李國東 劉晚成*

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

·結(jié)構(gòu)·抗震·

單元自平衡預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)及其研究進(jìn)展★

李國東 劉晚成*

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

介紹了單元自平衡預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格的設(shè)計理念、受力機(jī)理和結(jié)構(gòu)特點，總結(jié)了單元自平衡預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)形態(tài)、成型方法、靜動力性能等方面的研究現(xiàn)狀，指出結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的試驗研究、結(jié)構(gòu)成型技術(shù)研究以及結(jié)構(gòu)動力性能研究是單元自平衡預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)理論體系深化研究的關(guān)鍵課題。

網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力，自平衡

網(wǎng)架、網(wǎng)殼等空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)具有受力合理，技術(shù)成熟，施工安裝方便，建筑造型美觀等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在體育館、展館、大劇院等大型公共建筑中。隨著網(wǎng)格結(jié)構(gòu)跨度的顯著增大，高應(yīng)力壓桿的穩(wěn)定性和拉桿的大形變成為控制結(jié)構(gòu)截面設(shè)計的主要指標(biāo)，在保證空間結(jié)構(gòu)的整體剛度的情況下，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的用鋼量和工程造價將顯著增高。為改善網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在大跨度建筑中應(yīng)用的局限，預(yù)應(yīng)力技術(shù)被引用到空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)上，通過支座位移或張拉預(yù)應(yīng)力拉索的方法，可以在傳統(tǒng)的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中建立預(yù)應(yīng)力效果，進(jìn)而實現(xiàn)減少用鋼量、改善構(gòu)件受力狀態(tài)、降低應(yīng)力峰值、增大結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性的良好效果。以預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用為特征的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新研究已成為空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的熱門課題之一。

1 單元拼裝式自平衡預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

單元自平衡預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系就是一種遵循“間斷拉、連續(xù)壓”原理的新式空間結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)通過全新的結(jié)構(gòu)單元體實現(xiàn)結(jié)構(gòu)骨架承力所需的連續(xù)“壓”與體系傳力所必須的不連續(xù)的“拉”之間的協(xié)調(diào)性。結(jié)構(gòu)的基本單元體采用高強(qiáng)度的柔性拉索來替代經(jīng)典網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中的剛性上、下弦桿，為保證結(jié)構(gòu)的空間形態(tài)，在單元體內(nèi)設(shè)置了支撐拉索的剛性壓桿，當(dāng)拉索緊繃時，結(jié)構(gòu)單元體被撐起，形成具有剛度的空間結(jié)構(gòu)單元。結(jié)構(gòu)基本單元體成型后是自平衡的，通過對結(jié)構(gòu)基本單元體的拼裝組合可以形成任意造型的自平衡式的預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)體系。

結(jié)構(gòu)的基本單元體可以是立方體結(jié)構(gòu)單元、四面體結(jié)構(gòu)單元、三棱柱結(jié)構(gòu)單元等規(guī)則的空間幾何體，也可以根據(jù)結(jié)構(gòu)需求設(shè)計成為不規(guī)則的幾何體，其尺寸可根據(jù)工程的荷載工況、結(jié)構(gòu)跨度和節(jié)間大小靈活選用。

結(jié)構(gòu)的成型理念上與張拉整體結(jié)構(gòu)體系相類似，所不同的是這種網(wǎng)格體系遵循著“連續(xù)壓、間斷拉”的剛性結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)特性，部分柔性拉桿的失效不影響結(jié)構(gòu)的整體工作穩(wěn)定性。與既有的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)相比，這種結(jié)構(gòu)體系具有以下典型的特點：

1)結(jié)構(gòu)體系中的預(yù)應(yīng)力是自平衡的，預(yù)應(yīng)力的施加不依賴索塔或結(jié)構(gòu)的受壓剛性環(huán)。

2)結(jié)構(gòu)體系由索、桿單元體組成，柔性拉索對上、下弦桿的替換不改變結(jié)構(gòu)體系的剛性方案，保留了經(jīng)典網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在空間造型上的優(yōu)勢。

3)結(jié)構(gòu)單元中構(gòu)件的強(qiáng)度潛能在預(yù)應(yīng)力的效果下得以充分發(fā)揮，體系的自重極輕、撓度可控，可以滿足超大跨度、超大空間的建筑需求。

4)結(jié)構(gòu)成型過程獨特，結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力度的建立無需整體張拉，可以采用分段成型建立結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力度，成型過程中結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力度實施準(zhǔn)確、監(jiān)測方便。

5)結(jié)構(gòu)中的多數(shù)桿件接近理想的二力桿，受力簡單，易于保證分析計算的可靠性。結(jié)構(gòu)屬于多次超靜定體系，個別構(gòu)件的破壞不會影響結(jié)構(gòu)的安全性，且方便維修。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 結(jié)構(gòu)的形態(tài)研究

理論上，剛性方案的結(jié)構(gòu)可以建造出任意的空間造型，但不同的空間形態(tài)應(yīng)有與之匹配的拓展單元體。文獻(xiàn)[4]針對網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)要求，對采用新型結(jié)構(gòu)體系的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的基本單元體的幾何構(gòu)造進(jìn)行了研究，作者認(rèn)為結(jié)構(gòu)單元體內(nèi)的壓桿最好采用高強(qiáng)度的空心圓鋼管，通過控制壓桿的長細(xì)比來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度潛能的極限狀態(tài)。作者設(shè)計了一種如圖1所示的鉆石狀的多面球體節(jié)點，可以很好地解決多根壓桿在單元體核心處連接問題。按照作者的觀點，新型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的單元體在幾何形狀上可以借鑒既有的成熟網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的構(gòu)型，在不侵占結(jié)構(gòu)內(nèi)、外部空間的前提下實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)合理的大跨度應(yīng)用。研究還表明，在單元體的構(gòu)造上，只要適當(dāng)調(diào)整壓桿長度、單元的布置方式、壓桿的連接形式以及壓桿間隔節(jié)點的數(shù)目等，就可以組建出各種改進(jìn)的網(wǎng)格式空間造型。此外，從結(jié)構(gòu)的形態(tài)學(xué)上分析，新型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的內(nèi)部始終處在“間斷拉、連續(xù)壓”的內(nèi)力分布狀態(tài)，理論上可以保證結(jié)構(gòu)體系不會發(fā)生類似于薄殼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞，它的極限狀態(tài)主要取決于桿件的極限狀態(tài)。

在文獻(xiàn)[5]的研究基礎(chǔ)上，對三棱柱結(jié)構(gòu)單元組建超大跨K6扇形3向網(wǎng)格球面網(wǎng)殼的方法進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[6]對棱臺形基本單元組建翹曲形式的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)行了研究。以上研究表明，單元自平衡預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的基本單元體的構(gòu)型完全可以滿足常見網(wǎng)格結(jié)構(gòu)空間造型的拓?fù)湫枨蟆?/p>

2.2 成型方法的研究

單元自平衡預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形狀的維持和剛度的建立完全依賴于拉索的預(yù)應(yīng)力，因此結(jié)構(gòu)成型方法的研究是單元拼裝式自平衡預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用理論研究的基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[4]中針對新型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)單元成型的特點，提出了建立單元體預(yù)應(yīng)力的“絲扣擰張法”，方法實施時，首先把待成型的結(jié)構(gòu)構(gòu)件初裝定位，然后依次將兩端具有絲扣設(shè)計的受壓桿件從桿件交匯的節(jié)點連接件中旋出一定的長度，伸長的壓桿使拉索繃緊，單元體由此獲得剛度。文獻(xiàn)[7]中首次在實驗室實現(xiàn)了“絲扣擰張法”的結(jié)構(gòu)成型過程。試驗結(jié)構(gòu)是一個4 m跨的自平衡預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)由5組0.8 m×0.8 m×0.8 m立方體單元拼裝而成，研究表明，采用“絲扣擰張法”能夠精準(zhǔn)地建立起結(jié)構(gòu)各部所需的預(yù)應(yīng)力數(shù)值。試驗研究證實了絲扣擰張法理論的正確性，凸顯了實施簡便、成型操控性好等優(yōu)點。

2.3 結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的研究

文獻(xiàn)[7]中對一個空間尺寸為4.0 m×0.8 m×0.8 m的梁式網(wǎng)格結(jié)構(gòu)模型實施了靜力加載試驗研究，在節(jié)點均布荷載條件下，結(jié)構(gòu)承載表現(xiàn)穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)跨中撓度和桿件的應(yīng)變監(jiān)測均未顯現(xiàn)出明顯的非線性變形。由試驗所獲得的構(gòu)件內(nèi)力的測試結(jié)果與基于二力桿假定的有限元數(shù)值計算結(jié)果基本吻合，其平均誤差不足10%。

文獻(xiàn)[5][6]對新型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和預(yù)應(yīng)力設(shè)計理論進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[5]中以一座300 m超大跨度的單元自平衡預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)為研究對象，采用非線性有限元方法對該網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，并采用了二階段分析方法對該網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力設(shè)計分析，結(jié)果表明，在豎向荷載作用下，網(wǎng)殼的外環(huán)處的環(huán)向索和豎向索的軸力較大；由工況改變引起的桿件應(yīng)力增(卸)載現(xiàn)象在設(shè)計中需引起重視。

文獻(xiàn)[8]對單元自平衡預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，用于有限元數(shù)值分析的結(jié)構(gòu)模型是一座100 m跨的K6型凱威特型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，計算時考慮了荷載的作用方式和結(jié)構(gòu)的幾何非線性等因素對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的影響。

文獻(xiàn)[9]在大跨度自平衡預(yù)應(yīng)力球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上組合了索穹頂結(jié)構(gòu)，提出一種新型組合空間結(jié)構(gòu)：自平衡預(yù)應(yīng)力球面網(wǎng)殼——索穹頂組合結(jié)構(gòu)，通過一個100 m跨數(shù)值模型結(jié)構(gòu)的算例，對新型結(jié)構(gòu)的受力特性進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示這種結(jié)構(gòu)力學(xué)性能良好。

3 有待深入研究的問題

單元拼裝式自平衡預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)具有獨特的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，結(jié)構(gòu)的剛度特性、耐久性、振動特性以及破壞失效特性等力學(xué)特點與結(jié)構(gòu)構(gòu)造特性的關(guān)聯(lián)性研究是關(guān)系到工程應(yīng)用前景和應(yīng)用質(zhì)量的關(guān)鍵問題。筆者認(rèn)為在現(xiàn)階段可側(cè)重以下科學(xué)問題開展研究工作。

3.1 結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的試驗研究

試驗研究是檢驗結(jié)構(gòu)特性、探索結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用性能最直接可靠的研究方法。目前針對單元自平衡預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的試驗研究僅局限在由少量單元體組成的小型結(jié)構(gòu)上，所獲試驗結(jié)果不足以表征大體量結(jié)構(gòu)體系的宏觀性態(tài)特征，試驗研究在數(shù)量上和規(guī)模上的不足，制約了單元拼裝式自平衡預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)理論體系的建立和工程領(lǐng)域的實踐進(jìn)程。因此，目前迫切的工作之一就是結(jié)合已取得的理論成果開展結(jié)構(gòu)與工程工況相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型實驗，在實驗的基礎(chǔ)上系統(tǒng)地分析單元拼裝式自平衡預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，針對結(jié)構(gòu)性態(tài)反應(yīng)規(guī)律的靜、動力試驗研究將是未來單元拼裝式自平衡預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)研究工作的主導(dǎo)。

3.2 成型技術(shù)的研究

目前用于單元自平衡預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)成型的方法是絲扣擰張法，理論和試驗研究均已證明這是一種簡便、有效的預(yù)應(yīng)力成型技術(shù)。但是絲扣擰張法伸長桿件的幅度是有限的，而且被頂升的節(jié)點構(gòu)件上通常關(guān)聯(lián)多根拉索，一個單元體的成型的過程勢必會造成臨近單元中拉索應(yīng)力的增(卸)載。而且，目前的成型研究未考慮環(huán)境溫度變化、荷載條件的變化、拉索的徐變、蠕變等原因?qū)Y(jié)構(gòu)成型質(zhì)量的影響，為保證單元自平衡預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)建成后的可靠性，必須對新型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)成型過程中的預(yù)應(yīng)力建立工藝、索力的監(jiān)控技術(shù)、預(yù)應(yīng)力補(bǔ)償技術(shù)開展深入的研究。

3.3 結(jié)構(gòu)動力性能研究

工程結(jié)構(gòu)的振動問題通常比較復(fù)雜，結(jié)構(gòu)的風(fēng)振特性和環(huán)境激振下的結(jié)構(gòu)共振特性通常會嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的耐久性和功能適用性。同時為避免結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)、地震作用下發(fā)生危及結(jié)構(gòu)安全的損壞，結(jié)構(gòu)需具備良好的抗風(fēng)性能和抗震性能。單元拼裝式自平衡預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)動力特性的研究目前僅局限在結(jié)構(gòu)自振特性的理論分析上，結(jié)構(gòu)抗風(fēng)、抗震性能的理論研究并未開展，與結(jié)構(gòu)類似的自平衡式預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)、抗震方面的研究成果也不多見，難以為工程應(yīng)用提供可靠的借鑒經(jīng)驗。因此，對單元自平衡預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于工程結(jié)構(gòu)可靠度的動力穩(wěn)定性研究以及抗風(fēng)、抗震性能的理論和試驗研究十分必要。研究工作不僅要分析結(jié)構(gòu)的振動特性，更要闡明結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)、強(qiáng)震條件下的破壞機(jī)理和損壞規(guī)律，提出有效的隔震控振技術(shù)。

4 結(jié)語

1)單元自平衡預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)具有獨特的構(gòu)造，是一種高效的預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)形式，適合超大跨無中柱的空間結(jié)構(gòu)應(yīng)用。結(jié)構(gòu)設(shè)計以構(gòu)件強(qiáng)度作為控制指標(biāo)，通過合理的截面設(shè)計，可以使結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形保持在合理的范圍之內(nèi)。2)單元自平衡預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的成型方法獨特，絲扣擰張法實施簡便、操控性好，可方便地對結(jié)構(gòu)實施多次成型作業(yè)，而且不受工況限制。3)單元自平衡預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的理論體系和工程技術(shù)措施有待完善，目前研究中存在的問題表現(xiàn)在：基礎(chǔ)性試驗數(shù)據(jù)的缺失限制了單元自平衡預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)理論和實踐的發(fā)展；結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)、抗震、動力穩(wěn)定特性的研究不足；結(jié)構(gòu)體系的成型控制技術(shù)有待完善和發(fā)展。

[1] 董石麟.中國空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展與展望[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2010,31(6):38-51.

[2] 陸賜麟.預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展50年(1)[J].鋼結(jié)構(gòu),2002,17(60):32-36.

[3] 陸賜麟.預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展50年(2)[J].鋼結(jié)構(gòu),2002,17(61):45-47.

[4] 翟廣范,劉晚成.單元拼裝式自平衡預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工與安裝[J].森林工程,2006,22(4):52-54.

[5] 劉晚成,周華斌,林 琳,等.超大跨度自平衡預(yù)應(yīng)力索桿球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007,23(4):551.

[6] 劉晚成,李志峰.單元拼裝式自平衡預(yù)應(yīng)力空間網(wǎng)架的仿真分析 [J].低溫建筑技術(shù),2006(7)：90-92.

[7] 翟廣范.單元拼裝式自平衡預(yù)應(yīng)力空間鋼結(jié)構(gòu)的研究[D].哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué),2006.

[8] 范 瑩.自平衡預(yù)應(yīng)力球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析與自振特性分析[D].哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué),2010.

[9] 張博琨,劉晚成.自平衡預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼——索穹頂組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010,26(3):452.

An overview of research development of self-balanced prestressed lattice structure★

Li Guodong Liu Wancheng*

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

Gives a introduction of stress mechanism, structural characteristics and designing idea for self-balanced prestressed lattice structure, summarizes the research status of self-balanced prestressed lattice structure on structural form, static-dynamic performance and forming method, points out that the experimental study on the structural force performance, study on dynamic performance and the investigation of structural forming technology is the key subject for further research of self-balanced prestressed lattice structure.

lattice structure, steel structure, pre-stress, self-balanced

2015-01-13★：中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助(項目編號：DL11BB05)

李國東(1976- )，男，講師

劉晚成(1951- )，男，教授

1009-6825(2015)09-0030-03

TU318

A