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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，張弦結構、索撐結構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)展歷程及其國內外研究現(xiàn)狀，深入分析了其受力模式。同時，闡述了索撐網(wǎng)殼的應用情況和發(fā)展前景。
[關鍵詞] 索撐網(wǎng)殼；張弦結構
中圖分類號：C35 文獻標識碼： A
1、索撐網(wǎng)殼的提出
張拉整體的概念是20 世紀美國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力、自平衡空間網(wǎng)格結構，它最大限度地利用了材料特征，世界各國建筑結構領域的專家及研究所一直致力于將其應用于工程實踐。日本大學齋藤公男教授于1990 年提出了張弦梁結構，一種用撐桿連接抗彎壓構件（梁、拱）和抗拉構件（索）而形成的一種自平衡體系，通過對下層索施加預應力使得結構整體共同工作。
此后，為了解決單層網(wǎng)殼結構水平推力和穩(wěn)定性問題，日本法政大學川口衛(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構組成的索撐網(wǎng)殼，與單層網(wǎng)殼結構相比，它具有更高的穩(wěn)定性，且有效減小了支座的水平推力；與索穹頂結構相比，它不僅減小了周圍環(huán)梁的壓力，而且大幅度降低了結構的施工難度。
索撐網(wǎng)殼結構是由單層網(wǎng)殼和下部撐桿、拉索組成，各環(huán)撐桿的上端與單層網(wǎng)殼對應的各環(huán)節(jié)點鉸接；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，使整個結構形成一個完整的結構體系。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 國外研究現(xiàn)狀
自1993年索撐網(wǎng)殼結構概念提出至今，其發(fā)展是比較迅速的。從建設歷程來看，索撐網(wǎng)殼結構的規(guī)模正變得越來越大，建筑形體也變得越來越復雜。其中代表性的工程實踐有日本的光丘穹頂和聚會穹頂，跨度分別為35m和46m。此外，日本還完成了三個跨度160m以上的索撐網(wǎng)殼方案設計：跨度160m的大館穹頂、Schlaich 及Gehry Partners 等國外學者對以四邊形網(wǎng)格為主的索撐網(wǎng)殼結構的自由曲面網(wǎng)格劃分方式進行了大量的研究。Schlaich 提出了表面平移法，并于1996 年應用該方法對德國動物園河馬館進行了設計，并對該網(wǎng)殼結構的屈曲問題進行了初步研究。Gehry Partners 在Schlaich 的研究基礎上，將表面平移法分進一步為滑動平移法和縮放平移法等不同形式，與此同時他們還對形式更加自由的三角形網(wǎng)格網(wǎng)殼的幾何劃分進行了系統(tǒng)研究。
Th.Bulenda 等學者對橢圓拋物面和橢圓柱面索撐網(wǎng)殼進行了穩(wěn)定性能的研究，但所考察的參數(shù)比較簡單，主要是在固定鋼桿件截面、固定索截面和索預應力的情況下，對不同矢跨比的索撐網(wǎng)殼進行了靜力穩(wěn)定性能分析，而且沒有考慮材料的非線性對結構穩(wěn)定性能的影響、也沒有考察結構的屈曲后特性。C.Douthe等人以玻璃纖維作為柔性構件、木材為剛性構件，對索撐網(wǎng)殼結構進行了形態(tài)分析，并比較了有、無柔性材料時，結構的剛度變化情況，初步論證了柔性構件的加強作用。
2.2 國內研究現(xiàn)狀
近年來，國內學者在預應力鋼結構方面做了大量卓有成效的工作，哈爾濱工業(yè)大學的鐘善桐和沈世釗分別對預應力鋼桁架結構和雙向懸索結構進行了具有開創(chuàng)意義的研究工作；浙江大學的董石麟、羅堯治等也對索穹頂?shù)阮A應力鋼結構進行了深入的研究；貴州大學馬克儉提出了多種新型預應力桁架結構；北京工業(yè)大學的張毅剛、張愛林對索承結構的研究也做出了重要貢獻；北京交通大學的楊慶山和同濟大學的張其林對于預應力索膜結構進行了系統(tǒng)行的分析研究；天津大學的劉錫良和陳志華在20 世紀90 年代末期對索撐網(wǎng)殼結構和張弦梁結構研究的基礎上，相繼提出了弦支筒殼結構、弦支拱殼結構、弦支混凝土樓板結構、弦支鋼絲網(wǎng)架混凝土夾芯板結構等多種弦支結構，豐富了弦支結構體系的內容。
國內主要研究內容偏重于靜力作用下的結構性狀和分析方法，以滿足一般設計工作的要求為主要目標。這些研究為我國空間結構的發(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，懸索結構在荷載作用下要產(chǎn)生較大位移，因此計算中應考慮幾何非線性，并發(fā)展了一系列適用于不同形式懸索結構的考慮大位移的解析方法。在一段時期內，當計算機尚未廣泛運用于結構計算以前，各種解析方法曾對空間結構的發(fā)展起過重要作用，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構形式。計算機的普及和有限元分析方法的廣泛運用為空間結構的加速發(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構只能用計算機程序進行分析。
目前，大多科研機構著重于索撐網(wǎng)殼的結構體系、結構形態(tài)、預應力設定、靜動力性能及穩(wěn)定性的理論分析和試驗研究，關于施工方法以及節(jié)點連接的形式和受力等有待繼續(xù)深化。
3、索撐網(wǎng)殼的應用現(xiàn)狀和發(fā)展前景
21 世紀初，天津大學完成國內第一座索撐網(wǎng)殼工程―天津保稅區(qū)商務中心大堂屋蓋，跨度35.4m；北京工業(yè)大學在相關成果的支持下，設計完成了昆明柏聯(lián)商廈采光頂索撐網(wǎng)殼結構，跨度15m；隨后在北京奧運會和全運會等大型社會體育文化活動的背景下，空間結構得到前所未有的發(fā)展，期間有代表性的索撐網(wǎng)殼結構工程主要有：常州體育館、鞍山市網(wǎng)球訓練館、武漢體育館，以及北京工業(yè)大學體育館、安徽大學體育館等，其中武漢體育館屋蓋是國內首例建造的大型索撐網(wǎng)殼結構。
索撐網(wǎng)殼作為新興的空間結構，具有強大的生命力。剛柔結合的新型復合空間結構，與傳統(tǒng)雙層網(wǎng)殼、單層網(wǎng)殼及索穹頂結構相比，除了造型美觀、節(jié)省材料。質量輕、剛度大、抗震性能好和造價低等空間結構的綜合優(yōu)勢外，在設計、施工和屋面選材上也具有獨特的優(yōu)勢。通過目前的發(fā)展現(xiàn)狀看，索撐網(wǎng)殼向著跨度更大，質量更輕發(fā)展同時，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，對于網(wǎng)殼的材料也在不斷的增加，鋁合金材料不僅強度高，而且具有耐腐蝕性。此外，越來越倡導綠色的時代，木材脫穎而出，輕質高強，節(jié)能環(huán)保，具有優(yōu)良的保溫性能和吸聲性能。
木網(wǎng)殼在國外已經(jīng)得到廣泛應用，多分布于英國、美國、日本、加拿大等發(fā)達國家，其中英國蘇塞克斯的星古頓森林及丘陵博物館內，建有一棟三跨丘陵狀網(wǎng)格殼體建筑；意大利里米尼的諾瓦?費拉展覽中心有一個30m 跨度的圓形穹頂，采用的是聯(lián)方型球面網(wǎng)殼。目前，木結構的網(wǎng)殼在國內的發(fā)展處于初級階段，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)殼的難點和重點，節(jié)點連接的形式以及受力狀態(tài)亟待解決，且前景廣闊。
4、結語
索撐網(wǎng)殼自誕生以來表現(xiàn)了強大的生命力，國內外工程實例不勝枚舉。國內為滿足一般設計工作的要求，研究內容偏重于靜力作用下的結構性狀和分析方法，施工模擬以及節(jié)點連接等有待繼續(xù)深化，尤其在網(wǎng)殼材料上，木結構網(wǎng)殼的研究僅僅停留在初級階段，但潛力巨大。
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