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类椭圆形弦支穹顶布索方式研究

付帅锋  
【摘要】:本文以宿迁运河体育馆类椭圆弦支穹顶为背景工程,基于前期类椭圆弦支穹顶结构优化研究成果,在对类椭圆弦支穹顶结构的边界曲线拟合、网格划分等问题进行深入研究的基础上,对多种布索方式展开系统研究,主要结论如下:1、采用基于四心圆法的平行环肋型网格划分方法,类椭圆弦支穹顶上部网壳网格质量高,下部索杆体系布置规则,通过参数调整可适应不同的建筑外形和柱网布置,是一种设计及施工均简便可行的网格划分方式。2、椭圆的长、短轴长度给定的情况下,弧长比是控制穹顶外形及柱网尺寸的关键参数,通过调整弧长比,可得到一系列形状类似的类椭圆弦支穹顶,其内力和位移分布均有如下特点:压力最大杆件在长轴最外圈圆弧处,拉力最大杆件在短轴最外圈圆弧处,拉力和压力变号的位置在圆弧分段点附近。竖向变形在长半轴处上凸,在短半轴处下凹。3、与圆形弦支穹顶不同,四心圆法类椭圆弦支穹顶不是中心对称结构。在预应力和竖向荷载共同作用下,各周边支座沿半径方向的水平位移近似正弦曲线变化,在长半轴处向内位移最大,短半轴处向外位移最大,传给下部支承结构的水平力明显大于圆形弦支穹顶。应通过调整下弦布索方式来改善穹顶在各方向上的受力、变形差异,改进四心圆法类椭圆弦支穹顶的受力性能。4、采用变拉索数量、变撑杆角度和台阶形布索方式,可改善四心圆法类椭圆弦支穹顶在各方向上变形不协调的程度,但效果不明显。采用本文提出的马鞍形布索方式,可以基本消除四心圆法类椭圆弦支穹顶在各方向上的变形不协调,实现竖向荷载和预应力共同作用下各支座处径向位移同时达到近似为零的目标。5、通过理论推导和算例验证,得到马鞍形索杆体系的基本原理。支座径向位移与撑杆高度成比例,在长半轴圆弧处,与撑杆高度成正比;在短半轴圆弧处,与撑杆高度成反比。6、马鞍形索杆体系是以平行环肋型索杆体系为基础,通过调整撑杆高度形成空间马鞍形而得到的,调整的原则为:采用逐圈自平衡的方法,从内圈向外圈逐圈调整。在每圈的调整中,首先求出圆弧分段点处径向位移为零状态的周圈径向位移分布,保持分段点处撑杆高度不变,根据支座径向位移的比例关系调整对应位置的撑杆高度。从分段点向长轴方向,逐渐减小撑杆高度,在长轴顶点处达到最小;从分段点向短轴方向,逐渐增大撑杆高度,在短轴顶点处达到最大。7、对类椭圆凯威特型、肋环型和平行环肋型弦支穹顶的受力性能对比分析表明,虽然类椭圆凯威特型和肋环型弦支穹顶拉索及网壳内力更小,但其环向索内力相差较大,在工程应用中斜索的索夹需要承受较大的抗滑力,在弦支穹顶中实际应用有不小的困难。8、采用马鞍形布索方式的类椭圆平行环肋型弦支穹顶结构,拉索内力分布均匀,竖向变形小,对支承结构要求低,弹性屈曲和弹塑性极限承载力均较好。虽然存在拉索及网壳内力偏大,自振周期偏长的缺点,综合判断优势仍比较明显,同类工程应用中可优先考虑。


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