弦支穹顶结构的稳定性分析与静力试验研究
|
摘要
弦支穹顶结构是由日本川口卫教授提出的一种新型结构形式，其将单层球面
网壳与张拉整体巧妙组合在一起，充分发挥各自的优点，并能有效遏制原有结构
形式的不足，在大跨度空间结构领域中具有广阔的发展前景。
本文作为天津大学钢结构教研室对弦支穹顶系统研究的一部分，以大型通用
有限元分析软件 ANSYS 为工具，以结构的静力、稳定性理论分析以及现场实物
静力加载试验为重点，对弦支穹顶结构进行了较为深入的研究。
考虑到结构的大变形，对弦支穹顶进行非线性静力分析，重点考察不同结构
矢跨比情况下弦支穹顶的杆件内力、节点变形以及预应力拉索内力变化等静力性
能。
研究各种矢跨比、初始缺陷、拉索预应力设定、节点刚度以及边界条件等结
构参数对弦支穹顶稳定性能的影响，并与相应单层球面网壳作对比分析。研究表
明，矢跨比和节点刚度是影响弦支穹顶稳定性能的首要因素。结构的稳定承载能
力随结构矢跨比的增加而增加；刚接节点弦支穹顶的稳定性能远优于铰接结构，
而且两种节点刚度的结构中预应力拉索的作用表现有所差别。边界条件的不同对
结构的整体稳定性能也有一定的影响。滑动铰支座虽然对于释放温度应力有明显
作用，但和三向支座相比其结构的稳定承载力则有较大的降低。此外，通过对包
含有不同大小初始缺陷的弦支穹顶结构进行的稳定性分析，发现弦支穹顶对初始
缺陷的敏感程度要低于相应的单层球面网壳。
结合天津博物馆实际工程，本文完成了柔性索弦支穹顶和刚性杆弦支穹顶两
类结构的现场实物静载试验，进一步了解在分级加载的状况下实际弦支穹顶结构
的杆件内力、节点变形以及拉索内力的变化。同时将试验数据与理论分析做比较，
以验证理论计算与实际结构的一致性。研究发现，两种结果定性分析比较吻合；
而由于现场实物试验的局限性以及预应力索张拉操作中存在的一定难度，其具体
数值仍略有差别。
最后，本文对弦支穹顶进一步研究以及实际推广中的重点难点加以总结。同
时，也对应用 ANSYS 对大型空间结构进行稳定性分析时的问题提出了自己的理
解。
Suspendome structure system is a new kind of hybrid space structure system
presented by Mamoru Kawaguchi in Japan, which combines single-layer reticulated
shell and tensegrity system. Taking full advantages of two systems and avoiding some
of their shortcomings, suspendome owns a bright future in the area of large span
space structure.
As a part of the systematical studies on the suspendome system by the
steel-structure staff of Tianjin university, this paper, laying the emphasis on the static
and stability analysis and the static field-test, carries out detailed studies of the
structure with the use of the FEM software ANSYS.
Considering structure’s large deformation, non-linear static analysis is carried out
to review the static performance including the internal force, the node displacement
and the change of the internal force of pre-stressed cables.
The influence of different structural factors-- including different rise-span ratios,
initial defects of structure, values and proportions of cable pre-stress, node rigidity
and boundary conditions-- on the structural stability performance, is discussed in
details by contrast with corresponding single-layer reticulated shells. Studies show
that the rise-span ratio and the node rigidity are key factors influencing the structural
stability performance. The bigger the rise-span ratio is, the bigger the value of critical
load is. The stability performance of structures with rigid nodes is far better than that
of structures with pin nodes, and the capabilities of the pre-stressed cables are
different for these two kinds of structures. Also boundary conditions have influence
on the stability performance. Sliding supports make the structural stability
performance much worse than fixed supports. It is also confirmed that the sensibility
to initial defect of suspendome is less than that of corresponding single-layer
reticulated dome.
To find out the real performance of the structure under stepped loads, static field
tests of flexible cable suspendome and rigid bar suspendome are carried out. The
qualitative comparison between test results and theoretical analysis is coherent. Due
to the actual difficulties in the field test and the stretching process of the pre-stress
cables, there still is difference in the detailed quantitative analysis.
网壳与张拉整体巧妙组合在一起，充分发挥各自的优点，并能有效遏制原有结构
形式的不足，在大跨度空间结构领域中具有广阔的发展前景。
本文作为天津大学钢结构教研室对弦支穹顶系统研究的一部分，以大型通用
有限元分析软件 ANSYS 为工具，以结构的静力、稳定性理论分析以及现场实物
静力加载试验为重点，对弦支穹顶结构进行了较为深入的研究。
考虑到结构的大变形，对弦支穹顶进行非线性静力分析，重点考察不同结构
矢跨比情况下弦支穹顶的杆件内力、节点变形以及预应力拉索内力变化等静力性
能。
研究各种矢跨比、初始缺陷、拉索预应力设定、节点刚度以及边界条件等结
构参数对弦支穹顶稳定性能的影响，并与相应单层球面网壳作对比分析。研究表
明，矢跨比和节点刚度是影响弦支穹顶稳定性能的首要因素。结构的稳定承载能
力随结构矢跨比的增加而增加；刚接节点弦支穹顶的稳定性能远优于铰接结构，
而且两种节点刚度的结构中预应力拉索的作用表现有所差别。边界条件的不同对
结构的整体稳定性能也有一定的影响。滑动铰支座虽然对于释放温度应力有明显
作用，但和三向支座相比其结构的稳定承载力则有较大的降低。此外，通过对包
含有不同大小初始缺陷的弦支穹顶结构进行的稳定性分析，发现弦支穹顶对初始
缺陷的敏感程度要低于相应的单层球面网壳。
结合天津博物馆实际工程，本文完成了柔性索弦支穹顶和刚性杆弦支穹顶两
类结构的现场实物静载试验，进一步了解在分级加载的状况下实际弦支穹顶结构
的杆件内力、节点变形以及拉索内力的变化。同时将试验数据与理论分析做比较，
以验证理论计算与实际结构的一致性。研究发现，两种结果定性分析比较吻合；
而由于现场实物试验的局限性以及预应力索张拉操作中存在的一定难度，其具体
数值仍略有差别。
最后，本文对弦支穹顶进一步研究以及实际推广中的重点难点加以总结。同
时，也对应用 ANSYS 对大型空间结构进行稳定性分析时的问题提出了自己的理
解。
Suspendome structure system is a new kind of hybrid space structure system
presented by Mamoru Kawaguchi in Japan, which combines single-layer reticulated
shell and tensegrity system. Taking full advantages of two systems and avoiding some
of their shortcomings, suspendome owns a bright future in the area of large span
space structure.
As a part of the systematical studies on the suspendome system by the
steel-structure staff of Tianjin university, this paper, laying the emphasis on the static
and stability analysis and the static field-test, carries out detailed studies of the
structure with the use of the FEM software ANSYS.
Considering structure’s large deformation, non-linear static analysis is carried out
to review the static performance including the internal force, the node displacement
and the change of the internal force of pre-stressed cables.
The influence of different structural factors-- including different rise-span ratios,
initial defects of structure, values and proportions of cable pre-stress, node rigidity
and boundary conditions-- on the structural stability performance, is discussed in
details by contrast with corresponding single-layer reticulated shells. Studies show
that the rise-span ratio and the node rigidity are key factors influencing the structural
stability performance. The bigger the rise-span ratio is, the bigger the value of critical
load is. The stability performance of structures with rigid nodes is far better than that
of structures with pin nodes, and the capabilities of the pre-stressed cables are
different for these two kinds of structures. Also boundary conditions have influence
on the stability performance. Sliding supports make the structural stability
performance much worse than fixed supports. It is also confirmed that the sensibility
to initial defect of suspendome is less than that of corresponding single-layer
reticulated dome.
To find out the real performance of the structure under stepped loads, static field
tests of flexible cable suspendome and rigid bar suspendome are carried out. The
qualitative comparison between test results and theoretical analysis is coherent. Due
to the actual difficulties in the field test and the stretching process of the pre-stress
cables, there still is difference in the detailed quantitative analysis.
引文
[1] 刘锡良，现代空间结构，天津：天津大学出版社，2003
[2] 陈志华，张拉整体结构的理论分析与试验研究：［博士学位论文］，天津：天
津大学，1995.8
[3] 刘锡良，陈志华，一种新型的空间结构――张拉整体体系，土木工程学报，
1995，28(4)，52～57
[4] Mamoru Kawaguchi; Masaru Abe; Tatsuo Hatato; Ikuo Tatemichi; Satoshi
Fujiwara; Hiroaki Matsufuji; Hiroyuki Yoshida and Yishimichi Anma, ON A
STRUCTURAL SYSTEM “SUSPEN-DOME” SYSTEM, Proc. of IASS Symposium
Istanbul,1993,pp.523-530.
[5] Mamoru Kawaguchi; Masaru Abe; Tatsuo Hatato; Ikuo Tatemichi; Satoshi
Fujiwara; Hiroaki Matsufuji; Hiroyuki Yoshida and Yoshimichi Anma,
STRUCTURAL TESTS ON THE “SUSPEN-DOME” SYSTEM , Proc. of IASS
Symposium Atlanta,1994,pp.384-392.
[6] Mamoru Kawaguchi, Masaru Abe, Ikuo Tatemichi. DESIGN, TESTS AND
REALIZATION OF “SUSPEN-DOME” SYSTEM. Journal of the IASS,Vol.40(1999):
n.131:179-192
[7] 李禄，基于张拉理论的弦支穹顶的理论与试验分析：［硕士学位论文］，天津：
天津大学，2000
[8] 尹越，刘锡良，韩庆华等，弦支穹顶结构的理论分析与应用研究，第九届空
间结构学术会议论文集，2000：256～259
[9] 田国伟，弦支穹顶的理论分析与应用研究：［硕士学位论文］，天津：天津大
学，2001
[10] 左晨然，弦支穹顶结构的静力与稳定性分析：［硕士学位论文］，天津：天
津大学，2002
[11] 康文江，弦支穹顶的静力与动力分析：［硕士学位论文］，天津：天津大学，
2002
[12] 陈志华，弦支穹顶结构体系，第一届全国现代结构工程学术报告会论文集，
2001：243～246
[13] 刘涛，杨凤鹏，精通 ANSYS，北京：清华大学出版社，2002
[14] 陈精一，蔡国忠，电脑辅助工程分析－ANSYS 使用指南，北京：中国铁道出
版社，2001
[15] 钟善桐，预应力钢结构，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1986
[16] 尹德钰，刘善维，钱若军，网壳结构设计，北京：中国建筑工业出版社，
1996
66
参考文献
[17] 尹越，单层球面网壳结构的稳定性研究：［博士学位论文］，天津：天津大
学，1998
[18] 沈世钊，陈昕，网壳结构稳定性，北京：科学出版社，1999
[19] 李元齐，沈祖炎，稳定分析中极值点失稳与分枝点失稳的跟踪策略及程序
实现，土木工程学报，1998，31(3)，66～71
[20] K.K.Choong,Y.Hangai, Review on methods of bifurcation analysis for
geometrically nonlinear structures, Bulletin of IASS,1993, 34(112)
[21] 腾敏康，实验误差与数据处理，南京：南京大学出版社，1989
[22] 马永欣，郑山锁，结构试验，北京：科学出版社，2001
[23] 田胜元，萧曰嵘，实验设计与数据处理，北京：中国建筑工业出版社，1988
[24] 陈志华，左晨然，弦支穹顶结构的非线性分析，第二届全国现代结构工程
学术报告会论文集，2002：396～400
[25] 左晨然，陈志华，毕继红，弦支穹顶结构的线性与非线性分析，第二届全
国现代结构工程学术报告会论文集，2002：412～416
[26] 康文江，陈志华，弦支穹顶中张拉整体部分的结构作用分析，第二届全国
现代结构工程学术报告会论文集，2002：401～404
[27] 陈志华，弦支穹顶结构体系，第一届全国现代结构工程学术报告会论文集，
2001：243～246
[28] 陈志华，结构哲学与张拉整体结构的形态学研究：[博士后研究工作报告]，
天津：天津大学，1999
[29] 尹越，韩庆华，谢礼立，刘锡良，一种新型杂交空间网格结构－弦支穹顶，
工程力学增刊，2001
[30] 沈祖炎，陈扬骥，网架与网壳，上海：同济大学出版社，1997
[31] 董石麟，钱若军，空间网格结构分析理论与计算方法，北京：中国建筑工
业出版社，1999
[2] 陈志华，张拉整体结构的理论分析与试验研究：［博士学位论文］，天津：天
津大学，1995.8
[3] 刘锡良，陈志华，一种新型的空间结构――张拉整体体系，土木工程学报，
1995，28(4)，52～57
[4] Mamoru Kawaguchi; Masaru Abe; Tatsuo Hatato; Ikuo Tatemichi; Satoshi
Fujiwara; Hiroaki Matsufuji; Hiroyuki Yoshida and Yishimichi Anma, ON A
STRUCTURAL SYSTEM “SUSPEN-DOME” SYSTEM, Proc. of IASS Symposium
Istanbul,1993,pp.523-530.
[5] Mamoru Kawaguchi; Masaru Abe; Tatsuo Hatato; Ikuo Tatemichi; Satoshi
Fujiwara; Hiroaki Matsufuji; Hiroyuki Yoshida and Yoshimichi Anma,
STRUCTURAL TESTS ON THE “SUSPEN-DOME” SYSTEM , Proc. of IASS
Symposium Atlanta,1994,pp.384-392.
[6] Mamoru Kawaguchi, Masaru Abe, Ikuo Tatemichi. DESIGN, TESTS AND
REALIZATION OF “SUSPEN-DOME” SYSTEM. Journal of the IASS,Vol.40(1999):
n.131:179-192
[7] 李禄，基于张拉理论的弦支穹顶的理论与试验分析：［硕士学位论文］，天津：
天津大学，2000
[8] 尹越，刘锡良，韩庆华等，弦支穹顶结构的理论分析与应用研究，第九届空
间结构学术会议论文集，2000：256～259
[9] 田国伟，弦支穹顶的理论分析与应用研究：［硕士学位论文］，天津：天津大
学，2001
[10] 左晨然，弦支穹顶结构的静力与稳定性分析：［硕士学位论文］，天津：天
津大学，2002
[11] 康文江，弦支穹顶的静力与动力分析：［硕士学位论文］，天津：天津大学，
2002
[12] 陈志华，弦支穹顶结构体系，第一届全国现代结构工程学术报告会论文集，
2001：243～246
[13] 刘涛，杨凤鹏，精通 ANSYS，北京：清华大学出版社，2002
[14] 陈精一，蔡国忠，电脑辅助工程分析－ANSYS 使用指南，北京：中国铁道出
版社，2001
[15] 钟善桐，预应力钢结构，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1986
[16] 尹德钰，刘善维，钱若军，网壳结构设计，北京：中国建筑工业出版社，
1996
66
参考文献
[17] 尹越，单层球面网壳结构的稳定性研究：［博士学位论文］，天津：天津大
学，1998
[18] 沈世钊，陈昕，网壳结构稳定性，北京：科学出版社，1999
[19] 李元齐，沈祖炎，稳定分析中极值点失稳与分枝点失稳的跟踪策略及程序
实现，土木工程学报，1998，31(3)，66～71
[20] K.K.Choong,Y.Hangai, Review on methods of bifurcation analysis for
geometrically nonlinear structures, Bulletin of IASS,1993, 34(112)
[21] 腾敏康，实验误差与数据处理，南京：南京大学出版社，1989
[22] 马永欣，郑山锁，结构试验，北京：科学出版社，2001
[23] 田胜元，萧曰嵘，实验设计与数据处理，北京：中国建筑工业出版社，1988
[24] 陈志华，左晨然，弦支穹顶结构的非线性分析，第二届全国现代结构工程
学术报告会论文集，2002：396～400
[25] 左晨然，陈志华，毕继红，弦支穹顶结构的线性与非线性分析，第二届全
国现代结构工程学术报告会论文集，2002：412～416
[26] 康文江，陈志华，弦支穹顶中张拉整体部分的结构作用分析，第二届全国
现代结构工程学术报告会论文集，2002：401～404
[27] 陈志华，弦支穹顶结构体系，第一届全国现代结构工程学术报告会论文集，
2001：243～246
[28] 陈志华，结构哲学与张拉整体结构的形态学研究：[博士后研究工作报告]，
天津：天津大学，1999
[29] 尹越，韩庆华，谢礼立，刘锡良，一种新型杂交空间网格结构－弦支穹顶，
工程力学增刊，2001
[30] 沈祖炎，陈扬骥，网架与网壳，上海：同济大学出版社，1997
[31] 董石麟，钱若军，空间网格结构分析理论与计算方法，北京：中国建筑工
业出版社，1999