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张拉整体索穹顶


虽然真正的张拉整体结构还没有在较大规模建筑中应用的报道,但是运用张拉整体思想的一种类张拉整体结构——索穹顶在过去的十几年中有了很大的发展。

美国的盖格尔(D.H.Geiger)在1968-1986年的十几年时间里,完成了许多膜结构工程的设计。在这些工程的基础上,盖格尔把玻璃纤维涂覆聚四氟乙烯的永久性膜材料用于永久性充气建筑中,使膜结构发展到了一个新的境界。在充气膜结构的设计施工和使用过程中,盖格尔等人注意到:虽然充气膜结构具有使用免费建筑材料——空气以及受压的空气没有屈曲问题等的诸多优势、但也有一些缺点,比如不停地鼓风会引起能源消耗和鼓风机寿命降低等问题。在回顾了结构技术的历史后,盖格尔想到了尚未开发但有巨大潜力的张拉整体结构概念,因为一个柔性结构可以做成为一定荷 载下的静定结构且可以通过几何变化来重新分布荷载,于是,盖格尔等在富勒思想的基础上开发了张拉整体索穹顶,如图1-16和图1-17所示。

盖格尔在分析了如图1-18所示八单元索穹顶结构后,首先把新型的索穹顶结构用于1988年韩国汉城奥运会的体操馆和击剑馆上,这两座建筑物的平面均为圆形。图1-19所示为韩国击剑馆的外景图。



索穹顶结构主要由以下部分的结构单元和外环梁组成:径向脊索,径向谷索、斜腹索、环向索和压杆等,各构件位置如图1-16和图1-17所示。对于屋顶的节点荷载,其传力途径为:压杆—斜腹索+环向索—径向索(脊索或谷索)+压杆…直至受压外环梁。因为索穹顶不仅仅利用了张拉整体的概念,使结构传力构件的绝大部分为受拉单元,而且还加工以适当的边界约束,因此实现了结构的高效能。张拉整体索穹顶的高效能体现在结构设计上最明显的一个特点就是,随着跨度的增加,结构的重量增加并不明显.最具有代表性的例子是1996年美国亚特兰大奥运会主场馆的乔治亚穹顶,跨度超过200m,用钢量却不足30kg/m2.乔治亚穹顶的全景和内景分别如图1-201-21所示。



在设计椭圆形的乔治亚穹顶时,美国工程师李维(M.Levy)对盖格尔的索穹顶做了两方面的变化,一是把经纬分格改为三角形划分,二是针对椭圆形的平面,在穹顶结构的中央设置了一个张拉整体桁架以连接两个端头半圆.三角形分割的索穹顶,在几何上,不仅更接近富勒的原始张拉整体模型。而且更容易构造出椭圆的平面:在结构受力上,不仅结构多余度更多,而且结构稳定性更好。盖格尔公司的坎贝尔(Can Bell)等人对经纬划分和三角划分的两种索穹顶比较后发现:三角划分还有屋顶自由排水处理容易、集中荷载的承载能力高等优点;但是经纬划分的肋环型比三角型划分简单,施工难度和总造价都要价,并且经纬划分的肋环型索穹顶对制造误差不敏感,在设计和施工等方面显示出比三角划分的具有较大的灵活性。

索穹顶在汉城奥运会上成功应用后,又相继在以下一些国际知名的大型建筑中得以应用:美国伊利诺斯大学的红鸟(Redbird)体育馆,椭圆型平面91.4m x 76.8m,图1-22所示为施工中的红鸟体育馆,建成后有积雪时的一个全景如图1-23所示;美国佛罗里达州圣彼得堡的雷声穹顶(Thunder Dome),圆形平面直径D为210m,其全景、夜景和内景分别如图1-24、图1-25和图1-26所示;台湾省桃园县表演场屋顶(图1-27、图1-28)和日本的天城穹顶(图1-29、图1-30)。





我国自从20世纪90年代开始对张拉整体结构的研究以来,索穹顶就成为研究的重点之一,到目前为止已完成了多项模型试验。图1-34~1-37所示为在天津大学进行的索穹顶实验的一组图片,其中图1-31为做成的索穹顶模型:图1-32、图1-33为试验索穹顶结构的平面图和剖面图:图1-34为试验前调整预应力的情景:图1-35为对称加载的过程:图1-36为读取测量数据的情景:图1-37为非对称加载的过程。

虽然索穹顶结构还没能在我国的实际大型工程中应用,但国内学者所做的大量理论研究工作及模型试验都为索穹顶这种张拉整体类的新型结构体系在大跨度建筑特别是奥运场馆中的应用奠定了较好的基础


国内外充气膜结构 案例效果,可查阅:http://www.kdmem.cn/

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