本项创新技术介绍了一种新型马鞍式半刚性索网结构。该结构由正向张弦梁、反向张弦梁和边界环梁组成,其中正向张弦梁的上弦刚性构件形成马鞍形凹面,反向张弦梁则构成马鞍形凸面,共同确保结构稳定性和承载能力。
背景技术
马鞍面,又叫双曲抛物面,是一种由直线运动所产生的曲面,且有两族直母线;从双曲抛物面的性质来看,曲面上任意两条异族的直母线相交。当曲面受力时,任意一条直母线均会被另一族直母线分摊受力,相互作用使得结构更加稳定,采用双曲抛物面作为结构屋盖,可以获得良好的结构受力性能。马鞍面的屋盖还具有简洁流畅的外形,用于体育场馆等大跨度建筑结构中可以获得美观的建筑造型,因此倍受设计师的青睐,越来越多地应用于实际工程中。
1953年,美国于北卡洛莱罗纳州建成Releigh体育馆首次采用了马鞍形索网结构,这不仅是世界上第一个悬索结构,也是将马鞍面用于屋盖结构的伟大尝试。近些年来,随着我国空间结构的快速发展,将马鞍形屋盖用于大跨度钢结构中的例子层出不穷,结构形式也丰富多样,常见的有索网结构、网壳结构和网架结构等。
索网结构是马鞍形屋盖使用率最高的结构形式,目前我国采用索网结构的马鞍形场馆跨度大多集中在100m左右,根据《索结构技术规程》(JGJ257-2012)中对索网结构的矢跨比的相关建议值:承重索的垂度宜取跨度的1/10~1/20,稳定索的拱度宜取跨度的1/15~1/30,我国马鞍索网结构矢跨比设置大多在该结构范围内。1968年建成的浙江人民体育馆是我国第一个马鞍形单层索网结构,其水平投影为80m*60m的椭圆平面,稳定索矢跨比为1/18,承重索垂跨比为1/20;2018年建成的苏州奥体中心游泳馆是一个跨度107m的马鞍形单层索网结构,稳定索矢跨比为1/38,承重索垂跨比为1/15;即将建成的国家速滑馆长轴跨度达198m,建成后将成为我国跨度最大的马鞍形索网结构,其稳定索的矢跨比为1/28,承重索垂跨比为1/15。
网架结构和网壳结构也常被应用于马鞍形大跨结构屋盖。目前所建马鞍形网壳结构大多采用双层网壳或单层和双层组合网壳:1994年建成的德阳体育馆是我国第一个马鞍形双层钢网壳结构,水平投影为菱形,采用直线边梁,跨度达105m,稳定方向矢跨比为1/7.28,承重方向垂跨比为1/6;2009年建成的中国石油大学体育馆采用马鞍形双层钢网壳屋盖,水平投影为椭圆形,长轴跨度达142m,稳定方向矢跨比为1/6.8,承重方向垂跨比为1/13。2009年建成的中国海洋大学综合体育馆屋盖则采用了马鞍形网架结构。
目前常用于马鞍形屋盖的结构形式各有特点。
最常使用的索网结构属于柔性结构,结构受力呈现明显的几何非线性,需对索施加合理的预应力后才具有合理的几何构型和结构刚度,从而成为可承载的结构。因此设计索网结构时需要先进行形态分析,这一过程比较复杂,需要设计人员具有一定的数学理论背景和工程经验。索网结构对施工精度具有较高的要求,施工过程中构件、节点加工精度造成的施工误差可能会导致成型后的索网形态和拉索预应力分布与设计值有所偏差,甚至有可能影响成型后索网结构的承载力。同时索网结构在施工过程中可能由于相邻索件之间存在索力差而出现索夹滑移的问题。索网结构会对边缘构件产生很大的拉力,需要在边界设置刚度较大的环梁以抵抗拉索的拉力,对边缘构件受力和刚度要求高。索网结构对于受力索的垂度和稳定索的矢高要求严格,受力索垂度和稳定索矢高越小,为结构成型所需的拉索预拉力越大,对环梁刚度要求越高,则设计和施工难度也越大,因此对于较为扁平的马鞍形屋盖,索网结构并不适合。
网壳结构和网架结构作为大跨度建筑物中常用的结构形式,具有自重轻、跨度大等特点。但是考虑到单层双曲抛物面网壳结构层较薄,结构在较强外力作用下容易发生整体失稳,《JGJ7-2010空间网格技术规程》建议“单层双曲抛物面网壳的跨度不宜大于60m,单块双曲抛物面壳体的矢跨比取跨度的1/2~1/4”,即小矢跨比的马鞍形屋盖不适宜采用单层网壳结构。双层网壳一定程度上改善了单层网壳稳定性差的问题,但将双层网壳用于马鞍形屋盖时需要保证网壳具有一定厚度,《JGJ7-2010空间网格技术规程》建议网壳厚度取短向跨度的1/20~1/50,这在一定程度上减小了建筑物室内的使用空间。网架结构整体刚度大,但用于双曲抛物面屋盖时,网架结构和双层网壳结构都存在结构形状不规则导致的网格划分不均匀、杆件种类多等问题,给构件制作和结构施工带来技术难题。
张弦梁结构是一种预应力自平衡结构,其构成形式简洁,通过给下部拉索施加预应力对上部结构产生与外荷载作用下相反的内力和变形,从而使结构获得较好的刚度和受力性能;同时张弦梁结构具有自平衡的特性,受外荷载作用时,结构受力呈闭合回路,对支承条件的要求不高,同时也可以跨越较大的跨度。但是张弦梁结构也是一种风敏感结构,张弦梁结构在风吸作用下,下部拉索内力减小,为避免拉索出现松弛而退出工作的情况,往往需要额外增加拉索预应力。另外,张弦梁结构属于平面受力体系,为保证结构平面外的稳定性,需要设置平面外支撑体系。
实现思路