简介索穹顶结构及其研究的新发展

摘要：索穹顶结构是1种由拉索和压杆组成、依托施加预应力提供刚度的柔性体系，这类结构受力公道，结构效力高，而且集新材料、新技术、新工艺于1身，代表了当前空间结构发展的最高水平。本文介绍了此种结构的结构性能、结构分类和施工分析方法，同时也介绍了我国在索穹顶结构研究开发方面的新进展。

关键词：索穹顶结构，力学特点，结构分类，施工分析方法

1 、索穹顶结构的特点

空间结构是1种重要的建筑结构情势，相对平面结构，它具有受力公道、刚度大、重量轻、造价低，情势多样的特点。随着科技的发展和工艺的进步，现代空间结构逐步由较重屋盖体系向轻屋盖体系、刚性体系向柔性体系发展。在这样的背景下， 索穹顶结构应运而生。

索穹顶结构是美国著名结构工程师D.H.Gerger根据Fuller的张拉整体结构思想开发的1种由索、杆、膜组合而成的新型张力结构。早在1962年，Fuller就假想这样结构体系，这类体系是连续的张力网，网中存在独立的压杆，即“压杆的孤岛存在于拉杆的海洋中”并第1次提出了张拉整体的概念。

索穹顶结构受力公道，结构效力高，而且集新材料、新技术、新工艺于1身，代表了当前空间结构发展的最高水平。此种结构情势是学术界和工程界的热门，其用钢指标优良、结构柔柔、造型美观富于艺术感等优点使其成为许多大跨度运动场馆的建筑情势。

1.1索穹顶结构的力学特点：

（1）自平衡体系。在成形进程中不断自平衡；在受荷状态，桅杆、下真个环索和支承结构中的钢筋混凝土环梁或环形立体刚网架均是自平衡构件。

（2）全张力状态。连续的拉索使结构处于连续的张力状态，压杆成为“孤岛”。

（3）力学性能与形状有关。与任何的柔性的索系结构1样，索穹顶结构的工作机理和力学性能依赖于本身的拓扑形状，公道的结构形状才能带来公道的结构受力性能。

（4）预应力提供刚度。索穹顶结构属于索杆结构的1种，索在没有施加预应力前是没有自然刚度的，它的刚度是由预应力提供的。所以结构形状、预应力大小及散布会对最后刚度构成影响。

（5）力学性能与施工方法有关系。索穹顶结构的力学性能很大程度上取决于预应力状态，而预应力的构成又与施工进程直接相干。

1.2索穹顶结构分类：

国外已建成的索穹顶结构，根据其几何拓扑关系的不同，索穹顶结构主要有两种：

（1）盖格型索穹顶

由Geiger于1986年提出，他在分析了8单元索穹顶后，设计了1988年首尔奥运会体操馆和射击馆。该体系又称肋环形网格索穹顶，是由连续拉索和不连续受压立柱构成，并由预应力提供刚度且与外环梁1起构成自平衡结构。荷载从中央的张力环，通过1系列的脊索、环索和斜索传递至周边的压力环。该体系具有结构简单，施工容易，且对施工误差不敏感的优点。但是盖格体系的几何形状类似于平面桁架，体系平面刚度较小，内部存在机构，当荷载到达1定的程度时结构会出现分枝点失稳。所以此种结构情势主要利用于均布荷载作用下的圆形平面屋盖。

（2）利维型索穹顶

利维体系又成为葵花型网格索穹顶结构，其代表建筑为1996年亚特兰大奥运会的佐治亚穹顶。该体系对盖格体系索穹顶进行了3角划分，消除结构存在的机构，提高了结构的几何稳定性和空间协同工作能力，较好解决了索穹顶上部薄膜的铺设和屋面自由排水等问题，同时使得索穹顶结构能够适用于更多的平面形状。利维体系与盖格体系的主要区分在于脊索和斜索的布置。盖格体系的脊索、斜索和立柱均在同1平面内，每一个节点唯一1根斜索相连，脊索沿径向布置，斜索、立柱与相应的脊索构成1竖向平面3角形；利维体系的脊索、斜索和立柱不在同1平面内，而是构成立体桁架。每一个立柱顶的节点上有2根斜索与相邻内环立柱底的节点相连，每一个节点有4根脊索，脊索网的平面投影为4边形或3角形。

另外，我国的空间结构研究者也提出了几种新型索穹顶结构情势。浙江大学以董石麟院士领衔的的空间结构研究者在综合斟酌结构构造、几何拓扑、和受力机理的基础上尝试性地提出了几种新型索穹顶结构情势：Kiewitt型索穹顶、肋环和葵花型堆叠式组合的混合I型索穹顶、鸟巢型索穹顶。这些新型的索穹顶情势的提出丰富了现有索穹顶结构情势，使我国的索穹顶研究工作不断深入。

2、施工技术和施工摹拟分析在索穹顶建造进程中的作用

2.1施工技术的重要性

索穹顶结构的技术要点主要表现在结构计算、节点设计与制作、施工张拉控制3个方面。我国对索穹顶的结构计算理论和方法进行了较深入的研究，已解决了结构设计计算问题，同时也展开了节点设计与施工技术方面的研究，但工程利用基本空白。主要是由于索穹顶的施工进程复杂，结构构件受力变化大，结构非线性程度大，同时结构的刚体位移很大等诸多缘由酿成的，因此，大型空间结构建造进程中的施工技术是相当重要的。

2.2施工摹拟计算可以更好地指点施工

为了弄清楚在施工进程中各构件的受力状态，有必要对施工进程进行摹拟分析，找出关键构件，保证其施工质量。

浙江大学曾采取正交设计方法对拉索在肋环型结构中的敏感性进行分析，研究了拉索对结构的静力、动力、稳定的敏感性。并综合了其它的敏感性分析方法，最后得出的结论是，拉索对结构的静力敏感性明显高于对动力和稳定的敏感性，并且拉索对结构的敏感性高低与拉索的位置有关，在全部结构中之外环索最为关键，所以在设计与施工进程中就必须控制其应力状态，以使得最后成形后的结构具有良好的性态，充分发挥索穹顶结构的优势。

3、结语

索穹顶结构在国外利用至今已有20多年的历史，但是在国内还未有完全的工程实例。值得关注的是，2010年12月，内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗全民健身活动中心预应力张拉施工的美满完成，标志着我国首项索穹顶结构工程已获得了阶段性成功。我们相信，随着中国科技建设的飞速发展和我国的空间结构专家对索穹顶结构研究的不断深入，索穹顶结构在中国大陆工程的逐渐利用指日可待。

参考文献

[1]袁行飞，董石麟：索弯顶结构施工控制反分析[J].建筑结构学报 ,2001,22(2):75⑺9.

[2]袁行飞： 索穹顶结构的理论分析和实验研究［D］. 浙江大学，2000 .