工程類課件：弦支穹頂結(jié)構(gòu)

弦支穹頂結(jié)構(gòu)主要內(nèi)容弦支穹頂結(jié)構(gòu)基本介紹弦支穹頂設(shè)計內(nèi)容實例操作演示一、弦支穹頂結(jié)構(gòu)基本介紹1.1弦支穹頂定義1.2弦支穹頂發(fā)展1.3弦支穹頂特點1.4弦支穹頂分類一、弦支穹頂結(jié)構(gòu)基本介紹預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)是什么？

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)是在設(shè)計、制造、安裝、使用過程中用人為方法引入預(yù)應(yīng)力以提高結(jié)構(gòu)強度、剛度、穩(wěn)定性的鋼結(jié)構(gòu)。為改變傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形分布、抵消荷載作用下的內(nèi)力與較大變形，通常是通過在鋼結(jié)構(gòu)中引入高強度的拉索并給拉索施加預(yù)應(yīng)力來實現(xiàn)的。弦支穹頂1.1弦支穹頂定義一、弦支穹頂結(jié)構(gòu)基本介紹弦支穹頂結(jié)構(gòu)是什么？弦支穹頂結(jié)構(gòu)又稱之為索承網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，是傳統(tǒng)的單層或雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)和索穹頂結(jié)構(gòu)結(jié)合的衍生物，它綜合了單層網(wǎng)殼和索穹頂結(jié)構(gòu)優(yōu)良性能于一體，是一個由單層或雙層網(wǎng)殼代替索穹頂?shù)纳蠈铀骶W(wǎng)后形成的一種新型雜交結(jié)構(gòu)。

弦支穹頂結(jié)構(gòu)通過下層索系、上層剛性網(wǎng)殼和豎向撐桿共同工作而承受外部荷載，結(jié)構(gòu)通過對下層索系（徑向索和環(huán)向索）施加預(yù)應(yīng)力而為結(jié)構(gòu)提供足夠的豎向剛度，并在結(jié)構(gòu)內(nèi)形成水平作用自平衡的結(jié)構(gòu)體系。

1.1弦支穹頂定義一、弦支穹頂結(jié)構(gòu)基本介紹弦支穹頂結(jié)構(gòu)是什么？單層網(wǎng)殼和弦支體系相結(jié)合形成弦支穹頂，弦支體系中索的預(yù)應(yīng)力通過撐桿使單層網(wǎng)殼產(chǎn)生與使用荷載作用時相反的位移，從而抵消了部分外荷載的作用；索與梁之間的撐桿對于單層網(wǎng)殼起到了彈性支撐的作用，從而可以減小單層網(wǎng)殼桿件的內(nèi)力；同時，下部斜索負(fù)擔(dān)了外荷載對單層網(wǎng)殼產(chǎn)生的外推力，從而不會對邊緣構(gòu)件產(chǎn)生水平推力，整體結(jié)構(gòu)形成自平衡體系。弦支穹頂結(jié)構(gòu)原理圖1.1弦支穹頂定義一、弦支穹頂結(jié)構(gòu)基本介紹弦支穹頂結(jié)構(gòu)發(fā)展

1993年日本政法大學(xué)川口衛(wèi)教授提出了由單層球面網(wǎng)殼和去掉上層索的索穹頂結(jié)構(gòu)組成的一種合理的新型雜交空間結(jié)構(gòu)形式—弦支穹頂結(jié)構(gòu)。弦支穹頂結(jié)構(gòu)作為一種剛?cè)嵯酀男滦蛷?fù)合結(jié)構(gòu)體系，完美地融合了單層網(wǎng)殼和索穹頂結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。1.2弦支穹頂發(fā)展一、弦支穹頂結(jié)構(gòu)基本介紹弦支穹頂結(jié)構(gòu)發(fā)展世界上第一個弦支穹頂-光球穹頂，該穹頂跨度為35m，最大高度14m，總質(zhì)量130t，上層網(wǎng)殼采用由工字形鋼梁組成的聯(lián)方型網(wǎng)格劃分方式。光丘穹頂只在單層網(wǎng)殼的最外層下部組合了張拉整體結(jié)構(gòu)，而且采用了鋼桿代替徑向拉索，通過對鋼桿施加預(yù)應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)在長期荷載作用下對周邊環(huán)梁的作用力為零。環(huán)梁下端由V形鋼柱相連,鋼柱的柱頭和柱腳采用鉸接形式，從而使屋頂在溫度荷載作用下沿徑向可以自由變形。光丘穹頂1.2弦支穹頂發(fā)展一、弦支穹頂結(jié)構(gòu)基本介紹弦支穹頂結(jié)構(gòu)發(fā)展（世界第二個）光球穹頂之后，1997年3月日本長野又建成了另一個弦支穹頂—聚會穹頂，也由川口衛(wèi)設(shè)計。穹頂跨度為46m，屋蓋高度為16m。整個弦支穹頂支撐在周圈鋼柱上，鋼柱與下部鋼筋混凝土框架連接。聚會穹頂1.2弦支穹頂發(fā)展一、弦支穹頂結(jié)構(gòu)基本介紹弦支穹頂結(jié)構(gòu)發(fā)展（中國第一個）天津保稅區(qū)商務(wù)中心大堂屋蓋結(jié)構(gòu)跨度35.4m，矢高4.6m；上部單層網(wǎng)殼部分采用聯(lián)方型網(wǎng)格，桿件全部采用,133×6；撐桿采用,89×4。下部張拉整體部分共布置5道，由外及里前兩道采用鋼絲繩,6×19，后三道采用鋼絲繩,6×19。沿徑向劃分為5個網(wǎng)格，外圈環(huán)向劃分為32個網(wǎng)格，到中心縮減為8個，弦支穹頂周邊支承于沿圓周布置的15根鋼筋混凝土柱及柱頂圈梁之上。天津保稅區(qū)商務(wù)中心大堂屋蓋1.2弦支穹頂發(fā)展一、弦支穹頂結(jié)構(gòu)基本介紹弦支穹頂結(jié)構(gòu)發(fā)展

國內(nèi)最大的橢圓形弦支穹頂，橢圓長軸119.9m，短軸79.9m，結(jié)構(gòu)矢高21.45m，單層網(wǎng)殼中心部位網(wǎng)格形式為凱威特型、外圍部位網(wǎng)格形式為聯(lián)方型。上部的單層網(wǎng)殼中桿件規(guī)格為,245×8、,245×10、,245×12、,351×10、,351×12，網(wǎng)殼均采用鑄鋼節(jié)點。下部張拉整體部分共布置6環(huán)，索采用1670級5鍍鋅鋼絲雙護層扭絞型拉索，具體的拉索規(guī)格,5×55、,5×85、,5×199，撐桿截面為,121×8的圓鋼管。整個結(jié)構(gòu)通過24個支座固定于下部混凝土環(huán)梁上。常州體育館1.2弦支穹頂發(fā)展一、弦支穹頂結(jié)構(gòu)基本介紹弦支穹頂結(jié)構(gòu)發(fā)展大連體育館屋面呈螺旋形，上部為輻射式桁架結(jié)構(gòu)，跨度為145.4m×116.4m，上部輻射桁架結(jié)構(gòu)采用倒三角形桁架，下部張拉整體部分布置了3圈，其中撐桿均采用,377×14的鋼管，內(nèi)環(huán)向索采用單索，索直徑95mm；中環(huán)索采用雙索，單索直徑95mm；外環(huán)向索采用雙索，單索直徑105mm；內(nèi)徑向索和中徑向索采用單索，采用單索直徑為80mm；外徑向索也是單索，單索直徑105mm。大連市體育館我國已成為弦支穹頂主要分布區(qū)1.2弦支穹頂發(fā)展一、弦支穹頂結(jié)構(gòu)基本介紹弦支穹頂結(jié)構(gòu)的特點（1）弦支穹頂高強度預(yù)應(yīng)力拉索的引入使鋼材強度的利用更加充分。（2）通過對索施加預(yù)應(yīng)力，可使上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的相對變形較?。豢蓽p小單層網(wǎng)殼桿件的內(nèi)力，調(diào)整體系的內(nèi)力分布，降低內(nèi)力幅值；張拉整體結(jié)構(gòu)部分不僅增強了總體結(jié)構(gòu)的剛度，還大大提高單層網(wǎng)殼部分的穩(wěn)定性。（3）弦支穹頂結(jié)構(gòu)對邊界約束要求比較低。（4）弦支穹頂屋面覆蓋材料可以采用建筑造價低、施工連接工藝成熟和保溫遮陽性能相對較好的剛性材料。（5）施工張拉過程比索穹頂?shù)冉Y(jié)構(gòu)更加簡單。1.3弦支穹頂特點一、弦支穹頂結(jié)構(gòu)基本介紹1.4弦支穹頂分類按照上部網(wǎng)殼的網(wǎng)格形式來對弦支穹頂結(jié)構(gòu)進行分類是采用最多的一種方法。一、弦支穹頂結(jié)構(gòu)基本介紹1.4弦支穹頂分類按照上部網(wǎng)殼的網(wǎng)格形式來對弦支穹頂結(jié)構(gòu)進行分類是采用最多的一種方法。一、弦支穹頂結(jié)構(gòu)基本介紹1.4弦支穹頂分類按照上部網(wǎng)殼的網(wǎng)格形式來對弦支穹頂結(jié)構(gòu)進行分類是采用最多的一種方法。一、弦支穹頂結(jié)構(gòu)基本介紹1.4弦支穹頂分類按照上部網(wǎng)殼的網(wǎng)格形式來對弦支穹頂結(jié)構(gòu)進行分類是采用最多的一種方法。一、弦支穹頂結(jié)構(gòu)基本介紹1.4弦支穹頂分類按照上部網(wǎng)殼的網(wǎng)格形式來對弦支穹頂結(jié)構(gòu)進行分類是采用最多的一種方法。一、弦支穹頂結(jié)構(gòu)基本介紹1.4弦支穹頂分類按照上部網(wǎng)殼的網(wǎng)格形式來對弦支穹頂結(jié)構(gòu)進行分類是采用最多的一種方法。一、弦支穹頂結(jié)構(gòu)基本介紹1.4弦支穹頂分類按照上部網(wǎng)殼的網(wǎng)格形式來對弦支穹頂結(jié)構(gòu)進行分類是采用最多的一種方法。（7）其他類型二、弦支穹頂設(shè)計內(nèi)容二、弦支穹頂設(shè)計內(nèi)容找形與找力任何結(jié)構(gòu)分析都是基于平衡狀態(tài)下進行的，對于索結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，由于內(nèi)部機構(gòu)的存在，使得結(jié)構(gòu)必須靠預(yù)應(yīng)力形成虛剛度（應(yīng)力剛度）來維持結(jié)構(gòu)形態(tài)，就必須尋找結(jié)構(gòu)在預(yù)應(yīng)力作用下的初始形態(tài)，即找形(FormFindingorShapeFinding)。另一方面在工程中，很多結(jié)構(gòu)的幾何形狀一般都是先給定的，這時的找形就變成在已知邊界約束條件與結(jié)構(gòu)拓?fù)錀l件下，如何獲得滿足給定結(jié)構(gòu)幾何的預(yù)應(yīng)力分布問題即找力(ForceFinding)?？蓪⑿螤畲_定問題分為三類。（1）單純的找形分析問題，如假設(shè)自應(yīng)力分布的找形分析，此時荷載為零而內(nèi)力不為零之狀態(tài)。（2）單純的找力分析問題，如假設(shè)體系的幾何形狀，以此初始形態(tài)為自應(yīng)力的分布作出優(yōu)化。（3）兼有找形分析和找力分析的問題，即已知道邊界（建筑）條件，進行體系拓?fù)浞治?，根?jù)分析的結(jié)果進行找形分析和找力分析，由結(jié)構(gòu)效率最高和總體造價最低、滿足建筑本身的安全、適用及耐久性等要求確定最后的建筑方案。

二、弦支穹頂設(shè)計內(nèi)容三種狀態(tài)零狀態(tài)、初始狀態(tài)、工作狀態(tài)（荷載態(tài)）零狀態(tài)是結(jié)構(gòu)體系拉索張拉前的狀態(tài),實際上是構(gòu)件加工和放樣形態(tài)，通常也叫結(jié)構(gòu)放樣態(tài)。在這個狀態(tài)中結(jié)構(gòu)不受預(yù)應(yīng)力和自重作用。初狀態(tài)是拉索張拉完畢后，結(jié)構(gòu)安裝就位的形態(tài),通常也叫預(yù)應(yīng)力狀態(tài)。初始態(tài)是建筑設(shè)計所給定的基本形態(tài)，即結(jié)構(gòu)竣工后的驗收狀態(tài)這個狀態(tài)中結(jié)構(gòu)受預(yù)應(yīng)力和自重作用。荷載態(tài)是在初狀態(tài)的基礎(chǔ)上，承受其它外荷載之后的受力狀態(tài)。結(jié)構(gòu)的幾何定義不要求初始狀態(tài)幾何嚴(yán)格滿足圖紙→零狀態(tài)=圖紙幾何當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度較大使預(yù)張力引起的變形很小或當(dāng)結(jié)構(gòu)張拉引起的變形與自重效應(yīng)相互抵消時，容許初始狀態(tài)幾何相對于圖紙幾何有較小的并可以接受的誤差。這種情況下，可將圖紙幾何取為零狀態(tài)幾何，按圖紙幾何建立模型。要求初始狀態(tài)幾何與圖紙幾何吻合→初始狀態(tài)幾何=圖紙幾何當(dāng)結(jié)構(gòu)較柔使預(yù)張力引起的變形與自重效應(yīng)疊加時，應(yīng)將圖紙幾何取為結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)幾何，按圖紙幾何建立計算模型，撤除主動索在其兩端節(jié)點加上的主動索力，進行線性分析確定與圖紙幾何對應(yīng)的一組平衡內(nèi)力，這組內(nèi)力即是初始狀態(tài)內(nèi)力，這一方法可稱為撤桿加力法。但是必須采用“倒拆法”，在初始狀態(tài)幾何基礎(chǔ)上逐步拆除主動索進行計算，才能得到結(jié)構(gòu)的零狀態(tài)幾何。建筑設(shè)計圖紙中所規(guī)定的結(jié)構(gòu)幾何為圖紙幾何二、弦支穹頂設(shè)計內(nèi)容一般原則直接考慮幾何非線性計算假定：上弦--梁單元桿單元（桁架）；

撐桿--桿單元；拉索--索單元材料處于彈性狀態(tài)，符合虎克定律索與撐桿之間的節(jié)點，以及索段之間的節(jié)點,均為無摩擦的理想鉸接點，并且不考慮連接時節(jié)點不完全重合而引起的影響。節(jié)點之間的索段為直線單元索為完全柔性，即無抗彎和抗壓能力二、弦支穹頂設(shè)計內(nèi)容形態(tài)確定

上部網(wǎng)殼參考前面弦支穹頂結(jié)構(gòu)分類

索桿體系根據(jù)斜拉索傾斜角度確定，30~60°（參數(shù)）二、弦支穹頂設(shè)計內(nèi)容預(yù)應(yīng)力分部的計算方法（1）預(yù)應(yīng)力分析的局部分析法（2）試算法二、弦支穹頂設(shè)計內(nèi)容找形方法：非線性有限元法找形目標(biāo)：在預(yù)張力、一倍恒荷載及自重下的上弦剛性網(wǎng)格位移響應(yīng)趨近于小值（一般與圖紙位形差10~30mm以后）。

自重+預(yù)應(yīng)力？自重+恒+預(yù)應(yīng)力？自重+0.5恒+預(yù)應(yīng)力？

設(shè)計師主導(dǎo)偏大二、弦支穹頂設(shè)計內(nèi)容荷載態(tài)設(shè)計驗算設(shè)計師主導(dǎo)偏大剛度：容許撓度控制為L/250

長細(xì)比：壓桿150拉桿250強度主要鋼構(gòu)件：應(yīng)力比≤0.8（靜力荷載、小震）

應(yīng)力比≤1.0（大震）拉索：最大拉力≤0.4破斷力（靜力荷載、小震、大震）穩(wěn)定：考慮大變形對結(jié)構(gòu)的影響，采用一致缺陷模態(tài)，最大值取跨度的1/300，系數(shù)K≥4.2索不松弛二、弦支穹頂設(shè)計內(nèi)容三、實例操作演示三、實例操作演示跨度80m上弦矢高4.5m8m5圈環(huán)索設(shè)計荷載恒載：結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重由程序自動計算確定拉索取自重的0.5倍，即材料密度放大1.5倍金屬屋面：1.0kN/m2活載：面活荷載：0.5kN/m2溫度作用：±30°選用材料結(jié)構(gòu)鋼材采用Q345B三、實例操作演示統(tǒng)一技術(shù)措施打發(fā)設(shè)計荷載雪荷載：0.2kN/m2風(fēng)荷載：基本風(fēng)壓：0.30kN/m2(50年重現(xiàn)期）地面粗糙度：B類風(fēng)壓高度變化系數(shù):依據(jù)規(guī)范按實際高度取值風(fēng)振系數(shù)：1.6風(fēng)載體型系數(shù)：-1.3三、實例操作演示統(tǒng)一技術(shù)措施剛度：

撓度控制為1/250強度主要鋼構(gòu)件：應(yīng)力比≤0.80（靜力、風(fēng)、溫度、小震）

次要構(gòu)件：應(yīng)力比≤0.90拉索：最大拉力≤0.4破斷力（靜力荷載、小震、大震）

穩(wěn)定：考慮非線性對結(jié)構(gòu)的影響，采用一致缺陷模態(tài)，最大值取跨度的1/300，控制參數(shù)三、實例操作演示統(tǒng)一技術(shù)措施三、實例操作