张弦式网壳结构的设计与研究

许 凯

（武汉科技大学城市建设学院，湖北 武汉 430065）

张弦式网壳结构的设计与研究

许 凯

（武汉科技大学城市建设学院，湖北 武汉 430065）

张弦式网壳结构与其他空间结构形式相比有诸多优点，成为现代大跨度空间结构的发展方向。针对张弦式网壳结构的特点，讨论了预应力拉索在该结构中的作用，指出了在设计中应注意的问题，为类似工程的设计提供了参考。

空间结构；网壳结构；预应力索；结构设计

网壳结构是将杆件沿着某个曲面有规律地布置而组成的空间结构体系，由于它具有自重轻、结构刚度好、覆盖空间大等一系列优点，因此，各种设计新颖的网壳结构成为大跨度空间结构的主体。各种形式的网壳结构有着各自的优点与缺点，单一类型的结构形式在跨度增大时，其不足之处越来越明显，经济性显著下降，甚至无法满足构造要求。因此，各种各样的杂交结构形成了网壳结构的主流，在这一领域所开展的研究极大地促进了钢结构及空间结构在新材料、新技术、新体型等方面的应用及发展。

杂交结构是由拉索及拉索支托的刚性结构组成，它的特点是通过拉索给刚性结构提供更多地弹性支承点，以达到削减弯矩幅值提高结构刚度的目的。拉索的存在，不仅利用了索单元高强度的特点，而且大大地提高了结构效率，使它们向轻型大跨度方向发展。在各种杂交空间结构中，张弦网壳以其结构的合理、结构性能高效以及丰富的建筑表现力，成为现代大跨度空间结构的发展方向。

目前，对于张弦式网壳这种杂交结构体系研究的文献还不多，因此，工程上的推广与应用迫切要求研究解决这类新型结构体系的理论分析方法及工程设计实用方法。

1 张弦式网壳结构的特点

由于综合了刚性构件抗弯刚度高和柔性构件抗拉强度高的优点，通过张拉钢索对空间网格结构施加预应力，钢索和杂交空间结构形成了自平衡体系，改善了网壳结构的整体性能，提高了整个结构的刚度、减小了结构挠度、改善了内力分布、压低了应力峰值，因而可以跨越很大的空间。其特点主要有以下几方面：①下弦的张拉部分增强了结构总体刚度，使结构稳定性更高、跨度及覆盖面积更大、用钢指标更低。②与索穹顶结构相比，虽然索穹顶的结构效能比较高，但其施工却有一定难度；张弦网壳用较刚性的上弦层取代穹顶，不仅使施工大为简化，而且使屋面更容易与刚性材料相匹配。③结构对边界约束的要求明显降低。因为刚性的上弦层网壳对周边施加压力，而柔性的拉索对周边施加拉力，两者组合起来后作用力相互抵消。如果进行适当的优化设计，还可以达到在长期荷载作用下，屋顶结构对边界施加的水平反力接近于零的效果。

2 预应力索在张弦式网壳中的作用

无论是整体张拉结构还是杂交结构，其拉索均要施加一定的预应力。预应力拉索可改善网壳的受力状态，它对结构体系的作用可大抵归纳如下：①预应力索与网壳组合后，使网壳杆件内产生初始轴力，从而增大了网壳的平面外刚度，有利于网壳的整体稳定。②预应力索使网壳整体结构对外力的协调能力更强，尤其是当网壳受到局部较大的荷载时，紧绷的索会迅速的把局部荷载传递到整个结构体系，进行内力的重分布找到新的平衡，由整个结构来承受局部荷载，防止了网壳因局部荷载过大而造成的局部破坏。③预应力索使网壳的受力更合理。环索预应力使竖向撑杆产生向上的反力，结构将产生反拱变形，在结构受荷时，一部分内力又可以通过网壳传给撑杆，再通过撑杆传给环索，撑杆对网壳起到弹性支座的作用，大大的减小了网壳的挠度和变形。

简言之，预应力索使网壳结构的刚度分布更均匀、力的分布更合理，提高了屋盖结构体系的结构性能，使屋盖结构体系具备良好的结构效率及经济性。

3 张弦式网壳结构设计中应注意的问题

3.1 预应力设计

大型预应力网壳结构是高阶超静定结构，其结构形式复杂，跨度大的网壳结构其刚度较弱，具有强几何非线性特性，且空间效应强。因此，预应力网壳空间结构的设计较传统网壳结构的设计复杂繁重，只有采用计算机技术，这种结构设计才有可能完善。有限元技术为大型网壳结构的设计提供了有效的计算手段。在对大型预应力网壳结构预应力设计时，应充分考虑结构的强几何非线性特性，否则所设计的预应力值难以满足实际工况的需要。

3.2 稳定性的计算

稳定性计算是网壳结构设计中的关键问题，也是国内外近年来的热点研究领域。张弦网壳结构的稳定问题主要分为单根杆件失稳、局部区域失稳和整体失稳的问题。张弦网壳结构的单根杆件失稳与网壳杆件两端点的约束有关，为了简化设计，常近似为两端铰接的压杆来分析。张弦网壳结构的整体失稳和局部失稳前，主要是处于薄膜应力状态和薄膜变位状态；一旦发生失稳，失稳部位的网壳由原来的弹性变位转变为极大的几何变位，由主要是薄膜应力状态转变为弯曲应力状态。因此其稳定分析必须考虑几何大变形即几何非线性的影响。

3.3 结构整体优化设计

大跨度空间结构往往是一个城市的标志性建筑，设计师们除了要考虑结构的安全、美观与适用外，还应考虑到结构的经济性指标。因此，优化设计时应同时考虑受力性能目标函数和造价目标函数，使结构在最优性能和最低造价之间找到结合点，在满足性能最优的前提下，对结构进行各种荷载工况的组合计算，取出各个杆件的内力最大和最小值包络图，根据杆件在整个工作过程中的受力状况，分别有针对性的进行强度或稳定设计，同时综合考虑到结构美观、施工和构件制造加工等因素。

3.4 初始设计缺陷的排除

由于网壳结构是空间复杂结构，在初步设计时结构出现机构或瞬变机构是很难完全避免的。这些机构或瞬变机构的存在是网壳的潜在缺陷，对其安全运行造成潜在的危险。因此，在设计初期应将这类缺陷在设计中排除，以确保网壳结构安全运行。然而由于网壳的结构杆件较多，且布置较为复杂，以人工方式寻查这些缺陷难免有疏忽。对于这类缺陷，设计人员可以尝试运用几何非线形有限元理论，利用计算机来寻查。

4 结束语

空间张弦式网壳结构是一种极具潜力的新型空间结构。这种杂交结构作为一种新型大跨结构形式，不仅有效地改善了网壳结构的整体性能，增大了结构的可覆盖跨度，提高了整体经济效益，而且极大地丰富了大跨空间结构的建筑造型。因此，对这样一种新型大跨空间结构形式进行深入地研究，必将能进一步推动空间结构在我国的发展，提高我国网壳结构的科研技术水平，使其能在未来的大跨、超大跨结构中得到广泛的应用。

1 张毅刚、薛素铎等.大跨空间结构［M］.北京：机械工业出版社，2005

2 陆赐麟、尹思明等.现代预应力结构（修订版）［M］.北京：人民交通出版社，2007

3 唐 红、蔡元奇.张弦式网壳结构中的拉索预应力值设计方法的应用研究［J］.武汉大学学报，2006（4）：119～122

The design and study on reticulated shell with prestressed cable

Xu Kai

The reticulated shell structure with prestressed cable has many advantages compared with other structural styles, and it has become the development direction of modern large－span spatial structures.In view of the characteristics of the structure, the influence of the prestressed cable in reticulated shell structure is discussed.The Cautions in design of this kind of structures are presented.The conclusions can be used for reference by similar projects.

space structures; reticulated shell; prestressed cable; structure design

TU393

A

1000－8136（2011）03－0007－02