弦支穹顶体系及其结构动力特性分析

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弦支穹顶体系及其结构动力特性分析 工程建设与设计２００６年第３期

弦支穹顶体系及其结构动力特性分析

林素颐，，杜国良ｚ，马宏，

（１．北京工业大学建筑工程学院，北京１０００２２；２．北京国电华北电力工程有限公司，北京

１０００１ １；３．机械工业出版社，北京１０００３７）

【摘 要】弦支穹顶姑构体系是在索杆张力体系和单层网壳基础上发展起来的一种新型复合空间姑构。本文概述了弦支穹顶结构产

生的背景和结构原理，采用ＡＮＳＹＳ程序进行了姑构的模态分析和地震响应分析，得到了弦支穹顶结构体系的动力性能姑果，并将弦支穹

顶结构不施加预应力的情况和预应力作用下结构的动力特性进行了对比分析．

【关键词】弦支穹顶；ＡＮＳＹＳ；预应力；地震响应分析；动力特性

【中图分类号】ＴＵ３９１ 【文献标识码】Ａ 【文章编号１１００７－９４６７（２００６）０３－００１９￣３

１弦支穹顶由来及体系的组成和工作原理

结构造价将因此而降低，同时使弦支穹项在跨越更大跨度

方面具有较大的潜力。

２０世纪７０年代至８０年代，国外大跨空间结构得到快速 ２１通过对索施加预拉力，上部单层球面网壳将产生与荷

的发展，涌现出许多创新结构，如张弦立体桁架、索穹顶、索

载作用反向的变形和内力，使弦支穹顶结构在荷载作用下

膜结构等，尤其以索膜结构最受青睐，但由于专利权制约推

的杆件内力和节点位移均小于相应的单层球面网壳。

广应用较少。为了克服技术上的困难，一些学者考虑以刚性 ３１调整环索的预拉力，可以减小甚至消除弦支穹项对下

上弦代替索穹顶中柔索上弦的构思。在对索穹项和单层网壳

部结构的水平推力，使弦支穹项具有更大的适用性。

两种结构的优缺点进行充分的研究后，１９９３年日本川口卫教

４）作为“弦”的预应力拉索，增大了结构的整体刚度，因

授立足于张拉整体的概念，将索穹顶的思路应用于单层网 此弦支穹项具有更大的稳定承载力，同时使螺栓球等铰接

壳，提出了Ｓｕｓｐｅｎｄｏｍｅ的张弦穹顶（又称弦支穹项）的结构

节点的应用成为可能。

形式【ｌ】。

５１由于由一定的刚度，弦支穹项结构的设计、施工及节

典型的弦支穹项结构体系由单层网壳、撑杆、索组成。其

点构造和索穹项等完全柔性结构相比得到较大的简化，预

中各层撑杆的上端和单层网壳相对应的各层节点径向铰

应力拉索可以简单地通过伸长撑杆而获得张拉。

接，下端由径向拉索与单层网壳的下一层节点连接，同一层

的撑杆下端由环向箍索连接在一起，使整个结构形成一个

３弦支穹顶的动力性能分析

完整的结构体系。结构的传力路径非常明确，结构最初建成

３．１算例分析

时，通过对索施加预拉力，减少结构在正常使用荷载作用下

采用长轴６．７ｍ，短轴５．１ｍ，矢高０．６５６ｍ的双椭圆形弦

上层单层网壳对支座的推力。在结构受外来荷载作用时，内 支穹顶模型，上部结构为联方形单层网壳，采用ＡＮＳＹＳ有

力通过上端的单层网壳传到下端的撑杆上，再通过撑杆传

限元软件，周边沿竖向为链杆，其它方向自由滑动，在一个

给索，索受力后，产生对支座的反向推力，使整个结构对下

支座处设置三向铰支座。另一支座处设置两个方向的约束，

端约束环梁的横向推力大大减少。与此同时，由于撑杆的作 消除结构的刚体位移，第一至第五道环索预应力比值为５：

用，减少了上层单层网壳各层节点的竖向位移和变形，较大

４．２５：３．２５：２．２５：１，第一环即最外圈环索的预应力值为１６００Ｎ。

幅度地提高了结构的稳定承载能力。

计算模型采用梁单元、拉压杆单元和只拉杆单元进行分析，

２弦支穹顶的特点

以ｌｉｎｋｌ０单元作为弦支穹顶中径向索和环向索单元，用

ｂｅａｍ１８８单元作为单层网壳的杆件单元，撑杆单元用

从结构体系上看，弦支穹顶作为刚、柔结合的新型杂交 ｌｉｎｋ１８０，钢管的弹性模量Ｅ。：２．１×１０“Ｎ／ｍ ，索的弹性模量

空间结构，与单层球面网壳结构及索穹项等柔性结构相比， ＝１．９６×１０１ｌＮ／ｍ２。仅考虑竖向均布荷载，外荷载设为

具有如下特点：

１．５ｋＮ／ｍ２，等效到节点上为１０ｋＮ，对初始应力采用加温差的

１１弦支穹项是一种异钢种预应力空间钢结构，其中高强

方法来施加。

度预应力拉索的引入使钢材的利用更加充分，结构自重及

３．２白振特性分析［２

结构的自振特性是其本身固有的极其重要的力学性

【作者简介】林素颐（１９７５￣），女，湖南洞口人，在读硕士研究生，从事

能，又是衡量一个结构质量和刚度是否匹配、刚度是否合理

预应力钢结构与抗震研究．（Ｅ—ｍｉｎｉ）ｔｅｄｍｍ＠ｓｉｎａ．ｃｏｒｎ

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