弦支穹顶专项报告

1、弦支穹顶结构目录1 弦支穹顶的发展历史2 弦支穹顶的发展现状3 弦支穹顶存在的问题1 弦支穹顶的发展历史 1.1预应力钢结构 1.2单层网壳 1.3双层网壳 1.4索穹顶 1.5弦支穹顶1.1预应力钢结构 弦支穹顶结构之所以称为一种高效能的空间结构，主要原因就是其高强度拉索及其预应力的引入，通过施加预应力使结构形成自平衡体系。而最先使用预应力的结构就是预应力钢结构。 预应力钢结构是在设计、制造、安装、使用过程中用人为方法引入预应力以提高结构强度、刚度、稳定的钢结构。 早期最具代表性的预应力钢结构是1972年建造的慕尼黑奥运会主赛场馆，它是利用吊点代替支点的斜拉预应力钢结构。慕尼黑奥运会主赛场馆

2、汉城奥运会主赛馆北京亚运会主赛馆 随着对预应力钢结构静动力性能研究的深入，逐渐认识到预应力钢结构有着高效的结构性能和良好的经济指标， 因此在20世纪80年代，国内外建造了一批典型的预应力钢结构工程，如 1988 年建造的汉城奥运会主赛馆索穹顶结构，1990 年北京亚运会主赛馆的斜拉结构。1.2单层网壳 单层网壳依靠自身造型优美、技术成熟和施工方便等优点，在中小跨度的工程中广泛应用，单层球面网壳虽然壳面内具有较大的刚度，但壳面外的刚度较弱，结构对初始缺陷非常敏感，且单层网壳对支座有较大的水平推力，因此其在大跨度结构中应用受到一定的限制。通常杆件中的应力值仅为设计值的1/5左右，远远没有发挥材料的

3、强度。 目前世界上最大跨度的单层网壳是1997年建成的日本名古屋穹顶，建筑直径为229.6m，结构直径为187.2m，采用三向网格，节点为能承受轴力和弯矩的刚性节点。日本名古屋穹顶1.3双层网壳双层网壳 为了解决单层球面网壳的稳定性问题，可通过双层网壳来增加结构的抗弯刚度，与单层网壳相比，双层网壳克服了壳外刚度弱的缺点，其对初始缺陷的影响不再敏感，结构的稳定性得到了较大提高，因而使得结构可以跨越更大的跨度，但是双层网壳杆件稠密，随着跨度的增大，自重会导致周边环梁产生更大的拉力，用钢指标及工程造价较高。 如1975年建成的美国新奥尔良超级穹顶(Superdome)是目前世界上跨度最大的双层网壳结

4、构，平面直207m，网壳厚2.2m，用钢指标达到 ，因此仍需进一步改善。美国新奥尔良超级穹顶1.4索穹顶结构索穹顶结构 1962年著名建筑师R.B.Fuller提出了由索和杆组成的张拉整体结构，80年代，美国B.H.Geiger和M.Levy基于 Fuller 的张拉整体概念，提出索穹顶结构体系，是目前最合理、最轻型大跨度结构体系，具有构思简单、形式简捷、结构性能优越等特点。但索穹顶上层索容易出现松弛而退出工作，且需要在周边支座设置强大的受压环梁以平衡拉索预拉力，费用昂贵且施工制作复杂，造价非常高。 索穹顶最具代表性的例子是亚特兰大奥运会主体育馆的Georgia Dome，其跨度超过200m，

5、 用钢量却不足30kg每平方米。 亚特兰大奥运会主体育馆1.5弦支穹顶结构的提出弦支穹顶结构的提出 为解决上述单层网壳、双层网壳、索穹顶在工程应用中存在的问题，并充分发挥单层球面网壳、索穹顶结构两者的优点，1993年日本政法大学川口卫教授提出了由单层球面网壳和去掉上层索的索穹顶结构组成的一种合理的新型杂交空间结构形式弦支穹顶结构。弦支穹顶结构作为一种刚柔相济的新型复合结构体系，完美地融合了单层网壳和索穹顶结构的优点。2弦支穹顶的发展现状弦支穹顶的发展现状 2.1弦支穹顶的基本概念弦支穹顶的基本概念 2.2弦支穹顶的分类弦支穹顶的分类 2.3弦支穹顶的研究现状弦支穹顶的研究现状 2.4弦支穹顶的

6、工程应用弦支穹顶的工程应用2.1弦支穹顶的基本概念弦支穹顶的基本概念 2.1.1弦支穹顶结构的组成弦支穹顶结构的组成 2.1.2弦支穹顶结构的原理弦支穹顶结构的原理 2.1.3弦支穹顶结构的特点弦支穹顶结构的特点2.1.1弦支穹顶结构的组成弦支穹顶结构的组成 典型的弦支穹顶结构由一个单层网壳和下部撑杆、拉索组成，各环撑杆的上端与单层网壳对应的各环节点铰接连接；撑杆下端由径向拉索与单层网壳的下一环节点连接；同一环撑杆下端由环向箍索连接在一起，使整个结构形成一个完整结构体系。弦支穹顶结构示意图2.1.2弦支穹顶结构的原理弦支穹顶结构的原理 单层网壳和弦支体系相结合形成弦支穹顶，弦支体系中索的预应力

7、通过撑杆使单层网壳产生与使用荷载作用时相反的位移，从而抵消了部分外荷载的作用；索与梁之间的撑杆对于单层网壳起到了弹性支撑的作用，从而可以减小单层网壳杆件的内力；同时，下部斜索负担了外荷载对单层网壳产生的外推力，从而不会对边缘构件产生水平推力，整体结构形成自平衡体系。弦支穹顶结构原理图2.1.3弦支穹顶结构的特点弦支穹顶结构的特点 （1）弦支穹顶高强度预应力拉索的引入使钢材强度的利用更加充分。 （2）通过对索施加预应力，可使上部网壳结构各构件的相对变形较小；可减小单层网壳杆件的内力，调整体系的内力分布，降低内力幅值；张拉整体结构部分不仅增强了总体结构的刚度，还大大提高单层网壳部分的稳定性。 （3

8、）弦支穹顶结构对边界约束要求比较低。 （4）弦支穹顶屋面覆盖材料可以采用建筑造价低、施工连接工艺成熟和保温遮阳性能相对较好的刚性材料。 （5）施工张拉过程比索穹顶等结构更加简单。2.2弦支穹顶的分类弦支穹顶的分类 2.2.1肋环形弦支穹顶肋环形弦支穹顶 2.2.2施威德勒型弦支穹顶施威德勒型弦支穹顶 2.2.3联方型弦支穹顶联方型弦支穹顶 2.2.4凯威特型弦支穹顶凯威特型弦支穹顶 2.2.5凯威特凯威特联方型弦支穹顶联方型弦支穹顶 2.2.6三向网格弦支穹顶三向网格弦支穹顶2.2.1肋环形弦支穹顶肋环形弦支穹顶 上层网壳是由径向构件和环向构件组成，在网壳下部加上撑杆、斜索和环向索后，便形成肋

9、环形弦支穹顶，主要用于中、小跨度屋盖。2.2.2施威德勒型弦支穹顶施威德勒型弦支穹顶 施威德勒单层网壳是肋环形单层网壳的改进形式，由径向构件、环向构件和斜构件组成。斜构件的设置可以提高网壳的刚度，提高抵抗非对称荷载的能力。2.2.3联方型弦支穹顶联方型弦支穹顶 联方型单层球面网壳是由左斜构件和右斜构件形成菱形的网格，斜构件的交角为3050度。为了增强这种网壳的刚度和稳定性，一般都加设环向构件组成三角形网格。可用于较大的跨度。2.2.4凯威特型弦支穹顶凯威特型弦支穹顶 由n根通长的径向杆线把球面分为n个对称扇形曲面，然后在每个扇形曲面内，再由环向构件和斜向构件将此曲面划分为大小比较均匀的三角形网

10、格。每个扇形平面中各左斜构件平行、各右斜构件平行。2.2.5凯威特凯威特联方型弦支穹顶联方型弦支穹顶 相对于前面四种类型穹顶来说，凯威特-联方型弦支穹顶网格尺寸相对均匀，减少不必要的构件，受力更合理，同时也方便施工。2.2.6三向网格弦支穹顶三向网格弦支穹顶 这种网壳的网格由在球面上用三个方向的、相交成60度的大圆构成；或在球面的水平投影上，将跨度n等分，再做出正三角形网格，投影到球面上，即可得到三向网格球形面网壳。2.3弦支穹顶的研究现状弦支穹顶的研究现状 2.3.1弦支穹顶结构形态分析弦支穹顶结构形态分析 2.3.2弦支穹顶结构预应力的设置弦支穹顶结构预应力的设置 2.3.3弦支穹顶结构的

11、静动力分析弦支穹顶结构的静动力分析 2.3.4弦支穹顶结构施工过程全分析弦支穹顶结构施工过程全分析 2.3.5弦支穹顶结构试验研究弦支穹顶结构试验研究2.3.1弦支穹顶结构形态分析弦支穹顶结构形态分析 形态分析是基于柔性张拉结构的设计提出的，是力平衡分析的逆过程。郭云对弦支穹顶结构形态分析进行了初步研究 ，提出修正的张力补偿法来解决形态问题；郭佳民将弦支穹顶结构形态分析归纳为找形 找力、找形 +找力3 大类型，并提出了基于牛顿法的计算流程。张力补偿法思路清晰，易于编程实现，但收敛速度较慢，而基于牛顿法的迭代算法，编程较为复杂，但是收敛速度较张力补偿法快，实际工程中应用较多的是修正张力补偿法。2

12、.3.2弦支穹顶结构预应力的设置弦支穹顶结构预应力的设置 弦支穹顶结构之所以称为一种高效能的空间结构，主要原因就是其高强度拉索及其预应力的引入，通过施加预应力使结构形成自平衡体系。田国伟基于弦支穹顶中拉索预应力的两方面用途，即减小上部单层网壳结构的内力峰值和减小支座径向反力，利用各层拉索和撑杆之间的几何关系，推导出弦支结构预应力设定的简化计算公式。张明山采用局部分析法，利用平衡矩阵理论方法和线性静力分析法，先确定下部索杆张力体系初始态预应力分布，再将其加在上部被动张拉部分，从而得到结构整体的初始态预应力分布，通过局部分析法得到的整体结构的初始态是平衡的。石开荣根据自平衡性和按序逐圈分析的基本思

13、想，提出预应力确定新方法自平衡逐圈确定法。2.3.3弦支穹顶结构的静动力分析弦支穹顶结构的静动力分析 自1993年弦支穹顶结构提出后，国内外学者就对其进行了一系列的性能分析与研究。结构提出者川口卫教授最先做了系统的结构性能分析与试验研究，国内对弦支穹顶结构的研究起步较晚，1999 年由天津大学田国伟对弦支穹顶结概念提出以来，国内学者对该结构的力学性能进行了深入研究，天津大学（刘锡良、陈志华）、浙江大学（董石麟、陈明山）、清华大学（崔晓强）、哈尔滨工业大学（姚姝）、北京工业大学（刘学春）等各高校先后投入研究，并获得了一系列成果。2.3.4弦支穹顶施工过程全分析弦支穹顶施工过程全分析 弦支穹顶结构

14、的施工全过程分析及其施工控制理论分析是其实现的关键过程之一，也是目前研究的热点。国内外针对此问题提出了多种理论，并分别在不同的工程中得到了应用和验证。国内从事这方面的专家有李永梅、唐建民、黄呈伟、罗尧治、张立新、袁行飞、姜群峰、郑君华和赵宝军等。2.3.5弦支穹顶结构试验研究弦支穹顶结构试验研究 在弦支穹顶结构的工程应用过程中，为了对设计方案和理论分析进行验证 , 共完成了7个模型试验和2个实物加载试验，而且这些实验大部分在国内进行，这说明我国在弦支穹顶结构技术研究方面处于领先地位。另外模型试验和实物试验的结果验证了弦支穹顶结构是一种高效的结构体系，且其稳定承载力要比相应的单层网壳提高50 %

15、左右。试验名称试验名称模型尺寸模型尺寸/m完成单位完成单位日本模型试验日本模型试验3日本政法大学日本政法大学光丘穹顶实物加载试验光丘穹顶实物加载试验35日本法政大学日本法政大学天保中心屋盖天保中心屋盖1:10缩尺模型试验缩尺模型试验3天津大学天津大学天津博物馆实物加载试验天津博物馆实物加载试验18.5天津大学天津大学2008北京奥运会羽毛球馆北京奥运会羽毛球馆1:10缩尺模缩尺模型试验型试验9.3北京工业大学北京工业大学常州体育馆常州体育馆1:10缩尺模型试验缩尺模型试验12.08北京建筑工程研究所北京建筑工程研究所常州体育馆缩尺模型试验常州体育馆缩尺模型试验12.08东南大学东南大学椭圆平面

16、弦支穹顶结构模型试验椭圆平面弦支穹顶结构模型试验6.75.1北京建筑工程研究所北京建筑工程研究所济南奥体中心济南奥体中心8:122缩尺模型试验缩尺模型试验8浙江大学浙江大学表表1 弦支穹顶模型试验汇总弦支穹顶模型试验汇总2.4弦支穹顶的工程应用弦支穹顶的工程应用 弦支穹顶伴随着工程应用，弦支穹顶概念不断得到延伸，形式也越来越多样化。上部单层网壳由最初的球形延伸到了椭球形(武汉市体育中心体育馆和常州市体育馆)、正六边形(安徽大学体育馆)、近似三角形(渝北体育馆)；下部张拉整体部分的布置也由最初的一圈发展到多圈，由最初每圈撑杆与环索单元 1 1的设置发展到如今的 2 1或 3 1(大连市体育馆和南

17、沙体育馆)；随着分析设计理论和施工技术的完善，跨度也由最初日本光丘穹顶35 m发展到现在的济南市奥体中心体育馆122 m(日本方案设计已达到 200 m)。光丘穹顶 世界上第一个弦支穹顶-光球穹顶，该穹顶跨度为 35m，最大高度14m，总质量130t ，上层网壳采用由工字形钢梁组成的联方型网格划分方式。光丘穹顶只在单层网壳的最外层下部组合了张拉整体结构，而且采用了钢杆代替径向拉索，通过对钢杆施加预应力，使结构在长期荷载作用下对周边环梁的作用力为零。环梁下端由 V 形钢柱相连,钢柱的柱头和柱脚采用铰接形式，从而使屋顶在温度荷载作用下沿径向可以自由变形。光丘穹顶聚会穹顶 继光球穹顶之后，1997年

18、3月日本长野又建成了另一个弦支穹顶聚会穹顶，也由川口卫设计。穹顶跨度为46m，屋盖高度为16m。整个弦支穹顶支撑在周圈钢柱上，钢柱与下部钢筋混凝土框架连接。聚会穹顶天津保税区商务中心大堂屋盖 该穹顶结构跨度35.4m，矢高4.6m；上部单层网壳部分采用联方型网格，杆件全部采用 , 1336；撑杆采用, 894。下部张拉整体部分共布置 5 道， 由外及里前两道采用钢丝绳, 619，后三道采用钢丝绳, 619。沿径向划分为5个网格，外圈环向划分为32个网格，到中心缩减为8个，弦支穹顶周边支承于沿圆周布置的15根钢筋混凝土柱及柱顶圈梁之上。天津保税区商务中心大堂屋盖天津博物馆贵宾厅屋盖天津博物馆贵宾

19、厅屋盖 该屋盖跨度18.5m，矢高约 1.3m。单层网壳杆件采用为,76 3.7， 采用焊接球节点。下部张拉整体部分为三圈，其中最外圈径向拉杆和所有的环向拉杆采用, 483.5，次外圈和内圈径向拉杆采用 , 603.5。天津博物馆贵宾厅屋盖常州体育馆 屋面形状为椭球形，椭圆长轴 119.9m，短轴 79. 9m，结构矢高21. 45m，单层网壳中心部位网格形式为凯威特型、外围部位网格形式为联方型。上部的单层网壳中杆件规格为, 2458、 , 24510、 , 24512、 , 35110、 , 35112， 网壳均采用铸钢节点。下部张拉整体部分共布置 6 环， 索采用1670 级 5 镀锌钢丝

20、双护层扭绞型拉索，具体的拉索规格, 555、 , 585、 , 5199， 撑杆截面为, 121 8 的圆钢管。整个结构通过24 个支座固定于下部混凝土环梁上。常州体育馆2008年奥运会羽毛球馆屋盖 单层网壳的平面形状为圆形，直径为93m，矢高11m，矢跨比为1/11.6，网壳由 12 圈环向杆件和 56 组径向杆件组成，网壳杆件截面为, 2459 29916。下部张拉整体部由5 圈环索和5 圈径向拉杆以及104 根受压撑杆组成， 环索采用高强度钢丝束，钢索尺寸为 SNS/S7199SNS/S561，径向拉杆采用高强度钢棒，钢棒直径为 4060mm， 撑杆采用 Q345B， 截面尺寸为, 16

21、88。2008年奥运会羽毛球馆屋盖武汉市体育中心体育馆 该穹顶上部网壳为椭球形，长轴方向130m，短轴方向110m，上层球壳采用双层球壳，网壳厚度为3m，网格由三向交叉桁架单元组成，采用焊接球节点连接。弦支穹顶下部张拉整体部分设置了3环，撑杆规格为, 2997.5；环向索采用1670级,5.3镀锌钢丝双层扭绞型拉索；径向索索头为热铸锚，环向索索头为冷铸锚，环向索采用双索体系，由连接钢棒相连。武汉市体育中心体育馆 济南奥体中心体育馆 穹顶为凯维特型和葵花形内外混合布置屋盖，平面为直径122m圆，跨度122m，屋盖矢高12.2m；结构沿圆周均匀设置有36个支座；杆件采用圆钢管，钢管规格主要为 ,3

22、7714 和, 37716；节点形式主要为铸钢节点和少量的插板式相贯节点。下部张拉整体部分共布置3 环，环向索为平行钢丝束，径向钢拉杆为钢棒，撑杆采用圆钢管，上端与网壳沿径向单向铰接，下端与索夹固接。济南奥体中心体育馆安徽大学体育馆 钢屋盖平面为边长44m的正六边形，对边距离为76.2m，正六边形柱网外接圆直径为88m，最大挑檐长度6m，屋盖最大高度11.55m；屋盖中央设置边长12m正六边形的采光玻璃天窗。屋盖上层为箱型构件的正交正放网壳（中间采光顶为凯威特型），下层索系由4道环索、6道径索和撑杆组成，六边形的每边设置6个支座。安徽大学体育馆辽宁营口体育馆 其屋盖形状为椭球形，纵向长度为13

23、3m，横向长度为82m，该屋盖结构最初选择的方案是双层网壳结构，但由于结构跨度较大，且柱距较大，上层屋盖结构对混凝土柱顶产生了很大的水平推力，较大的水平推力使柱的设计十分困难，为了减小钢屋盖体系对柱顶产生的推力，对原双层网壳方案进行了进一步优化，在网壳下部布置了两圈索，从而形成了弦支穹顶结构。辽宁营口体育馆山东茌平体育馆 上层网壳采用 K6 网格形式， 径向划分为 20环，跨度 108m，矢高 25m，网壳构件规格, 2036、 , 2197、 , 2457、 , 273 8、 , 299 8。下部张拉整体部分共设置 7 圈。弦支穹顶周边设置2 道橡胶支座，第1 道设置在倒数第5 道环向杆上，

24、第 2 道设置在最后 1道环向杆上。山东茌平体育馆三亚体育中心体育馆 屋盖跨度为76m，网格布置形式外圈为联方型，内圈为凯威特型。弦支穹顶部分通过环形桁架与下部混凝土柱相连，弦支穹顶的边界节点与环形桁架的撑杆上节点通过铸钢节点连接，环形桁架的撑杆下节点与混凝土柱的连接采用焊接球支座形式，共设40个支座，下部索杆体系采用莱维型索系，由环向索、径向索和撑杆构成，共设3圈。三亚体育中心体育馆重庆渝北体育馆 弦支穹顶结构平面近似为三角形，单边最大跨度达81m，矢高8m，矢跨比为1/10。上部网壳结构最内圈采用正六边形单榀桁架做压环，下部的索杆预应力支撑体系中撑杆采用圆钢管，环向为索，径向为钢拉杆，一共

25、布置了5道环向索，为了增加结构的环向稳定性，在上部刚性网壳对应的三个脊上均设计了斜向支撑，相应的下部索杆支撑体系对应部位也设计了斜向拉杆。重庆渝北体育馆大连市体育馆 该弦支穹顶圆形屋面呈螺旋形，上部为辐射式桁架结构，跨度为145.4m116.4m，上部辐射桁架结构采用倒三角形桁架，下部张拉整体部分布置了3圈，其中撑杆均采用,37714的钢管，内环向索采用单索，索直径95mm；中环索采用双索，单索直径95mm；外环向索采用双索，单索直径105mm；内径向索和中径向索采用单索，采用单索直径为80mm；外径向索也是单索，单索直径105mm。大连市体育馆3 弦支穹顶存在的问题 3.1网壳网格形式与尺寸

26、确定网壳网格形式与尺寸确定 3.2风荷载对弦支穹顶的影响风荷载对弦支穹顶的影响 3.3弦支穹顶的张拉方案弦支穹顶的张拉方案 3.4弦支穹顶的预应力弦支穹顶的预应力 3.5弦支穹顶结构温度效应研究弦支穹顶结构温度效应研究 3.6弦支穹顶结构节点设计研究弦支穹顶结构节点设计研究 3.7弦支穹顶结构索滑移模拟研究弦支穹顶结构索滑移模拟研究 3.8超大跨度弦支穹顶结构的设计研究超大跨度弦支穹顶结构的设计研究 3.9弦支穹顶结构索力的测试及其补偿技术研究弦支穹顶结构索力的测试及其补偿技术研究3.1网壳网格形式与尺寸确定网壳网格形式与尺寸确定 合理的单层网壳网格形式与尺寸确定、与网格相适应的撑杆与拉索的布

27、置方案、恰当的预应力设计值在改善结构受力性能和综合经济指标上起着重要作用。因此对弦支穹顶结构进行形状优化是必要的。3.2风荷载对弦支穹顶的影响风荷载对弦支穹顶的影响 目前对弦支穹顶结构的研究多集中静力性能、稳定性能和抗震性能方面的研究，对其在风荷载作用下的受力特性的研究还比较少。然而，由于结构覆盖面积大，在结构自重和边界条件不足以抵抗风荷载的情况下，可能导致结构整体破坏；在往复的风振作用下也可能会导致构件节点的疲劳破坏。因此对弦支穹顶结构的风振响应需要引起足够重视。3.3弦支穹顶的张拉方案弦支穹顶的张拉方案 理论上弦支穹顶结构的施工张拉有多种不同的方案，但针对实际结构弦支体系特点， 存在较优的

28、方案，因此针对具体工程应进行多方案的对比，确定拟施工张拉方案和步骤，并进行施工全过程模拟分析，用以指导实际工程的施工张拉。3.4弦支穹顶的预应力弦支穹顶的预应力 预应力是影响弦支穹顶结构性能的重要因素。考虑到实际结构在制作与施工过程中由于杆件下料、安装等误差的存在，张拉成型时结构预应力状态与设计初始态总存在不同程度的误差，进而影响结构性能，所以应对弦支结构的预应力误差敏感性进行分析，对实际结构应进行模型修正分析。3.5弦支穹顶结构温度效应研究弦支穹顶结构温度效应研究 弦支穹顶结构的温度效应研究包括两个方面的内容：即施工阶段和使用阶段。施工阶段的温度变化在某种程度上会引起温度应力，并且在预应力张

29、拉施工阶段，会引起预应力张拉误差，使得最终得到的预应力与设计预应力出现极大偏差。因此弦支穹顶结构的温度效应要比单层网壳的严重复杂的多，但是目前关于这方面内容却鲜有文献涉及。3.6弦支穹顶结构节点设计研究弦支穹顶结构节点设计研究 理想状态下的弦支穹顶，其撑杆与上部单层网壳的连接应该是铰接，而目前实际工程中大部分是半刚性连接，因此有必要对节点的半刚性，对结构整体性能的影响进行深入研究，并设计出满足计算假定的撑杆上节点；另外对于弦支穹顶结构的中索撑节点，其理想状态应该是施工张拉阶段保证索与节点间的无摩擦滑移，而在使用阶段要保证索与索撑节点间不出现滑移现象，但实际工程中却难以实现，弦支穹顶的张拉环向索中预应力的引入，使结构节点相对复杂，撑杆下节点的设计应避免预应力张拉过程中的摩擦损失。节点的安全可靠直接关系到整体结构的安全性。因此针对弦支穹顶结构中的典