维普资讯 http://www.cqvip.com 弦支穹顶体系及其结构动力特性分析 工程建设与设计２００６年第３期 弦支穹顶体系及其结构动力特性分析 林素颐，，杜国良ｚ，马宏， （１．北京工业大学建筑工程学院，北京１０００２２；２．北京国电华北电力工程有限公司，北京 １０００１ １；３．机械工业出版社，北京１０００３７） 【摘 要】弦支穹顶姑构体系是在索杆张力体系和单层网壳基础上发展起来的一种新型复合空间姑构。本文概述了弦支穹顶结构产 生的背景和结构原理，采用ＡＮＳＹＳ程序进行了姑构的模态分析和地震响应分析，得到了弦支穹顶结构体系的动力性能姑果，并将弦支穹 顶结构不施加预应力的情况和预应力作用下结构的动力特性进行了对比分析． 【关键词】弦支穹顶；ＡＮＳＹＳ；预应力；地震响应分析；动力特性 【中图分类号】ＴＵ３９１ 【文献标识码】Ａ 【文章编号１１００７－９４６７（２００６）０３－００１９￣３ １弦支穹顶由来及体系的组成和工作原理 结构造价将因此而降低，同时使弦支穹项在跨越更大跨度 方面具有较大的潜力。 ２０世纪７０年代至８０年代，国外大跨空间结构得到快速 ２１通过对索施加预拉力，上部单层球面网壳将产生与荷 的发展，涌现出许多创新结构，如张弦立体桁架、索穹顶、索 载作用反向的变形和内力，使弦支穹顶结构在荷载作用下 膜结构等，尤其以索膜结构最受青睐，但由于专利权制约推 的杆件内力和节点位移均小于相应的单层球面网壳。 广应用较少。为了克服技术上的困难，一些学者考虑以刚性 ３１调整环索的预拉力，可以减小甚至消除弦支穹项对下 上弦代替索穹顶中柔索上弦的构思。在对索穹项和单层网壳 部结构的水平推力，使弦支穹项具有更大的适用性。 两种结构的优缺点进行充分的研究后，１９９３年日本川口卫教 ４）作为“弦”的预应力拉索，增大了结构的整体刚度，因 授立足于张拉整体的概念，将索穹顶的思路应用于单层网 此弦支穹项具有更大的稳定承载力，同时使螺栓球等铰接 壳，提出了Ｓｕｓｐｅｎｄｏｍｅ的张弦穹顶（又称弦支穹项）的结构 节点的应用成为可能。 形式【ｌ】。 ５１由于由一定的刚度，弦支穹项结构的设计、施工及节 典型的弦支穹项结构体系由单层网壳、撑杆、索组成。其 点构造和索穹项等完全柔性结构相比得到较大的简化，预 中各层撑杆的上端和单层网壳相对应的各层节点径向铰 应力拉索可以简单地通过伸长撑杆而获得张拉。 接，下端由径向拉索与单层网壳的下一层节点连接，同一层 的撑杆下端由环向箍索连接在一起，使整个结构形成一个 ３弦支穹顶的动力性能分析 完整的结构体系。结构的传力路径非常明确，结构最初建成 ３．１算例分析 时，通过对索施加预拉力，减少结构在正常使用荷载作用下 采用长轴６．７ｍ，短轴５．１ｍ，矢高０．６５６ｍ的双椭圆形弦 上层单层网壳对支座的推力。在结构受外来荷载作用时，内 支穹顶模型，上部结构为联方形单层网壳，采用ＡＮＳＹＳ有 力通过上端的单层网壳传到下端的撑杆上，再通过撑杆传 限元软件，周边沿竖向为链杆，其它方向自由滑动，在一个 给索，索受力后，产生对支座的反向推力，使整个结构对下 支座处设置三向铰支座。另一支座处设置两个方向的约束， 端约束环梁的横向推力大大减少。与此同时，由于撑杆的作 消除结构的刚体位移，第一至第五道环索预应力比值为５： 用，减少了上层单层网壳各层节点的竖向位移和变形，较大 ４．２５：３．２５：２．２５：１，第一环即最外圈环索的预应力值为１６００Ｎ。 幅度地提高了结构的稳定承载能力。 计算模型采用梁单元、拉压杆单元和只拉杆单元进行分析， ２弦支穹顶的特点 以ｌｉｎｋｌ０单元作为弦支穹顶中径向索和环向索单元，用 ｂｅａｍ１８８单元作为单层网壳的杆件单元，撑杆单元用 从结构体系上看，弦支穹顶作为刚、柔结合的新型杂交 ｌｉｎｋ１８０，钢管的弹性模量Ｅ。：２．１×１０“Ｎ／ｍ ，索的弹性模量 空间结构，与单层球面网壳结构及索穹项等柔性结构相比， ＝１．９６×１０１ｌＮ／ｍ２。仅考虑竖向均布荷载，外荷载设为 具有如下特点： １．５ｋＮ／ｍ２，等效到节点上为１０ｋＮ，对初始应力采用加温差的 １１弦支穹项是一种异钢种预应力空间钢结构，其中高强 方法来施加。 度预应力拉索的引入使钢材的利用更加充分，结构自重及 ３．２白振特性分析［２ 结构的自振特性是其本身固有的极其重要的力学性 【作者简介】林素颐（１９７５￣），女，湖南洞口人，在读硕士研究生，从事 能，又是衡量一个结构质量和刚度是否匹配、刚度是否合理 预应力钢结构与抗震研究．（Ｅ—ｍｉｎｉ）ｔｅｄｍｍ＠ｓｉｎａ．ｃｏｒｎ １９ 维普资讯 http://www.cqvip.com 工程建设与设计２００６年第３期 的重要指标。此外，准确把握结构的自振特性还能避免与动 力荷载发生共振的危险，因此，对弦支穹顶结构进行自振特 性分析具有重要的意义。 弦支穹顶结构的自由度数量很大，通常前面若干个低 阶自振频率和相应的振型对结构的位移和内力的贡献占绝 对优势，所以在分析时只提取前２Ｏ阶自振频率。需要说明的 是，结构的自振特性是结构自身的固有特性，只与结构的自 重、刚度及质量分布等因素有关，但是在实际工程计算中， 往往把作用在结构上的荷载也考虑进去，这样做实际上是 …种偏于安全的做法，因为结构等效质量加大，结构周期必 然有所增大，结构表面上会显得更柔，促使设计者适当增加 结构的刚度以满足设计要求。 通过对该算例进行自振特性分析，得出各阶频率和相 应振型，把握结构的基本自振特性，并对有预应力和无预应力 的情况进行比较，分析其对结构自振特性的影响，从而得出 …些有益于结构设计的结论。用ＡＮＳＹＳ进行模态分析提 取前２Ｏ阶自振频率［３】，见表１，无预应力弦支穹顶结构前ｌＯ 阶振型见图１。有预应力弦支穹顶结构前ｌＯ阶振型见图２。 图１无预应力时弦支穹顶前１Ｏ阶振型 建筑与结构设计 表１结构前２０阶自振频率 无预应力自振频率，Ｈｚ无预应力自振频率肫 ３３．６６３ ３１．２０３ ４０．１４３ ４３．０１３ ０４．７０４ ４５．１８１ ４３．２９４ ４５５２３ ４３五１８ ５０．５９４ ４９．７３９ ５４．９９２ ５２．０３０ ５５．２９９ ５３．２Ｏ３ ５６．８９６ ５３．５ｌ６ ５８．２０９ ５４．８３３ ６４．９２ｌ ５５．５３Ｏ ６６．ｇ４２ ６１．２８３ ６７．６５７ ６１．８３Ｏ ６７－９ｌ２ ６３．２３４ ８９－９５４ ６３．３ｌ２ ７５．７８ｏ ６５．１９９ ７矗ｌｌ６ ６６．７５０ ７７．３６５ ６７．９９４ ７８．６１２ ６８．７３５ ８２．７５０ ６９．２８７ ８３．３２５ 圈２有预应力时弦支穹顶前１Ｏ阶振型 ３．３地震响应分析Ⅲ 目前应用于结构地震反应分析的理论方法主要有反应 维普资讯 http://www.cqvip.com 弦支穹Ｉｉｌｉ体系及其结构动 Ｊ特性分析 谱法和时间 程分析法 振型分解反虚谱法主要是根据振 【程建设与泄计２００６年第３期 Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆＳｕｓｐｅｎｄｏｍｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ＬＩＮＳｔｍ－ｙｉ‘，ＤＵＧｕｏ・ｌｉａｎｇ２，ＭＡＨｏｎｇ３ 型分解原理。将』ｖ个多质点体系的复杂结构振动分解为，ｖ 个的等效单质点体系的振动，利用抗震设计反应谱首 先求出前有Ｉｆ匣个振型的堆大地震反应．然后按照一定的组 合法ｌ４ＩＩ，求出结构地震的总反应 这‘分析方法比较简便， 也可｛５Ｉ｝证多数结构的抗震强度和变形。本例分析采用反应 请法 假定结构阻尼比为０．０２，输入ＥＬＣＥＮＴＲＯ地震波位移 反应谱．用ＡＮＳＹＳ进行谱分析。 ．（１．Ｂｅｉｊｉｎｇ ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００２２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｎｏｍｈ Ｃｈｉｎａ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｂｅｉｊｉｎｇｃｏ．Ｌｔｄ，１０００１ １； １０００３７，Ｃｈｉｎａ；３ Ｃｈｉｎａｍｅｃｈｉｎｅｐｒｅｓｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００３７。Ｃｈｉｎａ） 【Ａｂｓｔｒａｄ】Ｓｕｓｐｅｎｄｏｍｅ ｉｓ ａ ｆｌｅｗ ｈｙｂｒｉｄ ｓｐａｃｅ ｓｔｕｃｔｒｕｒｅ， ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｅ ｏｆ ｃａｂｌｅ—ｓｔｒｕｔ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｕｃｔｔｔｒｃ ａｎｄ ｓｉｎｇｌｅ－ｌａｙｅｒ ｄｏｍｅ ｓｌｒｕｃ￣ｅ ｈ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｓｕｓｐｅｎｄｏｍｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｅ ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓａｎｄ ｓｅｉｓｍｉｃａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅ ｓｌａ＇ｕｅｔｕｒｅ ａｒｅ ｃａｒｒｉｄＯＵｔ ｅ３ ４计算结果分析 １）结构的自振频率较为密集，有些相邻振型的频率非 常接近。 ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ＡＮＳＹＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｈｅ ｓｕｓｐｅｎｄｏｍｅ．ｔＴｈｅ ｄｙｎａｒｃｉｃ ｐｒｏｅｎｉｅｓ ｏｆ ｓｕｓｐｅｎｄｏｍｅ ａｒｃ ｃｏｐａｒｅｄｉｎｕｎｐｒｅｓｔｒｃｓｓｆｏｒｃｅａｎｄｐｒｅｓｆｅｓｓｆｏｒｃｅｔｏｓｕｓｐｅｎｄｏｍｅ ２）与不加预应力弦支穹顶结构相比．施加预应力的弦 支穹顶结构备阶自振频率有所提高．可见施加预应力对结 构的自振特性有一定的改善作用。 ＩＫａｙｗｏｒｄｓ］ｓｓｐｅｎｄｕｏｍｅ：ＡＮＳＹＳ，ｐｒｅｓｆｅｓｓ ｆｏｒｃｅ；ｓｅｉｓｍｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｄｙｎａｍｉｃｆｅａｔｕｒｅｓ ３）由图１与图２中结构的前ｌ０阶振型可见．弦支穹顶 结构的振型包括了水＿甲向振动、竖向振动和扭转振动 ４）基于以上分析可知，弦支穹顶结构频谱密集．振动复 杂．表现为水平和竖向振动变替出现，个别振型伴有扭转振 动，故仅由自振特性报难看出其在地震作用下的动力响应 Ｉ收｛ｊ｜日期］２Ｏ０５．１０－０８ 是以哪个方向为主，也不能确定结构的振动是以哪个振型 为主。对弦支穹项结构在振型组合时应该考虑尽可能多些 振型的叠加。一般取前２Ｏ阶振型来汁算 ５）施加预应力弦支穹顶结构在 向地震作用下的节点 最大位移软无预应力结构的塌大位移减小 施加预应力弦 支穹顶结构的单元照大应力也比无预应力结构的单元堆大 应力降低。由此可见，弦支穹顶结构中预应力索对抗震性能 的改善起了一定作用．它降低了单元中的最大应力．尤其对 晟外圈单尤的作用更为明显ｍ 相关键接 ４结语 １）通过对弦支穹项的模态分析，得出了结构备阶频率 承担国家大剧院党伴制结构］．牲建造任务的江闸匿工 董事＆陈盒海宣布ｔ４００ｔ鳜的 批聊环鳟１年旬件已经建ｊ盘完 成．将堵往北京．井在现场吊装．重诂６４７５ｔ的国家大剧航糖 个先体锅蛄构．预计将在年ｆＩｊ建ｌ臆完成。诚锶站构求嘣向长轴 跨度２１２ ２ｍ．是目阿世界 最大的穹项ｆ见圈１ 嘲寡丈剧院位于北京人民大会盘西幔Ｉ．西睦虫撕以南． Ｉ 地面机ｔ１．９ｈ ．总建筑瑚积ｌ５ｘｌＯ，ｍ￣．总投资为２６ ９亿 元。在东两向长轴跨度２１２．２ｍ、 訇北阿斑轴舛窿Ｉ４３ ６４ｒｃ、高 度为４６ ２８５ｍ的椭球形穹丁Ⅲ下．将醴造歌剧院、音乐厅和戏剧 和振型．施加预应力弦支穹顶结构与无预应力弦支穹顶结 构相比．自振频率略有提高，二者的振型无本质区别。 ２）通过埘其进行地震反应分析得知，弦盘穹顶结构中 的张拉整体部分改善了结构的受力．预应力索对抗震性能 的改善起了相当大的作用．使得结构中大部分杆件的最大 内力有所降低．最大节点位移也减小。 ｆ●考立献】 院三株建筑。椭球形屋面主婪采用铁金属槛饰面．ｒｐ部为新开 戏玻璃蘑墙，整个穹顶的面积为３￣ｌＯ＇ｍ：，大约足ｌ 海大剧院 耀顶＿鲕秘的３僻。 Ｉｌ】际 华．豫支穹顶缔构体系敏其结构特性分析【Ｊ】．建筑结构． ２００４・３４（５１．３８～４ｌ 【２１崔晓强．郭彦林．弦支穹项结构的抗震性能研究［Ｊ】地震工程与工 振动．Ｆｅｂ ２００５．２５（１）ｌ６７￣７５ １３】睐忠华．郭云．李阳．弦直穹嘎结构预应力及动力性能理论与试验 ． 嗣象太删院由ｊ盎国著名建筑师保岁－安德静｛ 持设计－ 江南氪工芯经瑚！黄成穗舟耋日说．由于浊矗只承担了概念设计 等．因此．江南重工实际Ｊ：还承抛了施工搜计的任务。黄成穗 说．江南重工通过引进江南遗船的”柑度造船。技术．使用计 算机辅蚰设计．大大提高丁设计和制造辅虚．完全有把搬 辅 度近顶 ，早Ｈ建成世抖一ｆｊＩｃ的围家大 院壳结构１ ・ 摘自披汇报》２００３＂－０￣－Ｉ１ 研究【 建筑缔构・２００４ｔ¨【５）ｔ４２￣４５ 【４】郭云．弦支穹顶结构ｌ形卷分析、动力性能及睁动力试验研究【＾］．天 津大学研究生毕业论文［ｅｌ ２００３。９９～１０６ 『５１陆蝎一．尹思明，刘锝包现代预成力钢结ｇＩ［Ｍ］４ｔ，ｇ，人ｆ圣变通出版 址，２００３ Ｊ．ＬＪ止Ｊ ．“Ｊ止— Ｌ Ｔｈｅ Ｓｕｓｐｅｎｄｏｍｅ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄＤｙｎａｍｉｃ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
