、體系建立、構(gòu)件定位、排水設(shè)計(jì)、屋面施工等多項(xiàng)后續(xù)工作的前提。為此,采用一種特殊的曲面找形技術(shù)——NURBS來完成該屋面的曲面形態(tài)設(shè)計(jì)(圖1)。NURBS是“非均勻有理B樣條方法”的簡稱。首先,根據(jù)屋面的三組控制線即中央球殼支承邊界、旋轉(zhuǎn)屋脊和異型屋檐來繪制屋面邊界模型并對(duì)屋面進(jìn)行子域細(xì)分;隨后,利用NURBS中的放樣命令生成曲面面片,并作拼接過渡和光滑處理,形成曲面模型;最后,剖切形成輻射桁架定位線及等高線,實(shí)現(xiàn)由建筑造型向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過渡。在充分研究屋蓋的建筑形態(tài)以及下部結(jié)構(gòu)可以提供的支承條件的基礎(chǔ)上,選擇預(yù)應(yīng)力空間桁架殼體作為屋面結(jié)構(gòu)體系。結(jié)合下部混凝土結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)布置,共布置了32榀輻射桁架(圖2(a)),桁架外端設(shè)置滑動(dòng)支座以釋放殼體形成的水平推力,桁架內(nèi)端支承于受壓剛性環(huán),該剛性環(huán)兼做中央球殼的周邊支承;各榀輻射桁架通過外環(huán)桁架、環(huán)向支承桁架、屋面聯(lián)方型交叉支撐(圖2(b))連成整體;在各榀輻射桁架下部設(shè)預(yù)應(yīng)力拉索,通過受壓撐桿與受拉剛性圓環(huán)將拉索與桁架殼體構(gòu)成整體,形成預(yù)應(yīng)力空間桁架殼體(圖2(c))。1.2結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化1.屋頂支撐體系滑移量過對(duì)拉索施加一定的預(yù)張力,通過撐桿對(duì)上部殼體實(shí)施反拱卸載,既增加了屋蓋的豎向剛度,又使上部殼體的桿件應(yīng)力比均得到了很好的控制,同時(shí)拉索的水平分力有效彌補(bǔ)了因滑動(dòng)支座的設(shè)置而引起的支座滑移量過大,從而使結(jié)構(gòu)在自重作用下形成自平衡體系。在最不利荷載工況下,屋蓋最大撓度為93.1mm,滿足規(guī)范要求;支座最大滑移量為39.8mm,小于70mm的滑程限值。非線性屈曲分析表明,在“1.0恒載+1.0活載”的標(biāo)準(zhǔn)組合下,非線性屈曲系數(shù)為12.96。第1階屈曲模態(tài)表現(xiàn)為跨度最大的輻射桁架在臨近支座處發(fā)生平面外失穩(wěn),且前6階屈曲模態(tài)中并未出現(xiàn)屋蓋整體扭曲的模態(tài),表明屋面支撐體系提供的殼體面內(nèi)剪切剛度較大,屋蓋結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)下不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)。要進(jìn)一步判斷屋蓋的極限狀態(tài)是穩(wěn)定控制還是強(qiáng)度控制,則需進(jìn)行更為深入的彈塑性極限承載力分析。2.結(jié)構(gòu)的塑性發(fā)展順序?yàn)榱藢?duì)結(jié)構(gòu)整體安全度進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估,需同時(shí)考慮幾何非線性、材料非線性以及支承條件的非線性變化,對(duì)屋蓋進(jìn)行彈塑性極限承載力分析。運(yùn)用通用有限元軟件ANSYS9.0,采用弧長法來跟蹤極值點(diǎn)失穩(wěn),得到結(jié)構(gòu)的荷載-位移全過程曲線,從而把結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的整個(gè)變化歷程表示清楚,使結(jié)構(gòu)的非線性穩(wěn)定分析與極限承載力分析合二為一。取“1.0恒載+1.0活載”作為標(biāo)準(zhǔn)組合,屋蓋結(jié)構(gòu)的塑性發(fā)展順序見表1所示。綜合分析殼體的塑性發(fā)展順序可知,結(jié)構(gòu)的最終破壞主要由兩方面的因素導(dǎo)致:一方面,受壓剛性環(huán)上、下弦桿,屋面的交叉支撐大量進(jìn)入塑性導(dǎo)致殼體的整體性大大削弱,平面桁架間的協(xié)同工作性能下降;另一方面,支承于滑動(dòng)支座的立柱大多進(jìn)入塑性,殼體的支承條件嚴(yán)重削弱。在兩方面因素的聯(lián)合作用下,結(jié)構(gòu)達(dá)到其極限承載力。此時(shí),最大撓度達(dá)497mm,荷載因子約為4。由圖3荷載-位移曲線發(fā)現(xiàn):在荷載因子達(dá)到1.80之后,曲線斜率顯示出先增大后減小的規(guī)律。這是由于當(dāng)荷載因子增加到1.80時(shí),部分滑動(dòng)支座陸續(xù)達(dá)到滑程限值,相當(dāng)于結(jié)構(gòu)所受到的約束條件開始增強(qiáng),此時(shí)桿件均處于彈性工作狀態(tài),隨著進(jìn)入滑程限制的支座增多,結(jié)構(gòu)的剛度逐漸增大;而當(dāng)荷載因子增加到2.5時(shí),結(jié)構(gòu)由于部分桿件進(jìn)入塑性而開始發(fā)生剛度軟化;隨后荷載繼續(xù)增加,當(dāng)材料軟化造成的結(jié)構(gòu)剛度削弱速度超過支承條件增強(qiáng)造成的結(jié)構(gòu)剛度增加速度時(shí),整個(gè)結(jié)構(gòu)開始發(fā)生剛度軟化。由于結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性的荷載因子為2.5,如取活荷載的分項(xiàng)系數(shù)為1.35,則結(jié)構(gòu)能夠滿足承載能力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)。3.下部結(jié)構(gòu)影響分析將下部混凝土框架與屋蓋結(jié)構(gòu)整體建模進(jìn)行分析,其結(jié)果與屋蓋單獨(dú)建模分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比見圖4與表2。圖4表明下部結(jié)構(gòu)對(duì)屋蓋豎向剛度影響不大。而表2中反力數(shù)值對(duì)比可知,支座處水平反力對(duì)邊界條件比較敏感,兩個(gè)模型的計(jì)算結(jié)果相差很大。其原因是:一方面,單獨(dú)計(jì)算模型忽略了下部混凝土框架結(jié)構(gòu)由于上部屋蓋結(jié)構(gòu)的作用而產(chǎn)生的彈性變形;另一方面,下部混凝土框架結(jié)構(gòu)并非無窮剛,而是彈性支承,所以其側(cè)向剛度對(duì)上部屋蓋結(jié)構(gòu)底部變形有較大影響。這兩方面反映了上、下部結(jié)構(gòu)協(xié)同工作和相互影響的過程。因此為了準(zhǔn)確計(jì)算屋蓋對(duì)下部結(jié)構(gòu)的水平作用力及支座滑移量,宜考慮下部支承結(jié)構(gòu)的真實(shí)剛度,采用整體計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算分析。4.優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(1)輻射拉索初始預(yù)張力的影響拉索初始預(yù)張力的合理選擇,是實(shí)現(xiàn)屋面形態(tài)設(shè)計(jì)和確保結(jié)構(gòu)優(yōu)異性能得以發(fā)揮的關(guān)鍵。一般而言,拉索初始預(yù)應(yīng)力度的取值主要考慮以下兩個(gè)基本指標(biāo):首先,應(yīng)使索在任何工況下(包括不利風(fēng)吸和升溫作用)均不出現(xiàn)松弛,以保證必要的整體剛度和穩(wěn)定的幾何形態(tài);其次,應(yīng)使索力對(duì)結(jié)構(gòu)形成有效的反拱卸載,增強(qiáng)豎向剛度,并減少支座水平推力和滑移量,但同時(shí)須保證索的豎向分力和水平分力不能過大,防止反拱或滑移超限?；诖?暫定給32根輻射拉索均施加500kN的初始預(yù)張力,此時(shí)結(jié)構(gòu)在初始態(tài)與荷載態(tài)下,各項(xiàng)指標(biāo)如反拱、撓度、支座滑移、水平推力均得到了較好控制。進(jìn)一步分析北大體育館的結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn),由于拉索一端連接于圓形受拉環(huán)、另一端則連接于矩形外環(huán),且每根拉索的長度和角度不盡相同,所以當(dāng)給所有拉索施加相同預(yù)張力后,發(fā)現(xiàn)內(nèi)側(cè)受拉環(huán)在X向被拉伸、Y向則相應(yīng)壓縮,圓環(huán)變形為橢圓環(huán)(如圖5),這將會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性造成不利影響。因此,在先前確定的500kN預(yù)張力的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對(duì)其索力分布進(jìn)行優(yōu)化,確定對(duì)X向拉索施加420kN預(yù)張力,而Y向仍保持500kN,從而既滿足上述兩項(xiàng)基本指標(biāo),又使受拉圓環(huán)在內(nèi)力及變形方面得以均衡。(2)輻射桁架的布置平面桁架的面外剛度較差,須合理設(shè)置支撐體系以保證其不發(fā)生平面外屈曲。針對(duì)北大體育館屋蓋結(jié)構(gòu)的空間特點(diǎn),布置了5m間距的同心圓環(huán)桁架作為輻射桁架的面外支撐,并在上弦平面內(nèi)設(shè)置了聯(lián)方型交叉支撐(圖6),以保證各榀輻射桁架的協(xié)同工作性能,增強(qiáng)屋蓋空間整體剛度。在完成了支撐體系的布置后,對(duì)支撐形式進(jìn)行優(yōu)化,改變下弦和腹桿的排列,將平行弦桁架改為圖7所示的形式,在不改變桁架單元基本受力性能的前提下使其顯得更加輕盈,美化了建筑室內(nèi)空間。(3)滑動(dòng)支護(hù)的轉(zhuǎn)換偏平殼體將對(duì)下部混凝土框架產(chǎn)生極大的水平推力,若下部框架無法提供強(qiáng)支承,則須通過屋蓋自身的優(yōu)化來合理處理:首先轉(zhuǎn)換思路,將單一的“抗”轉(zhuǎn)變?yōu)橛薪M織的“放”,即設(shè)置滑動(dòng)支座,在一定滑程限值范圍內(nèi)通過釋放位移來釋放水平推力;其次,合理調(diào)節(jié)拉索預(yù)應(yīng)力,控制支座滑移量不至過大,同時(shí)索通過撐桿對(duì)殼體實(shí)施反拱,以彌補(bǔ)因設(shè)置滑動(dòng)支座而造成的屋蓋剛度的削弱。這兩方面的措施體現(xiàn)了雜交張拉結(jié)構(gòu)優(yōu)異的自平衡特性和主動(dòng)的變形控制功能。2大學(xué)體育館2.1網(wǎng)架網(wǎng)殼的確定安徽大學(xué)新校區(qū)體育館(圖8)建筑造型呈鉆石形,平面為正六邊形,最大跨度87.7m,規(guī)模達(dá)1.2萬m2,共5000座席。屋蓋中央設(shè)置跨度24m的正六邊形采光玻璃天窗。如此規(guī)則的建筑平面布局,使傳統(tǒng)的網(wǎng)架網(wǎng)殼成為可行的方案,但需克服兩個(gè)難題:支座推力的處理和用鋼量的控制。經(jīng)分析比較后,選擇了雜交張拉結(jié)構(gòu)體系中的弦支網(wǎng)殼(圖9):在屋脊處對(duì)稱設(shè)置六道脊梁,將屋面分為六個(gè)平板區(qū)格,每個(gè)區(qū)格內(nèi)布置徑向梁和橫向梁。沿脊梁從外到內(nèi)設(shè)置五道環(huán)索、斜拉索以及連接脊梁和索的撐桿。斜索的水平分力與環(huán)索軸力平衡,豎向分力則通過撐桿對(duì)上部結(jié)構(gòu)實(shí)施反拱卸載。在采光頂周圍以及結(jié)構(gòu)外沿分別設(shè)置一道環(huán)向空間桁架,以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體剛度,并協(xié)調(diào)各區(qū)格桿件的變形及受力。2.2結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化1.網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析在非線性找形分析基礎(chǔ)上,施加荷載觀察結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形:在恒載作用下,受力最大的主脊梁的彎矩圖呈鋸齒型,正負(fù)峰值彎矩的絕對(duì)值接近,受力區(qū)域均衡;在不利荷載工況下,屋蓋頂點(diǎn)最大撓度為104mm,主脊梁最大撓度為148mm,均滿足規(guī)范限值;支座推力控制在180kN,能直接由下部框架柱承受;對(duì)屋蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何非線性分析,得到結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性系數(shù)K=5.6,滿足《網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ61—2003)第4.3.4條K≥5的要求。若將全部拉索與撐桿去掉,使結(jié)構(gòu)完全為一單層網(wǎng)殼時(shí),結(jié)構(gòu)的變形增加不多,但主要構(gòu)件的最大應(yīng)力比遠(yuǎn)遠(yuǎn)超限。這表明索對(duì)屋蓋剛度的貢獻(xiàn)不大,但索的預(yù)張力改變了整個(gè)單層網(wǎng)殼在荷載作用下的內(nèi)力分布,使得主要受力構(gòu)件的內(nèi)力趨于平均,削減了內(nèi)力峰值,使承載力得到提高。2.塑性p-3ga結(jié)構(gòu)運(yùn)用SAP2000結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)弦支網(wǎng)殼屋蓋進(jìn)行彈塑性極限承載力分析,取“恒載+半跨雪荷”作為基本荷載組合。在脊梁、徑向梁、環(huán)向梁每個(gè)節(jié)間的兩端預(yù)設(shè)生成塑性P-M3鉸,共600個(gè)鉸。同時(shí),將全部拉索去掉,單獨(dú)將其上部的單層網(wǎng)殼進(jìn)行彈塑性極限承載力分析,并與前者相比較。如圖10所示,弦支網(wǎng)殼的極限承載力明顯高于單層網(wǎng)殼。只有當(dāng)荷載因子達(dá)到2.8時(shí),主脊梁出現(xiàn)塑性鉸,結(jié)構(gòu)的整體承載力才會(huì)明顯下降,直至失去承載能力?？梢娺@類新型弦支網(wǎng)殼在正常使用情況下的整體安全度是可以得到保證的。3.優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(1)梁端緊固結(jié)增強(qiáng)穩(wěn)定為充分發(fā)揮雜交張拉結(jié)構(gòu)的變形控制功能,在確定索初始預(yù)張力時(shí),首先應(yīng)考慮對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度的調(diào)整和優(yōu)化,使結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的反拱和下?lián)媳M可能接近;其次,由于斜索的作用主要是通過撐桿對(duì)主脊梁進(jìn)行反拱并改善其內(nèi)力分布,進(jìn)而改善屋蓋整體的剛度和受力特性,所以,主脊梁應(yīng)作為重點(diǎn)構(gòu)件加以考察,使其在恒載作用下的彎矩圖呈鋸齒形,正負(fù)峰值彎矩的絕對(duì)值接近;此外,預(yù)張力應(yīng)盡可能小,以減小施工難度。綜合分析比較后,確定斜索由外到內(nèi)初始預(yù)張力分別為:1800,1100,600,300,100kN。(2)設(shè)置剛度大的空間桁架來消除主梁部成不同于北大體育館對(duì)支座的處理方法,本屋蓋結(jié)構(gòu)未設(shè)置滑動(dòng)支座,故須控制支座推力的大小。首先,外圈斜索的水平拉力極大減小了主脊梁處支座的水平推力;其次,在外環(huán)設(shè)置剛度較大的空間桁架,協(xié)調(diào)各榀主脊梁和徑向梁的受力,進(jìn)一步減小支座推力;最后,將主脊梁和徑向梁的外端彎矩釋放,以避免支座因平衡彎矩而形成的水平力。在眾多因素的綜合作用下,屋蓋結(jié)構(gòu)支座的最大推力只有180kN,完全可由下部混凝土柱獨(dú)立承擔(dān)。3福建省泉州市體育廳3.1曲面形態(tài)設(shè)計(jì)泉州市體育館共8000座席,規(guī)模達(dá)4.5萬m2,屋蓋呈異型橢球體造型,最大跨度達(dá)94m。與前述北大體育館類似,泉州體育館也屬于復(fù)雜的異型曲面造型(如圖11),由于沿長度方向形態(tài)和曲率變化較大,故曲面找形難度較大,同樣采用NURBS找形技術(shù)完成該屋面的曲面形態(tài)設(shè)計(jì)(如圖11)。比賽館屋蓋的結(jié)構(gòu)體系,根據(jù)屋面的建筑形態(tài)及下部結(jié)構(gòu)可以提供的支承條件選擇了張弦桁架支撐殼體。在平行對(duì)稱軸方向設(shè)置7榀間距12m的張弦桁架,桁架斷面為倒三角形。桁架下部設(shè)置拉索,通過撐桿與上部的桁架連接構(gòu)成張弦桁架體系。在兩榀相鄰桁架的上弦之間,設(shè)置單層三向網(wǎng)格支撐,將平面的張弦桁架體系連接成具有空間剛度的張弦桁架支撐殼體。在屋蓋周邊設(shè)置外環(huán)空間桁架,增強(qiáng)屋蓋整體剛度。張弦桁架通過固定抗震球鉸支座和單向滑動(dòng)抗震球鉸支座支承在下部混凝土圈梁上。3.2結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化1.最大撓度、反拱以及滑動(dòng)成支護(hù)滑程范圍考慮下部混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)比賽館屋蓋的彈性支承作用,進(jìn)行整體建模,并用非線性方法對(duì)其進(jìn)行靜力分析:結(jié)構(gòu)在不利工況下的最大撓度和反拱分別為137.7和69.2mm,豎向剛度較大;滑動(dòng)支座的最大內(nèi)滑和外滑量均控制在50mm以內(nèi),滿足70mm的滑程限值;桁架尾部固定鉸支座處的最大水平推力為1200kN,通過在下部框架間設(shè)置斜撐桿加以抵抗,而桁架前端和兩側(cè)則通過設(shè)置滑動(dòng)支座釋放位移來消除水平推力。2.時(shí)塑性區(qū)域分析由表3和圖12可知:屋蓋結(jié)構(gòu)的塑性發(fā)展順序基本表現(xiàn)為從張弦桁架到支撐體系再到外環(huán)桁架,結(jié)構(gòu)豎向剛度是逐漸、緩慢地減弱,表明該結(jié)構(gòu)力學(xué)邏輯明晰,整體受力合理。屋蓋達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)塑性區(qū)域主要集中在兩片:一是屋蓋中央部分的張弦桁架和支撐構(gòu)件,該區(qū)域彎曲變形顯著,上弦表面的桿件受壓較大而最先進(jìn)入塑性,進(jìn)而使得屋蓋的豎向剛度和面內(nèi)剪切剛度大大減小(對(duì)應(yīng)圖12中的點(diǎn)b);二是張弦桁架拉索節(jié)點(diǎn)區(qū)域和支座節(jié)點(diǎn)區(qū)域的桿件以及外環(huán)桁架在支座節(jié)點(diǎn)區(qū)域的桿件,這部分則是由于各連接節(jié)點(diǎn)處較大的軸力而導(dǎo)致桿件進(jìn)入塑性,而使得屋蓋的邊界支承條件不斷削弱(對(duì)應(yīng)圖12中的點(diǎn)c)。結(jié)構(gòu)最終達(dá)到極限狀態(tài)是由上述兩方面原因共同引起的,屬于強(qiáng)度破壞,此時(shí)荷載因子為3.18,表明該新型雜交張拉結(jié)構(gòu)在正常使用時(shí)具有足夠的安全儲(chǔ)備。3.優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(1)基于荷載的雙張力前面已介紹過雜交張拉結(jié)構(gòu)體系中拉索預(yù)張力取值的基本原則,這里結(jié)合泉州體育館張弦桁架支撐殼體作進(jìn)一步探討。首先,分別對(duì)拉索施加70,90,110kN三種預(yù)張力,作為三個(gè)對(duì)比模型。就變形而言,模型1在附加荷載與升溫作用下,支座向外滑移量過大;而模型3在風(fēng)吸和降溫作用下,支座向內(nèi)滑移量過大。就索力變化而言:模型1在最不利荷載組合下索中余留拉力過小,可能會(huì)出現(xiàn)松弛現(xiàn)象;而模型3由于預(yù)張力較大,不僅給剛性子結(jié)構(gòu)帶來較大的附加軸壓力的彎矩,也會(huì)給施工帶來不便。所以經(jīng)過優(yōu)選,施加90kN的預(yù)張力最為合理。另一方面,由于7榀空間桁架的曲率和跨度有所不同,若施加相同的預(yù)張力,則會(huì)造成各榀桁架在變形及支座滑移兩方面的差異較大,故從協(xié)調(diào)整體變形的角度,對(duì)跨度最小的邊榀桁架的拉索施加70kN預(yù)張力,其它5榀施加90kN,以達(dá)到最佳的內(nèi)力和變形控制效果,以充分運(yùn)用張弦結(jié)構(gòu)卓越的自平衡特點(diǎn),來改善結(jié)構(gòu)整體性能。(2)交叉支撐體系的設(shè)計(jì)支撐體系不僅為張弦桁架提供側(cè)向支撐以增強(qiáng)其平面外穩(wěn)定性,同時(shí)也是重要的受力構(gòu)件,協(xié)同7榀張弦桁架形成整體共同工作。在對(duì)多種支撐形式進(jìn)行分析對(duì)比的基礎(chǔ)上,選擇了大尺度的“米”字型交叉支撐體系,從而保證了橢球型殼體的整體性。設(shè)置外環(huán)空間桁架,一方面為張弦桁架和交叉支撐在外端提供支承,使屋蓋各結(jié)構(gòu)組份形成有機(jī)整體以協(xié)同抗力;另一方面也有效地提高了屋蓋結(jié)構(gòu)的平面內(nèi)剪切剛度,減小了支座的滑移量和水平推力,為張弦桁架自平衡特性的充分發(fā)揮提供了保證。經(jīng)比較,選擇剛度較大的空間桁架作為屋蓋結(jié)構(gòu)的外環(huán)。4恒遠(yuǎn)體育4.1橫向空間桁架組合、橫向交叉支撐體系復(fù)旦大學(xué)體育館(圖13)共5000座席,規(guī)模達(dá)1.2萬m2。屋蓋結(jié)構(gòu)采用拱支承桁架殼體,上覆PTFE膜材。屋蓋主體部分包括6榀間距為12m的橫向空間桁架和一道縱向聯(lián)系桁架,通過外環(huán)桁架和屋面交叉支撐體系將其連成整體性較好的空間桁架殼體,支承于周邊混凝土框架柱頂?shù)娜α荷?。屋蓋上空架立一跨度達(dá)100m的半圓形格構(gòu)式拱,跨越整體體育館,其上輻射狀布置的斜拉索對(duì)屋蓋桁架殼體提供向上的拉力以起到卸載作用,增加殼體豎向剛度并有效防止其發(fā)生整體失穩(wěn)。此外,穩(wěn)定索為拱提供側(cè)向支撐,防止其發(fā)生平面外失穩(wěn)。整個(gè)屋蓋結(jié)構(gòu)體系合理,力流途徑明確。4.2結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化1.橫向風(fēng)振作用在不利荷載工況下,格構(gòu)式拱最大水平位移11.57mm,豎向位移29.2mm;桁架殼體最大撓度88mm,變形均滿足規(guī)范限值要求。說明斜拉索和穩(wěn)定索不僅保證了桁架殼體的豎向剛度,也有效提供了對(duì)格構(gòu)式拱的側(cè)向支撐,整個(gè)結(jié)構(gòu)受力合理。由于工程斜拉索和穩(wěn)定索均外露,直接承受風(fēng)荷載,且長度較大,故橫向風(fēng)振效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響不容忽視。工程設(shè)計(jì)中,對(duì)斜拉索和穩(wěn)定索的第1階自振頻率進(jìn)行了驗(yàn)算,使其值均超過脫落頻率的25%,落在共振區(qū)外,從而確保外露的拉索不發(fā)生橫向風(fēng)振。2.空間桁架穩(wěn)定性對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何非線性穩(wěn)定分析(圖15),以“1.2恒載+1.4活載+1.4×0.7升溫”作為基本荷載組合,當(dāng)荷載因子為14時(shí),屋蓋因空間桁架出現(xiàn)較大平面外變形而達(dá)到穩(wěn)定極限。但此時(shí),已有相當(dāng)部分桿件的應(yīng)力已超過材料的屈服極限。因此,該屋蓋結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度破壞先于整體失穩(wěn),表明結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性較好。3.穩(wěn)定索張拉和格構(gòu)式鋼拱的安裝作為屋蓋結(jié)構(gòu)中最為關(guān)鍵的組份之一,拉索需在深入分析的基礎(chǔ)上確定初始預(yù)張力取值,并作施工張拉順序的優(yōu)化。在綜合考慮初始預(yù)張力對(duì)桿件及支座的影響以及溫度作用和橫向風(fēng)振影響,對(duì)穩(wěn)定索施加少量