大跨空间结构论文

张拉整体结构（tensegrity system）的概念最早是由美国著名建筑师富勒在20世纪40年代提出的。所谓张拉整体体系就是一组不连续的压杆与一组连续的受拉单元组成的自支撑、自应力的空间平衡体系。这种结构体系的刚度由受拉索和受压单元之间的平衡预应力提供，在施加预应力之前，结构几乎没有刚度，并且初始预应力的值对结构的外形和结构刚度的大小起着决定作用。 富勒认为宇宙的运动是按照张拉整体的原理运行的，万有引力是一种平衡的张力网，而各个星球是这个网中互相独立的受压体。自然界中总是趋于有孤立的压杆所支撑的连续的张力状态，大自然符合“间断压连续拉”的规律，我们一定能制造出基于这个原理的结构模型。

在张拉整体结构体系的发展中，多面体几何构成了张拉整体几何研究的基础，结构拓扑的研究完善了张拉整体体系的形态学内容，特别是过去的十多年中，力学方法得到了长足的发展，逐步建立起了模型制作的理论框架。由于张拉整体体系固有的符合自然规矩的特点，最大限度的利用了材料和截面的特性，因为可以用尽量少的钢材建造超大跨度的空间。张拉整体体系的刚度是受拉索与受压单元之间自应力平衡的结果而与外界作用无关。

张拉整体体系从最初的设想到工程实践，大约经过了以下几个阶段：想象和几何学、拓扑和图形理论、力学分析及试验研究，其中力学分析包括找形（form-finding）、自应力准则、工作机理和外力作用下的性能等。

在张拉整体几何学方面做出重要贡献的是富勒和艾默里奇。因为主要从形态学的角度出发，所以这些几何学上的工作多以多面体几何为基础。富勒构思了一种由三角形网格的索网组成的张拉整体穹顶（tensegrity dome），于1962年申请了专利，这也是有关张拉整体结构的第一个专利。在这项专利中，富勒详尽的描述了他的结构思想，即：在结构中尽可能减少受压状态，因为受压存在屈曲现象，张拉整体使结构处于连续的张拉状态。

1963年，在艾默里奇在他的专利中给出了张拉整体的另一个定义：张拉整体结构由压杆和索组成，其组成方式使压杆在连续的索中处于孤立状态，所有压杆都必须严格地分开同时靠索的预应力连接起来，结构整体不需要外部的支撑和锚固，像一个自支承结构一样稳定。艾默里奇的张拉整体模型，它们由一些基本单元构成，这些基本单元可以由三根以上相互独立的压杆和九根以上的拉索组成，最常用的压杆数有三根、四根、六根等，其基本单元如图，这些单元都是由多棱柱单元旋转变换形成。艾默里奇详细的描述了张拉整体结构基本单元体的类别：并列单元体、穿插单元体、交插单元体，并把张拉整体棱柱或截锥体连接在一起构成 平面或者曲面的双层张拉整体网格。

维尔耐（O.Vilnay）扩大了单元体的范围，引进无限张拉整体网的概念，设想出多种形式的张拉整体体系的几何拓扑构造方案，并创造了单层网格穹顶。维尔耐穹顶与富勒穹顶很相似，索网均为单层，位于壳体外侧，内侧全为压杆。但是，在富勒穹顶中，随着跨度的增加，杆件之间很容易相互碰撞，而维尔耐穹顶突破了富勒穹顶中杆件位于多面体边上的限制，因此杆件可以做的较长，解决了杆件相碰撞的问题，但不足的是杆件较长，难于保证杆件自身的稳定。 法国的莫特罗把张拉整体棱柱体单元的节点连接起来，形成了双层张拉整体结构。由于莫特罗在组装双层张拉整体结构时把棱柱的顶点直接连接起来，虽然做成的结构从加工、制作、安装以至造价都有相当的优势，但因其压杆相互连接而离开了压杆相互独立的原则，所以这样的结构只能算是一种类张拉整体的体系。

与莫特罗的工作相对应，以色列的汉纳严格按照张拉整体的概念，把张拉整体的单元体组装起来时保证了杆件的非接触特点，形成了大量的张拉整体结构形式。汉纳提出了连接三种不同的T棱柱的方法：顶点对顶点连接、顶点与索连接、索与索连接。他还利用T棱柱组成了双层张拉整体穹顶结构。

2.张弦结构

张弦结构是一种由刚性构件上弦、柔性拉索下弦、中间连以撑杆形成的混合结构体系。根据刚性上弦的不同构成，张弦结构体系可分为张弦梁、张弦平面桁架、索成网壳等多种结构形式。张弦结构体系简单、受力明确、结构形式多想、充分发挥了刚柔两种材料的优势，并且制造、运输、施工简捷方便，因此具有很好的应用前景。

张弦结构体系中最早出现的张弦梁结构（beam string structure）当跨度较小时，可采用直梁；跨度较大时则采用拱、桁架等形式。张弦梁结构体系的提出距今已有一段时间，但在国内外大量应用并将其跨度做到100m以上还是近些年来的新动向。张弦梁结构体系可以根据建筑平面及结构受力的需要采用单向、双向或多向布置，是目前大跨度结构形式中一种可行的方案。

张弦梁结构的受力机理为：通过在下弦拉索中施加预应力使上弦压弯构件产生反挠度，结构在荷载作用下的最终挠度得以减小，而撑杆对上弦的压弯构件提供弹性支撑，改善结构的受力性能。上弦的压弯构件一般采用拱梁或桁架拱，在荷载作用下拱的水平推力由下弦的抗拉构件承受，减轻拱对支座产生的负担，减小滑动支座的水平位移。由此可见，张弦梁结构可充分利用

高强索的强抗拉性改善整体结构受力性能，是压弯构件和抗拉构件取长补短。协同工作，达到自平衡，充分发挥了每种构件材料的作用，是大跨空间结构中典型的刚柔结合的混合结构体系。 在日本和德国等国家，张弦梁结构从中小跨度到150m的大跨结构都有所应用。

我国近年来陆续展开了对张弦梁结构体系的研究，并在一些大跨度工程中获得应用。我国上海浦东国际机场航站楼的钢屋架率先采用了这种结构形式。航站楼共有四种跨度的张弦梁，覆盖进厅、办票厅、商场和登机廊四个大空间，分别简称为R1、R2、R3和R4，其支点水平投影跨度依次为49.3m、82.6m、44.4m和54.3m。张弦梁的上弦拱由三根平行的箱型钢管通过短管相连而成，下弦索采用高强度钢缆，撑杆采用圆钢管。撑杆上端与上弦拱的连接构造为：平面内为完全铰，平面外由两块钢板相挟一限制其转动。撑杆下端嵌有一高强穿心钢球，由该球扣紧下弦索。跨度最大的R2屋架的构件布置和截面见图。

广州国际会议展览中心屋盖是目前国内跨度最大的张弦桁架结构，其预应力张弦钢桁架跨度达到126.6m，跨中高13m，每榀桁架间距15m，每六榀桁架组成一个单元共有五个单元，覆盖了90m*130m的无柱大跨空间。广州会展中心张弦桁架的特点是采用了空间立体钢桁架的形式，因此可以跨越较大的空间。桁架截面为三角形，宽度为3m，高度为2--3m，桁架的上弦为2Φ457×14mm的钢管，下弦为Φ480×（19~25mm）的钢管，腹杆为Φ168×6mm和Φ273×9mm的钢管。撑杆采用Φ325×7.5mm的圆钢管，撑杆高度为3.537~10m。拉索为337Φ7的外包高密度聚乙烯扭铰型拉索，两端采用冷铸锚。每个单元的六榀桁架之间通过檩条和屋面纵向支撑连接为整体，檩距为5m，主檩条为H500×200×10×16的H型钢，屋面支撑采用Φ219×6.5的钢管。 3.预应力拱架结构

20世纪80年代，澳大利亚的科研人员研发出一种新型大跨度空间结构体系--STRARCH。根据其结构构成和施工特点，我们称这种体系为整体张拉预应力拱架结构。STRARCH建筑体系是澳大利亚斯塔国际有限公司的预应力钢结构专利技术，利用该项技术已在世界各地建造了80余座建筑，我国的海口美兰机场维修机库和广州白云机场机库即采用ATRARCH专利技术。

整体张拉预应力拱架结构以其简单的构造和快捷的施工赢得了各国工程界的广泛关注，一个跨度100m左右的机构采用该项技术进行施工，现场张拉成形仅需一个工作日即可完成。ATRARCH系统的核心技术室将建筑物的施工与提升过程合为一体。一个典型的STRARCH拱架的现场成形过程如图所示，首先将工厂制造的拱架段在工地现场地面上组装成整体，然后利用千斤顶张拉设在拱架下弦套筒中的拉索，通过拉索的张紧与加力使拱架一端的滑动支座向内滑动，并使上弦伸长、下弦缩短，张拉终止就位后形成了最终的拱架。

通常，整体张拉预应力拱架结构由若干榀平行的STRARCH拱架构成，纵向通过檩条、屋面构件及屋面板连接形成整体。结构施工时，将数榀拱架同时在地面上用装配支架就位，在拱架之间铺设屋面构件、支撑、墙梁等纵向构件，将同步张拉的几榀拱架连城整体，形成空间体系。然后将数榀拱架进行同步整体张拉，张拉完成后，固定滑移支座，封闭张拉索头，通过下弦套筒的预留孔对下弦灌注水泥沙浆，最终拧紧所有松动螺栓形成结构整体。 一榀典型的STRARCH拱架由若干个拱架段在现场拼装组成，每个拱架段在工厂预先装配成整体后运到现场。有两种类型的拱架段，即固定拱架段和可动拱架段，固定拱架段位于柱腿和拱架的端部，在张拉过程中保持为刚体，不改变形状，可动拱架段位于拱架的中部，其下弦节间之间留有空隙，为张拉过程中下弦内缩提供位移量，张拉结束后空隙闭合。为保证张拉过程中的

稳定性，下弦节间之间空隙接合处采用套管装置进行连接。考虑到所有杆件在预应力或受载阶段都有可能受压，因此杆件皆选用对称封闭截面以保证有良好的力学性能及等稳定性，如上弦选用方钢管，下弦选用一对圆管（或矩形钢管）、腹部采用圆钢管或方钢管等。拉索沿下弦杆中穿过，于一端固结在柱腿上，另端连接于液压千斤顶上，张拉后灌浆固结是下弦与拉索联接一起整体受力。

与传统的大跨度钢结构相比，STRARCH体系具有如下四个方面的明显的优势：

第一，节省材料。如我国的海南航空公司海口基地1号维修库房由于采用了该项技术，用钢量仅为660t，较普通钢结构1100t的用钢量节省了40%。

第二，施工速度快，采用该项技术，不仅构件全部由工厂预制，而且当数榀桁架在地面支架上安装就位后，在张拉之前就可将内部的照明灯具、雨水虹吸装置、消防喷淋系统、起重梁、以及屋面设施如：檩条、系杆、网板、玻璃棉保湿层、屋面板、屋面压缝板、雨水沿沟、通风口、避雷设备等装置一一安装完毕，然后同时张拉全部桁架，成形后接通水电，结构便可以交付使用。全部施工过程比普通钢结构施工可至少节约一半的时间。

第三，构造简单，施工难度小。从截面形式上看，结构的上弦由方钢管构件，其他构件由普通钢管构成。从基础连接上看，结构一侧柱脚由销轴与基础铰接，另一端柱脚沿水平滑道滑行。从基础设计上看，由于张拉成形后结构中上弦压力和索拉力互相平衡，因此柱脚对基础没有推力作用。从施工难度上看，大多数构件的安装无须现场精确定位，无须使用脚手架，所有施工项目都在接近地面的较低位置上进行。

第四，受力性能合理，稳定性好。该类体系属于预应力钢结构，可以充分发挥材料的潜能。由于结构用料节省，自重很轻，因此结构具有优良的抗震性能。另外，上弦张拉成形过程中储存的巨大预应力决定了结构几乎不会失稳。

全面掌握整体张拉预应力拱结构的技术需要对结构的成形阶段和工作阶段分别进行分析，而张拉成形过程的控制是其技术的关键所在。张拉成形过程中结构的基本特征是大变形，大部分结构的上弦将因为自身的大应变而进入塑性区，因此理论分析的基本工具室综合考虑几何非线性和材料非线性的有限元方法。

STRARCH结构体系的主要应用时飞机的维修机库，同时在各种仓库、厂房、商场、运动场馆中也有较多应用。