一种新型的空间结构形式——体内张拉形成空间网格结构

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1、第七届全国现代结构工程学术研讨会一种新型的空间结构形式一体内张拉形成空间网格结构张毅刚王成谭争光王磊(北京工业大学空间结构研究中心．北京100022)摘要：体内张拉成形空间网格结构是由上弦、下弦、竖向腹杆和侧向连接构件组成的一种新型空间结构形式。是通过耐下弦索施加预应力张拉成形，进而改善结构受力性能的自平衡体系。在张拉成形前，该结构的自然刚度很小，它的刚度大部分由预应力提供，成形过程中结构的大变形及结构上弦因为自身的大应变而可能进入塑性区的基本特征使得结构分析必须综合考虑几何非线性和材料非线性，根据结构不同布置方式，本文将

2、体内张拉成形空间网格结构进行了分类。该结构受力合理，构造新颖．施工简单，具有良好的应用价值和广阔的应用前景。关键词：空间网格结构美，张拉成形．体内预应力一、引言二十世纪八十年代，澳大利亚的科研人员研发出一种新型大跨空间结构体系一sTRARc}l(sTRessedARcH)结构，即张拉预应力拱架(图l，2)，其核心技术是将建筑物的施工与提升过程合为一体。该结构体系构造简单、施工速度快，且无需使用脚手架，所有施工项目都在接近地面的较低位置上进行。图1sTRARcH拱架的构造细部图2STR^RcH拱架的成彩过程我国虽然于1995

3、年和2003年分别建成两座sTRARcH拱架结构，但从设计到施工主要都是由国外企业完成。为了真正掌握该项技术，近几年来我国研究者对预应力拱架结构进行了深入的理论和试验研究。北京工业大学空间结构中心和中国建研院对该体系的研究表明：由于sTRARcH拱架成形时起拱较高，上弦全面进入塑性，一旦出现塑性铰结构成形将失败，因此对材料要求较高；下弦张拉到水平后继续向上拱起阶段，必须克服与下弦杆之间较大的摩擦力，从而需加大张拉力；结构成形的后期直至成形，索已经通过下弦杆的约束作用成为曲线索，由于曲线索受拉时具有较强的恢复直线趋势，因而通

4、过下弦杆对结构产生了极强的蛏向反成形作用力，该力在成形阶段抵抗结构成形，在成形后对结构产生反成形作用，使得结构本身受力不够合理，为了维持结构成形形状，必须以极大的增加索力值为代价。成形后拱架中索的预工业建筑2007增刊第七届全国现代结构工程学术研讨会张力与荷载作用是相同的，使杆件受压，又须加大下弦杆，而且荷载作用下索处于松弛的趋势a基于对预应力sTRARcH拱架的深入研究，本文作者提出一种新型体内预应力钢屋架结构，该结构不同于sTRARcH拱架的一个显著特点是结构成形后端部刚臂立直的同时下弦索水平，已有的研究表明新型体内预

5、应力钢屋架结构具有受力性能合理、稳定性好、构造简单、施工速度快、挠度小、用钢量小等渚多优点，而且可以达到很大跨度。通过对该结构进一步的研究，进而又发展成为一种新型的空间结构形式一体内张拉成形空间网格结构，该结构合理利用网格类结构和张力类结构的优点，克服它们的弱点，从而成为一种新的更能发挥结构效力的刚柔结合的混合类结构体系，顾名思义，该结构是通过对体内索施加预应力而张拉成形的一种新型空间网格结构，从外部特征上看是由多品体内张拉成形拱架(体内预应力钢屋架)以不同的布置组合方案而形成的一类新型的空间结构体系。二、结构特点体内张拉

6、成形空间网格结构是由上弦、下弦、竖向腹杆和侧向连接构件(如侧向撑杆、桁架，预应力钢索等)组成，其中上弦一般为型钢粱或桁架，下弦由长度方向节间预留缝隙(结构施工成形后缝隙闭合)的钢管(内穿预应力高强钢索)组成，竖向腹杆通常为钢管等型钢或格构状结构。作为一种新型空间结构形式，体内张拉成形空间网格结构在张拉下弦管内预应力钢索的结构成形过程中获得刚度，结构形态的构成是靠结构内部的预麻力形成的虚刚度(应力刚度)来实现。在结构施工成形过程中，上、下弦和竖向腹杆主要承担平面内荷载及确保平面内稳定，而侧向连接构件主要为防止上、下弦和竖向腹

7、杆的平面外失稳。在结构工作状态荷藏作用下．上弦、下弦、竖向腹杆和侧向连接构件协同工作．共同构成一种新型的梁、杆、索组成的混合空间结构体系。其中上弦、下弦和竖向腹杆须在结构施工成形前全部安装就位，而侧向连接构件(如侧向撑杆、桁架，预应力钢索等)则可据结构平面外稳定状况，按一定顺序在施工过程的不同阶段布置完成，图3为一种辐射状体内张拉成形空间网格结构组成。体内张拉成形空间网格结构成形前(未布置侧向连接构件)下弦管下弦索下弦管体内张拉成形空间网格结构成形后(侧向连接构件布置完毕)下弦索下弦管下弦管内灌浆幽一一一当下弦管节问缝隙下

8、弦管节间缝隙闭合图3辐射型体内张拉成形空问网格结构作为一种新型空问结构形式，首先将工厂制造的拱架段(上弦、下弦和竖向撑杆)在工地现场组装成整体。然后利用千斤顶张拉设在结构下弦杆中的预应力钢索，通过拉索的预应力使结构周圈端部的滑动支座向内滑动，并使上弦弯起、下弦节问之间预留的问隙闭合，张拉终止后灌浆固结使