（工程力学专业论文）空间斜拉式预应力索拱结构体系分析计算.pdf

郏i l i 人学矾士学位论文 y 63 90 0 摘要 空间斜拉式预应力索拱结构体系是悬索杂交结构家族的新成员。在建的郑州 国际会展中心展厅屋盖体系采用桅杆上的拉索分块连接跨边和跨中的预应力索拱 的屋盖构件，则构成空 日j 斜拉式预应力索拱结构体系。其中，屋盖体系的跨中部 分是由张拉索及格构式劲性拱组合而成的索拱构件，1 根桅杆和6 根拉索组合而 成l 组空间斜拉系统。 这种火跨度的空间结构形式是悬索结构体系的杂交新品种，完全雷同的工程 案例尚未发现。它具有合理的受力性能、良好的经济效益和优美的建筑造型，丰 富了大空间结构体系，对于它的探索是向着高新建筑技术的迈进。 本文结合郑州国际会展中心展厅钢屋盖的工程案例，主要围绕以下四方面进 行研究和探讨： ( i ) 通过对工程案例的结构体系的几何构成及结构形态的研究，探讨了此 类新型空间悬索杂交结构的概念设计； ( 2 )以离散理论为基础，借助大型有限元通用程序a n s y s ，计算在1 3 种单 工况和1 7 种不利工况组合下的内力、支反力和变形的最大值及相应发 生部位，掌握此类结构的受力变形规律； ( 3 ) 采用子空间迭代法，建立三种有限元计算模型，计算出结构前1 0 阶频 率和振型，并对分析结果加以比较，从而探讨算例中下部结构对上部 屋盖的动力性能所做的贡献和悬索对上部屋盖的动力性能的影响； ( 4 ) 根据施工方案的选取，模拟施工阶段进行两阶段分析，对跨中预应力 索拱结构在施工过程中的受力性能进行研究，从而探索劲性格构拱、 竖向腹杆和下悬预应力张拉索的内力分布特征，为合理经济地布置主 要受力构件提供理论基础。 本文采用的分析手段是建立在理论分析和实际工程计算紧密结合的基础 上，同时立足于多种结构体系的协同工作效应的结果。有效克服了以往对复杂 结构体系所采用的只对单独力学行为分别进行研究的方法，从而使得分析的结 郑州大学硕l 学位论文 果更加吻合实际的工作状态。 本文所得出的结沦具有一定的理论指导意义和工程应用价值，电为进一步探 讨空间斜拉式预应力索拱结构体系奠定了基础。 关键词斜拉式，预应力，索拱结构，计算分析 l i 郑l 大学硕上学位论文 a b s t r a c t s p a t i a l l ys u s p e n d e dp r e s t r e s s e dc a b l e a r c hs y s t e mi san e w m e m b e ri nc a b l eh y b r i d s t r u c t u r a lf a m i l y , w h i c hi su s e db ys t e e l r o o fs t r u c t u r eo fz h e n g z h o ui n t e r n a t i o n a l c o n v e n t i o ne x h i b i t i o nc e n t e rb e i n gc o n s t r u c t e d t h ec a b l e so nm a s t sr e s p e c t i v e l y c o n n e c tu ps i d e - s p a nr o o fa n dp r e s t r e s s e dc a b l e a r c hc o m p o n e n t s t h u s ，t h es p a t i a l l y s u s p e n d e dp r e s t r e s s e dc a b l e a r c hs y s t e mi sf o r m e d h e r e i n t o ，t h em i d s p a nr o o fi st h e c a b l e a r c hc o m p o n e n t sw h i c ha r ec o m p o s e do fc a b l e sa n dt r e l l i s a r c h b e s i d e s ，o n e s p a t i a l l ys u s p e n d e ds y s t e mi sm a d eu po fo n em a s ta n ds i xc a b l e s t h i sl a r g e s p a ns p a t i a ls t r u c t u r ei san e w h y b r i dt y p eb e l o n g st oc a b l es t r u c t u r a l s y s t e m t h ee n t i r es a n l ee n g i n e e r i n gc a s e sh a v e n tb e e nf o u n d t h i sn e ws y s t e mh a s r e a s o n a b l em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，f a v o r a b l e e c o n o m i cb e n e f i t sm a d g r a c e f u l a r c h i t e c t u r a ls c u l p t ，t h a te n r i c h e sb i gs p a t i a ls t r u c t u r a l s y s t e m p r o b i n gi n t ot h i sn e w s y s t e m i ss t r i d i n gf o r w a r dh i g h - n e wa r c h i t e c t u r a l t e c l m i q u e s b a s e do nt h i ss t r u c t u r eo fs t e e l r o o fi n z h e n g z h o ui n t e m a t i o n a l c o n v e n t i o n e x h i b i t i o n c e n t e r , t h i s p a p e r r e s e a r c h e sa n dd i s c u s s e ss t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c s s u r r o u n d i n g f o u rs i d e s ： ( 1 ) t h ec o n c e p td e s i g no ft h i sn e ws p a t i a lc a b l eh y b r i ds t r u c t u r a l s y s t e mi s d i s c u s s e d t h r o u g h s t u a y i n gg e o m e t r i c a lc o m p o s i t i o n a n ds t r u c t u r a l c o n f i g u r a t i o n ( 2 ) b a s e do nd 晔r e t et h e o r ya n db yd i n to fa n s y sf i n i t ee l e m e n tm e t h o d p r o g r a m ，t h e m a x i m a lv a l u e so fi n t e r n a l f o r c e s ，r e a c t i o n s a n d d i s p l a c e m e n t s ，a sw e l la sg e t t e s i cp a r t s ，u n d e rt h i r t e e ns i n g l el o a d sa n d s e v e n t e e na d v e r s el o a d c o m b i n a t i o n sa l e c a l c u l a t e d t h e r e b y , t h e l o a d c a r r y i n ga n dd i s t o r t i o nr u l e sa r eh o l d ( 3 ) t h es u b s p a c ei t e r a t i o nm e t h o di s a d o p t e da n dt h r e es p a c ec o m p u t i n g m o d e l sa r ee s t a b l i s h e d t h ep r e v i o u st e ns e l f - v i b r a t i o np e r i o d sa n dm o d e s a r ec a l c u l a t e d t h er e s u l t s o ft h r e em o d e l sa r e c o m p a r e d s ot h a tt h e i i l 塑型查兰堡主兰垡堡苎一一 d y n a m i cp r o p e r t i e s c a nb eo b t a i n e d ，i n c l u d i n gt h o s eo fb o t t o mc o n c r e t e s t r u c t u r ec o n t r i b m e st os t e e lr o o fa n dt h o s eo fc a b l e sc o n t r i b u t e si os t e e l r o o f ( 4 ) f o u n d e do nr e q u i r e m e n t sf o rc o n s t r u c t i n ga n da n a l y z i n gt w op h a s e sb y s i m u l a t i n gp r o c e s s o fb u i l d i n g 1 0 a d c a r r y i n gc a p a b i l i t i e si n p r o c e s s o f b u i l d i n gf o rp r e s t l e s s e d c a b l ea r c hi n m i d s p a n s t e e lr o o fa r es t u d i e d c o n s e q u e n t l y , c h a r a c t e r so f s t e e lt r e l l i sa r c h ，s t r u t sa n dp r e s t r e s s e dc a n e a r ee d u c e d ，w h i c ho f f e r sa c a d e m i cb a s et o l a y i n gm a j o rl o a d c a r r y i n g c o m p o n e n t sl o g i c a l l ya n de c o n o m i c a l l y t h ea n a l y t i c a lm e t h o di nt h i s p a p e r i sb a s e do nc l o s e l yc o m b i n i n ga c a d e m i c a n a l y s i sm t i lc o u n tf o ra c t u a le n g i n e e r i n g ，a tt h es a m et i m e i sf o u n d e do nr e s u l t so f m u l t i s t r u c t u r a ls y s t e m h e n c e ，t h ep r e v i o u sa n a l y t i cm e t h o di so v e r c o m ee f f e c t i v e l y , w h i c hi sb a s e do n l yo ns i n g l es y s t e m a c c o r d i n g l y , t h er e s u l t sa c c o r dw i t l lf a c t u a l s y s t e m a t i cw o r k t h ec o n c l u s i o n sg a i n e df r o mt h i s p a p e rh a v es o m ea c a d e m i cg u i d a n c e a n d a p p l i e dm e r i t s ，w h i c hp l a y saf o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rs t u d yo fs p a t i a l l ys u s p e n d e d p r e s t r e s s e d c a b l e a r c hs t r u c t u r a ls y s t e m k e yw o r d ss u s p e n d e d ，p r e s t r e s s e df o r c e ，c a b l e a r c hs t r u c t u r e ，c a l c u l a t i n g a n d a n a l y z i n g 郊州i 大学硕上学位论文 第1 章绪论 近年来，全球化经济与科学技术所呈现的蓬勃发展态势为建筑业的欣欣向荣 创造了契机。t 程技术的日臻成熟、建筑形式的日益多样化、计算方法的逐渐改 进，新型建筑材料的不断创新，使得大空间、大跨度的建筑在世界各地星罗棋布。 公用建筑的兴建是丰富的结构形式与独特的建筑造型有机组合的结晶，是人们追 寻艺术审美和功能需求的完美产物。 其中，悬索结构及其杂交结构凭借优美的建筑造型和良好的结构性能，被广 泛运用于大跨度、大柱网、大开间的体育馆、影剧院、展览馆、车站、候机厅、 大型商场、工业车间和仓库等建筑中，越来越受到国内外t 程界和科技界的广泛 关注，是一类方兴末艾、发展前景广阔的结构形式”1 。 1 1 悬索结构 悬索结构其结构形式是以一系列受拉的索作为主要承重构件，按一定规律组 成各种不同形式的体系，并悬挂在相应的支承结构上”3 。主要由三部分组成：索 系、覆盖系统和支承系统。索系是悬索屋盖中跨越水平距离、形成大空间的主要 构件。它由系列按一定规律布置的高强索及附件组成，起着形成屋面、承担屋 面荷载并将其传至支撑结构的作用：覆盖系统一般位于索系之上，由檩条、屋面 板、保温防水材料组成，主要作用是形成一个保温、隔热、防水的面层，完成屋 盖的建筑功能；支承系统是由圈梁或水平横粱、立柱或拱等构件组成，承受着悬 索传来的荷载，并将其传向基础。1 。支承系统的合理性、可靠性直接影响到整个 屋盖结构的经济与安全。 悬索结构具有造型自由的优点，个性强烈。以钢索为例可将屋盖结构按内力 的传递方向分为三类”1 ： ( 1 ) 单向悬索屋盖； ( 2 ) 双向悬索屋盖； ( 3 ) 辐射状悬索屋盖。 郑州大学硕士学位论文 1 1 1 特点 悬索结构是拉力构件，强力拉紧而成屋而系统“ 。为了获得稳定的屋面，必 须施加相当大的拉力才能绷紧。它不像传统结构( 梁、板、框架等) 那样，构件 除承受拉力外，还要受压、受弯和受扭等。由于稳定问题的存在，构件就i ；能完 全按强度来设计。但悬索结构在外荷载作用下，索内只产生拉应力，或者说不必 考虑属曲问题。因此可以选用高强度钢材，以充分发挥其力学性能。 悬索结构的主要优点体现在：其通过索的轴向拉伸来抵抗外荷载作用，可以 充分利用钢材的强度。当采用高强度材料时，更可大大减轻自重，较经济的跨越 很大的跨度，从而达到节省材料的目的。如今已成为大跨建筑的主要结构形式之 一。另外，悬索结构便于建筑造型，适应多种多样的平面图形和外形轮廓，能较 自由的满足各种建筑功能和表达形式的要求。悬索结构的另一特点是旌工比较方 便。由于钢索a 重很小，屋面结构一般也较轻，因此施工安装时不需要大型起重 设备。使得施工费用相对降低。悬索结构的这些特点使其在人跨房屋建筑中获得 日益广泛的应用。 此外，悬索结构的特点使其呈现出大变位、小应变的力学特性，并对局部荷 载敏感，同时造成需要较为复杂的处理水平力。特别是，在荷载作用下要产生较 大的位移，其几何方程以致整个结构的控制方程是非线性的。常规结构分析中的 迭加原理因此失效，致使计算中必须考虑几何非线性问题。这一因素形成了悬索 结构计算理论的特点，也增加了分析的难度”1 。 1 1 2 应用研究现状 悬索结构是最古老的结构形式之一。有证据表明，公元前就已有悬索桥存在， 到了汉明帝时( 公元4 6 5 4 7 2 年) ，已能建造铁链桥。在欧洲，至少从1 6 世纪便 开始对悬索计算理论的研究，并在悬索桥、索道、输电线等方面进行了实践。然 而，悬索结构在建筑工程中的应用还是从本世纪开始的。j 。 1 9 5 3 年美国建成的r a l e i g h 体育馆拉开了现代悬索屋盖应用于房屋建筑的序 幕“。r a l e i g h 体育馆采用以两个斜放的抛物线拱边缘的鞍形正交索网( 参见图 郑州1 大学坝十学位论文 图】1 美国r a l e i g h 体育馆 f i g 1 1r a l e i g hs t a d i u mi na m e r i c a 图1 3 加拿大加尔加里体育馆 f i g 1 3c a l g a r ys t a d i m ni nc a n a d a 幽1 2 四川省体育馆 f i g 1 2s i c h u a ns t a d i u m 图1 , 4 美国亚特兰大佐治亚索穹顶 f i g 1 4 g e o g i a d o m ei n a m e r i c a 我国从1 9 5 8 年开始研究悬索屋盖。北京工人体育馆、浙江体育馆、四川体育 馆、吉林滑冰馆、淄博体育馆、朝阳体育馆等一大批悬索结构在我国相继兴建“。 四川省体育馆( 参见图1 2 ) ，六角形平面尺寸为7 3 7 m 7 9 4 m ，采用了对 相互倾斜的钢筋混凝土抛物线拱作为中间支承，落地拱的跨度达1 0 2 5 m ，矢高为 3 9 m ，两块梯形的索网，一边支于拱上，另外三边支于周围的囤梁上”。1 9 8 3 年 为冬季奥运会而建的加拿大卡尔加里体育馆采用的双曲抛物面索网屋盖( 如图 3 所示) ，迄今仍是世界e 最大的索网结构：”1 。该馆的造型新颖，以一个圆球与 双曲抛物面相截形成屋面，与平面相截形成底面。为1 9 9 6 年奥运会而修建的美国 亚特兰大佐治亚穹顶于1 9 9 2 年落成，是世界上最大的室内体育馆 t 4 1 ( 参见图1 4 ) 。 其结构式采用了新颖的整体张拉式索膜结构，准椭圆形平面的轮廓尺寸达1 9 2 m 2 4 0 m 。 工程应用促进了理论和实验研究的进展“”。我国关于悬索结构的第一批较系 统的研究是在5 0 年代末和6 0 年代前期进行的。当时主要研究悬索结构分析的解 析方法”3 。8 0 年代初期恢复了对悬索结构的广泛研究。初期仍然着重于各种形式 郑州人学硕上学位论文 悬索体系的解析计算方法和以解析法为基础的各种近似方法的探讨。随着计算机 的普及，悬索结构的离散化分析方法，尤其是以离散化理论为基础的节点位移法 以及在处理任何非线性问题时必需的各种迭代解法引起了广泛的兴趣，并取得了 迅速发展。相应的计算机程序也陆续编制了出来。现在国内已开发出一些性能较 好的悬索结构分析程序，其功能一般包括体系预应力状态的计算、任意荷载作用 f 的内力和位移计算、施工过程的验算、温度变化等因素的影响等。近几年建成 i 佝重要悬索结构t 程大都是由计算机进行分析的。随着计算机程序及其功能的进 一步发展，尤其是随着程序的商品化功能的加强以及随之而来的进一步普及，悬 索结构的推j 1 应用将会获得更加方便的手段。 1 2 悬索杂交结构 悬索结构发展的另一个特点是在许多工程中运用了各种组合手段。“。主要的 方式是将两个以上预应力索网或其它悬索体系组合起来，并设置强大的拱或刚架 等结构作为中间支承，形成各种形式的杂交屋盖结构。采用各种杂交式屋盖不仅 进一步丰富了建筑造型，而且往往能更好地满足某些建筑功能上的要求”。它的 最大优点是：综合利用各种不同结构在性能、综合经济指标等方面的优势，丰富 建筑造型，有效利用建筑空间；改善总体力学性能等。所以，采用杂交式屋盖在 很多场合是出于建筑造型和使用功能方面的考虑。 1 2 1 悬索杂交结构的分类 悬索杂交结构由柔性悬索和刚性构件组合而成”。索一梁( 桁) 体系、预应 力索拱体系、吊挂式混合结构、斜拉式混和结构均属于这类结构体系。 1 索一梁( 桁) 体系 在平行布置的单层悬索上，把索锚固好，在索上敷设与索方向垂直的实腹梁 或桁架等横向劲性构件，下压这些横向构件的两端，使之产生强迫位移后并固定 4 郑i ，i i 大学硕十学位论文 其位置，如此便在整个索与横向构件组成的体系中建立起预应力，形成了索一梁 ( 桁) 体系“。 这种体系是在柔性索上布置横向劲性构件，并通过施加预应力使索与横向构 件共同组成有足够的剐度和形状稳定性。因此，受力合理，用料经济，而且施工 方便。影响这种受力体系的受力性能的主要因素有：支承结构刚度、预应力、索 与横向构件的剐度比等。 2 预应力索拱体系 在双层索系或鞍形索网中，以实腹式或格构式劲悸构件代替上凸的稳定索， 通过张拉承重索或对拱的两端下压产生强迫位移，使索与拱互相压紧，便形成了 预应力索拱体系”“。 与柔性悬索结构相比，索拱体系具有较大的剐度，尤其是抵抗不均匀萄载作 用的结构形状稳定性有较大幅度的提高。由于刚性拱的存在，使得不需要施加很 大的预应力，从而使支承结构的负担得以减轻。与单一t 作的拱相比，索拱体系 内的拱与张紧的索相连，不易发生整体失稳，因而所需拱的截蕊较小。在预应力 阶段，拱受到索向上的作用而受拉；荷载阶段，索拱共同抵抗荷载作用，拱在所 分担的部分荷载作用下受压，其中部分压力与预应力阶段的拉力相抵消，所以预 应力拱受力更合理。 3 吊挂式混合结构 吊挂式混合结构应用悬索桥的结构原理，一般采用一系列的竖向吊杆把翊性 的屋面构件连于其上方的悬索。“。 悬索通过吊杆为刚性的屋面构件提供了一系列的弹性支承，作用于刚性屋盖 构件的部分荷载由悬索承担，使刚性屋盏构件的尺寸和用料相应减小，同时也节 省了结构所占空间。由于悬索和吊杆都是以轴心抗拉抵抗荷载作用，因而这类体 系在总体上看l l 冈i j 性屋盖构件单纯抗弯工作合理、经济。被吊挂的刚性构件可以 是粱、桁架、剐架、网壳、阏架等，因此构成了繁多的结构形式。 郑州大学硕- l 学位论文 4 ，斜拉式混和结构 斜拉式混和结构应用斜拉桥的结构原理，由塔柱项部挂下斜拉索直接与刚性 的屋盖构件相连。3 1 。 斜拉索体系的结构受力特点与吊挂式体系基本相同，斜拉索为刚性屋盖构件 提供一系列的中间弹性支承，可使刚性构件以较少材料做到较大跨度；斜拉索分 担的部分衙钱直接经塔柱传至基础，比吊挂体系传力路线简捷。此外，斜拉索体 系中的索的制作和安装也较简捷，是房屋结构中应用较多的一种悬索杂交结构。 斜拉体系与吊挂体系一般也要施加一定的预应力，使索在使用期间始终保持 一定的张紧力，保证索与刚性构件共同工作并防止风吸力作用下柔索发生松弛； 有些情况f ，还可通过张拉悬索，对刚性构件施加反变形，使刚性结构具有更好 的结构性能。 1 2 2 工程应用 悬索杂交结构在1 9 8 6 年的日本大阪国际会议上曾是一个热门话题。“。从美 国耶鲁大学冰球馆到我国江西省体育馆、北京朝阳体育馆( 见图1 8 ) 、北京奥林 匹克体育中i i , 体育馆( 见图1 9 ) 等，直至2 0 0 0 年澳大利亚悉尼奥运会超级穹顶 ( 见图1 7 ) 。这些杂交结构的中外建筑，造型优美、气势磅礴，给人留下深刻的 印象，随着经济的发展，造价已不再作为结构形式的唯一取舍标准，这种杂交结 构融建筑的技术与艺术于一体的结构形式将越来越得到人们的青睐。国内外主要 的悬索杂交结构的代表工程案例有： 图1 5 英国伦敦千年穹顶 f i g1 5d o m eo fl o n d o ni nb r i t a i n 英国格林威治千年穹顶于1 9 9 9 年建成使用。它由超过7 0 k m 的钢 索悬吊在1 2 根1 0 0 m 高的钢桅杆上。 通过斜拉吊索支承着四圈索桁架和 膜屋面( 参见图1 5 ) 。 郑卅i 大学硕士学位论文 建成于2 0 0 0 年的日本丰e f i 体育 场为钢索与钢骨架相连的悬索杂交结 构。“，其屋顶面积为3 4 0 0 0 m 2 ( 参见图 1 6 ) 。 澳大利亚悉尼奥运会的拟椭圆形 超级穹顶。”，屋盖周围的一系列拱式 桁架，由桅杆悬吊的斜拉索支承( 参 见图1 7 ) 。 1 9 9 0 年建成的北京朝阳体育馆 ( 见图1 8 ) 由两片双曲抛物面索网 组成”“。一对钢拱被索拱体系主索上 垂下的两排竖向吊杆在跨中均匀相连 成钢拱的中间弹性支点。 1 9 9 0 年所建的北京奥林匹克中 心综合体育馆( 见图1 9 ) 是由两片 双层曲面网壳架设在周边支座和沿平 面长向布置的中央立体钢桁架上形成 的。 图1 6 日本丰田体育场 f i g 1 6t h es t a d i u mi nj a p a n 图1 7 澳大利亚悉尼奥运会超级穹顶 f i g 1 7s u p e r d o m eo f s y d n e yi n a u s l r a l i a 图1 8 北京朝阳体育馆 f i g 1 8b e i j i n gc h a o y m l gs t a d i u m 图1 9 北京奥林匹克中心体育馆 f i g 1 9b e i j i n go l y m p i cs t a d i u m 郑卅l 大学硕士学位论文 图1 1 0 上海八万人体育馆 f i g 1 1 0s h a n g h a i b a w a ns t a d i u m 图1 1 1 浙江黄龙体育中心体育场 f i g 1 1 1z h e j i a n g h u a n g l o n gs t a d i u m 图1 1 2 大连金石滩影视艺术中心 f i g 1 1 2d a l i a nt e l e - c i n e m a a r tc e n t e r 图1 ，1 3 浙江义乌体育场 f i g1 13z h e j i a n gy i w us t a d i u m 1 9 9 7 年建成的上海八万人丰体育 场( 见图l _ l o ) 挑蓬采用了悬挑钢桁架、 覆盖以膜结构1 。屋盖呈马鞍形，由6 4 榀径向悬挑桁架和环向次桁架组成火 跨度的悬索杂交结构。 2 0 0 0 年落成的浙江黄龙体育中心 体育场采用斜拉网格结构( 见图1 1 1 ) ， 为目前我国跨度较大的斜拉结构。“。各 肢至内环设9 根斜拉索，在网壳上弦靠 内环梁设置9 根稳定索，锚固在外环梁。 大连金石滩影视模特艺术中心( 见 图1 1 2 ) 于2 0 0 1 年9 月讵式启用。采 用骨架式双层索膜结构，目前为亚洲最 大的拉索膜式结构建筑”。 浙江义乌体育场( 见图1 1 3 ) 于 2 0 0 1 年投入使用，天蓬为吊挂结构，有 p v c 膜面覆盖1 。 郑卅l 大学硕十学位论文 1 2 3 研究现状 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，经济性冠著下 降，甚至成为不可能。正因为如此，由不同类撄的结构形式组合而成的杂交结构 成为目前大跨空间结构研究中的新方向。其最大的优点就是充分利用某种类型结 构的长处来抵消另一种与之组合的结构的短处，使得每一种单类型的空嵋j 结构 形式及其材料均能发挥最大的潜力，从而改善整个结构体系的受力性能，进一步 增大空间结构所能达到的覆盖跨度，同时丰富大跨空间结构的形式。“。 我国火跨度空间结构的基础原来比较薄弱，但随着国家经济实力的增强和社 会发展的需要，近十余年来也取得了比较迅猛的发展“。工程实践的数量较多， 空间结构的类型和形式逐渐趋向多样化，相应的理论研究和设计技术也逐步完 善。我国的工程技术人员在学习和吸收国外先进经验的同时，使悬索结构及其杂 交结构的形式日趋丰富。”，以北京弧运会、哈尔滨冬季亚运会、上海八运会、 广州九运会的许多体育建筑为代表的一系列大跨空间结构作为我国建筑科 技进步的象征在国内外都取得了一定影响。 但与国际先进水平相比，我国大跨结构的发展仍存在一点差距。特别是， 悬索杂交结构由于工程实践有限、理论储备不足，其发展仍然比较缓慢，在结构 形式还比较拘谨，较少大胆创新之作，说明新颖的建筑构思与先进的结构创造之 间尚缺乏理想的有机结合，尤其是1 5 0 m 以上的超大跨度悬索杂交结构的工程实践 还比较少。在设计日益增多的大型公共建筑时，普遍感到结构形式的选择余地是 很有限的，无法满足社会发展对建筑功能和建筑选型多样化的要求。”1 。 国内研究者在探讨有效的确定张拉结构初始状态的非线性有限元分析方法方 面做了很多努力“0 1 ，取得了可喜的成果，并编制了相应的实用程序，有些程序能 适应较大的位移变化，因而能进行大幅度的外形调整：关于对悬索杂交结构动力 性能的研究，尤其是在地震和风激作用下的反应分析，是更全面了解这类结构工 作性能以进一步提高设计水平的重要基础工作“”“。“1 。过去这方面的研究甚 少，尤其是关于大跨柔性屋盖风振问题的研究在国内外均基本上是空白。近几年 来，对索一梁( 桁) 体系在地震作用下的反应用时程法和振型分解反应谱法进行了 郑州大学硕1 。学位论文 系统的研究。吼“”“”，对索。粱( 桁) 体系还做了细致的动力模型试验，从而更迸 一步的了解这种悬索杂交体系的抗震性能”。 此外，对一j ：悬索杂交结构的优化组合、基本理论、设计计算方法、材判和施 t = 等方面的研究仍然存在不足。同时缺乏对这类杂交结构的非线性分析、动力效 应分析、随机风振反映分析等。 i 3 空间斜拉式预应力索拱结构体系 空间斜拉式预应力索拱结构体系是一种薪型的悬索杂交结构。它由悬索结构、 拱结构、和斜拉式结构组合而成，是混和结构体系中一个成功的创造。 根据1 2 1 节的论述可知，悬索结构是由一系列高强度钢索组成的张力结构， 能够充分发挥材料的强度，因此用料经济，使得以较少的建筑材料跨越较火的跨 度。但是悬索结构的力学特性使其表现出较强的柔性；拱结构与一般结构相比， 它的受力较为合理，具有承载力高、自重轻、跨度大、变形小，并充分利用材料强 度等优点。是一种良好的压弯结构“”。但由于拱结构的特殊性，使得横向荷载的 作用会产生压力而引起屈曲，以致损坏结构；斜拉式结构由于斜拉素为下部刚性 屋盖构件提供了一一系列的弹性支承，可使刚性构件以较少材料做到较大跨度。 与柔性悬索结构相比，由于刚性拱的存在，空间斜拉式预应力索拱结构具有 较大的刚度，尤其是抵抗不均匀荷载作用的结构形状稳定性有较大幅度的提高； 与纯拱相比，悬索结构的引入，使得空间斜拉式预应力索拱结构克服了纯拱结构 因产生屈曲而使得极限承载力下降这个缺点。在重力荷载作用下，索对拱有抬起的 作用：索的预应力愈大，其抬起作用愈大：索对拱的向上作用与重力荷载对拱的 向下作用部分相互抵消，对拱有卸载作用；索拱杂交结构中，柔索与刚性拱相互 奉卜充，比单独的结构受力更合理、更经济，跨度更大。 此外，预应力和上部斜拉索的采用使结构的受力变得更加合理，跨越的跨度 更大，从丽使结构变得十分轻巧。因此，这种杂交结构将斜拉式结构、悬索结构、 拱结构和预应力的优点集于一身。 郝州大学硕士学位论义 但是，尽管索的1 字在改善了拱的受力性能，索的拉力仍要通过其它支撑构件 受压来平衡，而且必须要有良好的锚固连接。冈此，支撑构件和锚固连接的设计 就变得更加重要。然而，自重轻、曲面造型、倚载作用下结构反应的非线性特性 同时又使得进行结构动力反应分析是必要的，也是十分重要的。 在建的郑州国际会展中心展厅钢屋盖正是采用了这种空间斜拉式预应力索拱 结构体系。它由桅杆、斜拉索、预应力张拉索、稳定索、劲性格构拱及支承构件 组成1 。 结构体系中所涉及到的索段繁多，索的类型也较为多样。但是索的受力形态 较为单一，只限制在轴向受拉。因此能够更好的集中发挥悬索结构的受力优点。 张紧的索通过铸钢节点与屋面刚性格构拱紧密相连，形成索与拱协同作用的工作 机理。下悬拉索不需要施加很大的预应力便可以使屋面拱结构具有较好的形状稳 定性和造型美观性，更好的保证了结构体系传力明确、屋架结构各构件内力均匀， 使其良好的力学性能得以展现，从而减小构件截面尺寸，充分利用了材料忡能。 柔索与刚性拱相互结合，扬长避短，降低了单位面积用钢量指标，因此可以 更经济、更合理的跨越大空间，同时提高结构的抗震性能，使其优越的经济性更 为突出。此外，跨中屋盖部分与跨边部分由空间斜拉系统悬吊起来。索拱构件部 分的荷载传给桅杆上的斜拉索，斜拉索将其承担的荷载传给桅杆，由桅杆将荷载 经支承体系传至基础。斜拉索的吊点为索拱构件提供了弹性支承，增加了屋盖跨 度，使整个屋盖体系造型美观，能适应不同的平面图形合轮廓。 1 4 本文所做的工作 本文所研究的空间斜拉式预应力索拱结构是由悬索结构、拱式结构和斜拉结 构杂交而成的新型空间结构，集多种优点于一身( 参见节1 3 ) 。而郑州国际会展 中心展厅钢屋盖的在建无疑使悬索杂交结构家族再添优秀范例，使空间斜拉式预 应力索拱结构体系拥有生动的工程案例，必将促使这种新型的结构体系在大跨空 间结构的广泛应用。 但是，郑州国际会展中心展厅钢屋盖建筑形式新颖独特，其结构性能不再局 限于单一结构的力学行为，而是协同了悬索结构、拱结构与斜拉结构三种受力特 埘1 人学硕上学位论文 点迥异的结构形式。这些问题的存在，使得分析此类结构形式不可以照搬以往的 l 程案例，不能够运用简单的力学手段来进行受力性能的研究。此外，这种多构 件组合体系的几何组成形式、结构形态、分析理论和方法、安全性可靠性评价、 细郝受力特钲和构造规律、旎工工艺和建造技术等诸方面的研究i + 分欠缺。因此， 围绕着这种新型的结构形式，存在大量的课题亟待研究解决。这些研究也制约和 影响看大跨空间结构的发展与应用。而对郑州国际会展中心展厅钢屋盖的现有案 测的研究和分析计算，则有利于更好的了解和掌握此类结构形式的特点，以期能 推动其发展与应用。 基于此，在查阅了空间结构领域大量的有关张拉整体，索拱结构，索穹顶， 索膜结构及张弦粱的文献后。以在建的郑州国际会展中心展厅钢屋盖结构体系为 工程背景，在导师童丽萍教授的指导下选择了开发空间结构领域前沿课题之一的 空间斜拉式预应力索拱体系的结构性能研究和计算分析。其中，对结构的概念设 计、施工阶段和正常使用期间的协同上作原理及受力变形规律、屋盖体系结构的 动力效应、跨中索拱构件的结构性能，从而确保进一步掌握空间斜拉式预应力索 拱体系的结构性能。主要表现在： l 、通过对郑州国际会展中心展厅铜屋盖的结构体系的几何构成及结构形态的 研究，探讨了此类新型空间悬索杂交结构的概念设计。 2 、以离散理论为基础，借助大型有限元通用程序a n s y s ，计算工程案例在1 3 种单工况和1 7 种不利工况组合下的内力、支反力和变形的最大值及相应发 生部位，掌握此类结构的受力变形规律；为提高结构的安全性，可靠性和 经济性提供了技术依据，同时也为同类结构的结构设计提供了设计参考和 工程积累。 3 、采用a n s y $ 有限元程序，分别建立钢屋盏与下部混凝土结构共同作用、钢 屋盖单独作用以及无空间斜拉系统的钢屋盖单独作用时的3 个空间计算模 型，采用子空间迭代法计算其自振周期和振型，并加以比较。以此探讨f 部结构对上部屋盖的动力性能所做的贡献和悬索对上部屋盖的动力性能的 影响；从而得出钢屋盖的动力特性，为进一步研究此类结构的受力特性奠 定了基础。 1 2 郑州大学碗上学位论殳 4 、根据施工方案的选取，模拟旅工阶段进行两阶段分析，将跨中预应力索拱 构件单独建模，并模拟施工过程。对算例中跨中预应力索拱结构在麓工过 程中的受力性能进行研究。运用a n s y s 对其预应力施加前后的受力性能进 行分析，探索劲性格构拱、竖向腹杆和下悬预应力张拉索的内力分布特征， 从而探索索拱构件的构造、空i 刈劲性拱的格构布置等，为合理经济地布置 主要受力构件提供理论基础；从而指导工程设计与施工。 郑州大学硕士学位论文 第2 章郑州国际会展中心展厅钢屋盖结构体系简介 2 1工程简介 为了推动e ；j 今后市区发展和地区中心相符合的街区建设，郑州市委、市政府 决定在郑州市区东部建设郑东新区。郑州国际会展中心位于郑东新区c b d 中央商 务区( 参见图2 1 ) ，与1 0 7 国道和京珠高速公路相邻，交通便捷，是集展览、会 议、商务、餐饮、娱乐为一体，功能齐全、设备先进的大型现代化的会议展览中 心。 图2 1 郑东新区c b d 中央商务区 f i g 2 1c b d c e n t e ro f z h e n g d o n gn e wd i s t r i c t c b d 中央商务区是环绕中央公园并沿环形公路设置林立的高层建筑而形成的 环形城市区域，中央公园的中心是中央水池。建筑围绕中央水池布置，形成了将 道路远离水滨，而将建筑置于水中的优雅格局，以形成城市街区的建筑倒映于水 中的景观。郑州国际会展中心、河南艺术中心、郑州会展宾馆成为c b d 的标志性 建筑。而郑州国际会展中心是三个标志性建筑中环水池面积最大的单体，同时是 郑东新区的核心项目和引擎工程。该工程的建筑设计由日本黑川纪章建筑都市设 计事务所承担；结构设计由英国a r u p 公司完成。 郑州国际会展中心工程项目的规模浩大，是郑州市历史上单体投资规模最大 的公共建筑，在郑州城市发展的轨道上具有举足轻重的战略性地位。由于郑州固 1 4 郑州大学烦士学位论文 际会展中心所处的地理位置和在郑东新区群体建筑中所起的不容替代的重要作 j 目，建筑设计者黑川大师采用了浪漫的设计手法，将建筑沿水池蜿蜒伸展，环水 i 面设置的观景走廊与水面相映成辉：屋盖采用了大跨全钢结构( 参见图2 2 ) 。1i 组刺向云天的空间斜拉系统，构造卅浪漫轻盈的形态。面向水池方向的外立面采 用轻快色调的玻璃幕墙，其外墙和屋顶由空问桁架支承。上部刑屋架、下部混凝 卜和外立面玻璃幕墙的完美结合，渲染出具有东方神韵的建筑风格与造型，成为 郑州市靓丽的城市景观和标志物。 2 2 结构体系 图2 2 郑州国际会展中心 f 培2 2z h e n g h z o ui n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c ee x h i b i t i o nc e n t e r 图2 3 郑州国际会展中心钢尾盖 f i g 2 3 s t e e lr o o f o f z h e n g h z o ui n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c ee x h i b i t i o nc e n t e r 郑州大学硕七学位论文 郑州国际会展中心展厅部分钢屋盖结构由桅杆、斜拉索、稳定索、预应力张 拉索、锄性格构拱及支承构件组成。屋盖投影面积；5 1 8 6 0 m 2 ，结构用钢量1 2 7 k g m 2 ， 结构体系为空间斜拉式预应力索拱体系“。 2 2 。1 空问斜拉系统 跨中屋盖部分与跨边屋盖部分由1 l 组桅杆用索斜拉起来。l 根2 0 0 0 3 6 的 圆钢管桅杆利6 根非灌注平行束斜拉索构成了一组空间斜拉系统( 参见图2 4 ) ， 成为体系的主要承重构件。 ( a ) 轴侧图 ( a ) t h ev i e wo f t h et o p 吨h t 图2 4 空间斜拉系统 f i g 2 4s u s p e n d e ds y s t e m ( b ) 平面目 c o ) p l a n el a y 其中桅杆m l 两端成锥头，锚固点以上为1 5 m ，总长4 6 7 6 m 。自由端距地面 6 9 9 m ，另一端由下部钢筋混凝土构件支承，约呈7 9 。倾角，距地面2 8 米；6 根 拉索呈空间放射状布置，共有3 种型号的悬索( 参见图2 4 b ) 。悬索c 1 采用平行 束股绞电缆7 审3 0 1 ，索长3 6 0 3 m ，约呈4 6 。倾角；c 2 采用平行束股绞电缆7 中 2 4 1 ，索长3 4 9 1 m ，约呈6 2 。倾角；c 3 采用平行束股绞电缆7 中2 8 3 ，索长2 8 6 1 m ， 约呈6 2 。倾角；c 4 采用平行束股绞电缆7 e p 2 8 3 ，索长2 9 9 7 m ，约呈4 6 。倾角。 斜拉索上端悬挂在桅杆锚点处，下端分别锚固在屋面e 弦杆节点处，形成了索拱 1 6 郑州大学倾十学位论支 构件的中间弹性支承( 参见图2 ，5 ) 。 2 2 2 稳定索 图2 ，5 斜拉糍与屋面的连接方式 4 根稳定索和2 根下部桅杆与每组空问斜拉系统对应分布( 参见图2 6 ) 。稳 定索与下部桅杆的末端由f 部钢筋混凝土构件支承，另一端固定在上部斜拉索连 接处，有效保证了传力路径简捷明确、结构体系安全可靠、建筑构造合理经济， 从而形成了气势宏伟的展览大空间。 其中，下部桅杆m 2 a 也是两端呈锥头，采用圆钢9 5 0 x3 6 ，桅杆长1 4 7 2 m ， 约呈3 5 。倾角。桅杆末端放至下部混凝土柱上，距地面2 8 m 。悬索c 1 a 采用平行 束股绞电缆72 8 3 ，索长1 4 6 7 m ，约呈3 4 。倾角；悬索c i b 采用平行束股绞电 缆7 3 6 7 ，索长1 4 6 7 m ，约呈3 4 。倾角。 ( a ) 稳定索与空间斜拉系统 ( a ) s t e a d yc a b l ea n ds u s p e n d e ds y s t