大跨度索穹顶结构模型静力试验研究.pdf

建筑结构学报Journal of Building Structures 第 33 卷 第 4 期 2012 年 4 月 Vol. 33No. 4Apr． 2012 007 文章编号 1000-6869 2012 04-0054-06 大跨度索穹顶结构模型静力试验研究 张爱林 1，刘学春1，李 健 1，葛家琪2，张国军2 1． 北京工业大学 建筑工程学院，北京 100124; 2． 中国航空规划建设发展有限公司，北京 100120 摘要 以内蒙古伊旗全民健身体育中心工程为研究对象， 设计制作了 1∶ 10 缩尺肋环型索穹顶结构试验模型， 研究了模型结 构张拉成形后在设计荷载作用下的力学性能， 将 ANSYS 数值模拟加载和模型加载结果进行了对比分析， 获得了模型静力 响应的变化规律及活荷载不对称分布对结构整体静力性能的影响。研究表明 索穹顶结构在外荷载作用下， 脊索存在应力 减小的现象; 结构可随荷载的变化不断调整预应力的分布状态; 作为柔性空间体系， 对非对称荷载作用十分敏感; 结构在设 计荷载作用下，结构构件均处于安全的工作范围内; 数值模拟结果与试验值吻合较好， 验证了数值模拟的正确性和结构设 计的合理性。 关键词 大跨度索穹顶结构;节点构造;静载试验;静力荷载响应 中图分类号 TU393. 3TU394. 03TU317. 1 文献标志码 A Static experimental study on large-span cable dome structure ZHANG Ailin1，LIU Xuechun1，LI Jian1，GE Jiaqi2，ZHANG Guojun2 1． The College of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China; 2． China Aviation planning and construction Development Co．，Ltd，Beijing 100120，China AbstractThe paper introduces the large- span cable dome structure of the National Fitness Center in Ejin Horo Banner，Inner Mongolia． A 1∶ 10 scale cable dome model was designed． The model’ s mechanical perances were studied under design load after shape ing． By comparing results drawn from numerical simulation and experiment， the characteristics of static response were obtained． The influence of asymmetric live load on the structure’ s global static behavior was considered． This study indicates cable dome’ s ridge cable stress reduces on the external load; the initial stress can be adjusted along with external load;the cable dome is a flexible space system，which is sensitive to external load． The theoretical value and the experimental value matches well under design load，which verifies the result of the theoretical calculations and the modal design． The structural safety and reliability in normal working condition is also exhibited． Keywordslarge- span cable dome;joint structure;static test;static load response 基金项目 国家自然科学基金重点项目 51038006 ， 北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室项目。 作者简介 张爱林 1961 ， 男， 山东莱西人， 工学博士， 教授。E- mail zhangal bjut. edu. cn 收稿日期 2011 年 7 月 45 0引言 外形轻盈， 受力合理， 富有现代气息的索穹顶结 构源于美国富勒提出的张拉整体体系 ［1 ］， 它由受拉 的钢索和压杆组成， 是一种结构效率极高的全张力 体系 ［2- 3 ］。 国内学者在理论及试验方面做了较多的研究， 揭示了索穹顶结构的受力特点， 取得了较为丰富的 理论成果 ［4- 5 ］。但是， 这些理论研究所采用的索穹顶 体系脊索布置、 节点构造不够合理， 无法满足实际工 程的需要， 并且由于国外技术保密的原因， 使得我国 大陆地区一直没有建成大跨度索穹顶结构。内蒙古 伊旗全民健身体育中心是我国大陆地区第一个大跨 度索穹顶结构工程 图 1 ， 该结构的索膜体系呈正圆 曲壳形， 跨度为 71. 2 m， 其设计、 施工都无工程经验 可依， 因此必须对理论计算结果和设计进行模型试 验验证， 确保结构在设计荷载作用下的安全性、 稳定 性和适用性。为此， 制作一个 1∶ 10 的索穹顶结构缩 尺模型， 对结构在自重、 设计荷载作用下的受力状态 进行试验研究， 探索屋面活荷载不对称分布对构件 内力响应规律。 图 1索穹顶示意图 Fig． 1Schematic diagram of cable dome 1模型的设计制作和试验方法 按照等应力原则， 制作了 1∶ 10 缩尺模型 图 2 ， 试验模型与实际结构相比， 构件的应力相同， 索的拉 力比值为 1∶ 100。 1. 1构件与节点设计 内蒙古伊旗全民健身体育中心屋盖采用肋环型 索穹顶结构， 跨度 71. 2 m， 矢高 5. 5 m， 矢跨比 1/13， 环向 20 等分， 沿中心成轴对称布置。共设 2 道环索， 中心设置拉力环， 由内到外三圈撑杆的高度分别为 5. 3 m、 5. 8 m、 6. 8 m， 撑杆与索的连接为铰接， 整个结 构固定铰支于边缘刚性受压环梁上。外斜索、 中斜、 内斜索的设计初始预应力分别为 2 588 kN、 1 215 kN、 852 kN， 高强度钢绞线的弹性模量 E1. 88 105MPa， 原结构与模型结构的撑杆均采用材性相同的高强度 钢， 原结构与模型结构计算模型均采用设置初始应 变施加预应力， 相似比确保两者初始应变相同。原 结构及模型结构所用构件的截面规格见表 1， 模型结 构尺寸如图3 所示。张拉成形时模型结构外斜索、 中 斜索和内斜索的实测初始预应力分别为 5. 90 kN、 2. 30 kN、 1. 22 kN。 图 2张拉完成的结构模型 Fig． 2ed structure model 表 1构件参数 Table 1Model structure parameters 构件名称 规格 原结构模型结构 实际面积 缩尺比 内脊索 JS- 338 51∶37 中脊萦 JS- 248 51∶60 外脊索 JS- 156 51∶85 内斜索 XS- 332 51∶26 中斜索 XS- 238 51∶37 外斜索 XS- 165 71∶62 中环索 HS- 2340 71∶71 外环索 HS- 1365 371∶53 中心拉力环194 850 61∶ 112 中撑杆 CG- 2194 8 20 11∶78 外撑杆 CG- 1219 12 20 11∶ 130 图 3试验模型尺寸图 Fig． 3Size of test model 索穹顶结构中， 索、 撑杆是通过节点连接起来 的， 并在节点处达到平衡， 施工通过张拉斜索或环索 使结构成形。节点设计必须传力明确， 索力能通过 节点在结构内部 “自动调整” ， 保证传力 “路径流畅” ， 同时还要求满足索穹顶结构索、 杆铰接的计算假定， 55 制作简单、 方便安装、 满足施工张拉和使用传力强度 要求 ［6- 8 ］。 合理的节点设计能使试验模型更好地模拟实际 结构， 满足实际使用功能的需要。对于本试验的节 点设计主要包括索与撑杆上下节点的连接。 1 撑杆上节点与索连接节点 考虑到索穹顶施工成形、 受力性能的特点， 为满 足实际工程的需要， 将撑杆上节点与索连接节点设 计成平面内可转动， 平面外刚性连接的形式， 见图 4。 图 4撑杆上节点与索连接节点实物图 Fig． 4Photo of strut upper joint 2 撑杆下节点与索连接节点 本设计采用张拉阶段环索可以滑动而使用阶段 环索不能滑动的索撑节点形式， 这种节点形式不仅 可以有效传递施工张拉阶段的索拉力， 而且可以保 证结构在使用阶段的承载能力 ［9 ］。 1. 2模型制作 试验模型支承平台由20 个基本组装单元焊接拼 装而成， 用于模拟结构周边刚性支座。每个组装单 元为 H200 200 12 12 钢梁。支承平台自由放置 在 5 根混凝土立柱之上， 高出地面 1 m， 见图 5。 图 5支承平台及立柱实物图 Fig． 5Photo of support plat and upright post 撑杆作为索穹顶结构中承受压力构件， 应满足 强度和稳定要求。本试验模型中撑杆均采用无缝钢 管， 为试验研究的需要， 所有撑杆长度都是可调的， 中间采用正、 反螺纹套筒连接， 正负行程 － 40 ～ 20 mm， 图 6 为撑杆实物图。 索的设计既要满足强度要求， 同时施工安装时 又要方便。强度主要取决于索本身强度及索与索头 的锚固连接强度。本试验中各类型的索均采用单根 高强钢索。索与索头的连接采用挤压式直接锚固。 图 6撑杆实物图 Fig． 6Photo of strut 如图 7 所示， 索头设计成 U 字形双耳连接， 通过销轴 实现索在节点处铰接。环索为闭合圆形， 由于结构 功能的需要， 最外圈环索由通过同一节点的 3 根高 强度索构成， 索中部设置正、 反螺纹套筒连接， 正负 行程 －40 ～40 mm， 实现环向索张拉施工。 图 7索及索头实物图 Fig． 7Photo of cable and tip of cable 索穹顶结构内力通过外脊索和外斜索传到环梁 上， 从而使包括环梁在内的整个结构组成有效的整 体自平衡体系。本试验模型最外圈斜索和脊索通过 耳板焊接在直径为 80 mm， 壁厚为 5 mm 的空心钢球 上， 空心钢球的支座通过 4 根12 的螺栓锚固在环 梁上， 保证了支座节点的强度和刚度要求， 节点设计 及实物图如图 8 所示。 图 8外圈拉索与环梁连接节点图 Fig． 8Joint of outer ring cables and linter girder 65 1. 3模型加载设计 缩尺后， 模型长度缩小 10 倍， 构件的面积缩小 100 倍， 而结构自重缩小 1 000 倍， 试验中为了能反映 原结构各阶段的受力情况， 需要对模型进行 9 倍自 重的补偿， 经过计算， 应对结构中心点、 第二圈各撑 杆上节点、 第三圈各撑杆上节点分别补偿 0 kg、 4. 36 kg、 4. 05 kg 质量。恒载、 活载标准值转化为节 点荷载施加于节点上， 如表2 所示。荷载采用节点吊 挂式施加。 实验室只能提供 15 kg、 20 kg 的两种质量块， 因 此不能按照转化而来的节点荷载施加， 应用 15 kg、 20 kg两种质量块对其进行组合， 使其尽量接近于转 化而来的节点荷载， 组合结果如表 3 所示。 表 2各节点设计荷载 Table 2Design load of each joint CG- 3 节点CG- 2 节点 CG- 1 节点 恒载标准值/kg49. 4421. 79 35. 75 活载标准值/kg94. 8023. 17 45. 08 表 3各节点荷载组合结果 Table 3Combinatorial results of load on each joint CG- 3 节点CG- 2 节点 CG- 1 节点 恒载标准值/kg20 2015 15 20 20 活载标准值/kg20 20 20 2015 15 20 20 a脊索拉力传感器布置 b斜索拉力传感器布置 c环索拉力传感器布置 图 9测点布置图 Fig． 9Layout diagram of measuring points 1. 4模型测量内容及测点布置 本试验重点考察索力的变化规律， 索力通过拉 力传感器量测， 试验数据采用 DH3815N 静态应变测 试系统采集。 本肋环型索穹顶模型结构具有对称性， 从理论 上讲， 由于结构的对称性只需测定一组对称面的索 力就可以， 考虑到实际模型的误差及非对称加载试 验内容的需要， 各组对称面的索力分布不可能完全 对称均匀， 因此采用 “十” 字形布置方式， 拉力传感器 布置如图 9 所示。 1. 5高强度索材性试验 本试验索全部采用高强度索， 加载试验前进行 材性试验， 试件截面为圆形， 引伸计标距为 50 mm， 截 面直径 5 mm， 分别做两组试验， 两组试验得到索的弹 性模量平均值 E 1. 880 5 1011N/m2。 1. 6静力试验荷载工况 针对张拉成形的索穹顶结构进行静载试验， 试 验过程分 5 步， 即 5 种荷载工况 工况 1 自重; 工况 2 全部恒荷载 包括自重补偿荷载 ; 工况 3 恒荷载 1/4 跨活荷载; 工况 4 恒荷载 1/2 跨活荷载; 工 况 5 恒荷载 全跨活荷载。 其中， 1/4 跨活荷载作用区域为- 轴区域， 1/2跨活荷载作用范围为- - 轴区域。 2试验结果与分析 在进行模型试验的同时， 采用 ANSYS 软件对模 型结构的试验全过程进行了理论分析， 对比分析试 验结果。有限元分析采用模型结构的实际参数， 撑 杆及中心拉力环的材料弹性模量采用设计值 2. 06 105MPa ， 初始预应力按模型结构成形时实测内力 用应变施加在结构上。 由于索穹顶结构是一个内力自平衡体系， 放松 或收紧某一根杆件， 结构所有构件的内力都要受到 不同程度的影响， 试验中对预应力进行多次调整， 最 终构件的内力分布还是不均匀的， 要将各构件的初 始预应力分布调整到与理论值之间的误差很小， 存 在一定的难度， 实际上是不可能的。由于初始预应 力分布的不均匀性， 导致后续静力试验的单根索力 值与理论值有一定的差异， 且对 40 个传感器的数值 逐一进行对比缺乏实际意义， 为了从整体上反映索 穹顶结构的力学性能， 将同一区域的索进行分类归 并， 如将图 10 中 A 区域带有拉力传感器的 3 根脊索 75 归为 JSA， 3 根斜索归为 XSA， 外圈 3 根环索归为 HSA， 内圈环索归为 HS2- A， 其余同理， 取其平均值与 分析值进行比较分析。图 11 ～14 给出了试验索力值 与分析计算值的对比。 图 10区域分类归并图 Fig． 10Combined region classification diagram 分析图 11 ～ 14 可以发现， 模型在各工况作用 下， 索力的试验值和有限元分析值基本吻合， 绝大部 分的偏差均在 10 以内， 表明了有限元分析的正确 性和试验模型的合理性。从试验索力变化趋势曲线 可以得出索力分布规律 1 在外荷载不断增加的过程中， 脊索索力不断 减小， 但在设计荷载作用下， 脊索未发生松弛失效。 2 在脊索索力不断减小过程中， 斜索和环索的 索力近似呈线性增长， 作为预应力自平衡体系， 增加 的外荷载由斜索和环索承担， 且环索内力增长的幅 度大于斜索。 从索力变化的趋势中可以看出， 若外荷载不断 增加， 脊索索力不断减小， 只要索力大于零， 结构仍 具有较好的刚度， 结构仍然可以承受荷载。但是， 如 脊索松弛至内力为零后， 脊索退出工作， 结构变为机 构， 不能继续承载， 在实际工程设计中可以将脊索松 弛作为索穹顶结构达到极限状态的判断标准。 索穹顶结构作为柔性轻型空间结构， 在非对称 活荷载工况下比均布活荷载工况作用的情况复杂 1 从索力变化曲线可以看出， 脊索虽然在整个 加载过程中有索力减小的趋势， 但在不对称荷载工 况下却有一定的突变， 特别是在半跨活荷载工况下 尤为明显， 其作用影响明显的范围主要为荷载布置 区域及其对称区域， 且离对称轴- 轴越远影响 越大。 2 斜索索力与脊索索力的变化规律相同， 在不 对称活荷载工况下索力有突变现象， 影响范围与脊 索相同。 3 环索在空间上各圈各自连为一体， 索力可 在其内部 “自由调整” ， 因此环索并未出现上述索力 图 11脊索力分析值与试验值对比 Fig． 11Comparison of ridge cable force between analytical results and test results 图 12斜索力分析值与试验值对比 Fig． 12Comparison of diagonal cable force between analytical results and test results 图 13外环索索力分析值与试验值对比 Fig． 13Comparison of out loop cable force between analytical results and test results 图 14内环索索力分析值与试验值对比 Fig． 14Comparison of interior loop cable force between analytical results and test results 85 突变现象， 随着荷载的增大其索力不断增大。 可见， 索穹顶结构对活荷载不对称布置非常敏 感， 主要原因是该类结构由少量的高强索组成， 刚度 较小。设计中要详细分析活荷载布置形式和活荷载 作用前后引起的结构差异性变化， 降低结构对活荷 载非对称的敏感性。 3试验误差分析 索穹顶结构模型静载试验的试验误差主要来源 于以下几个方面 1 模型加工及组装精度不够带来的误差。 2 索穹顶结构是一个预应力自平衡体系， 结构 是通过调节撑杆和索体的几何长度获得刚度而最终 成形的。结构的某一部分长度发生变化， 整个结构 的内力都将随之发生变化， 结构张拉成形后的整体 预应力状态很难达到理想的设计状态。因此， 初始 预应力分布的不均匀是试验误差的主要来源。 3 试验中施加的组合质量块荷载与数值模拟 所采用荷载之间差异所引起的误差。 4 仪器仪表系统误差和试验操作误差。 4结论 本文对1∶ 10 的大跨度索穹顶结构模型进行了试 验和数值模拟研究， 得到以下主要结论 1 根据相似比原则， 模型试验及有限元分析所 得结论及规律， 能够反映原结构的静力性能。 2 本试验的结构模型是以实际工程为背景， 解 决实际工程的关键问题， 所用的截面尺寸、 结构拓扑 形式与工程保持一致， 径向榀数达到 20， 结构索力之 间耦合作用复杂， 试验中所获得的结论可以直接指 导实际工作设计与施工。 3 随着外荷载的增加， 脊索索力有应力减小的 现象发生， 在超过设计荷载的不利情况下， 结构的中 心压杆可能将失去约束， 不利于结构安全， 影响建筑 美观， 据此实际工程中可将脊索松弛失效作为索穹 顶结构达到极限状态的判断标准。 4 索穹顶结构作为柔性空间体系， 对非对称荷 载作用十分敏感， 其敏感性的大小由高到低分别为 脊索、 斜索、 环索， 在工程设计中要尤其加强脊索的 安全储备， 控制活荷载引起的结构位移差。 5 试验数据与理论计算结果吻合较好， 变化规 律一致， 验证了有限元分析的正确性， 结构在设计荷 载作用下安全可靠。 参考文献 ［ 1］ FULLER R B．Tensile- integrity structures U． S， 3063521［ P］ ． 1962- 11- 13． ［ 2］ Mauro Dolce，Donatello Cardone，Roberto Marnetto． Implementation and testing of passive control devices basedonshapememoryalloys［ J］ ．Earthquake Engineering and Structural Dynamics，2000， 29 7 945- 968． ［ 3］ Funankebo H． Shape memory alloys［M］ ． New York Gordon ＆ Breach Science Publishers， 1987， 10 5 10- 13． ［ 4］ 尹思明， 陆赐麟． 索穹顶结构体系发展的回顾与展望 上 ［J］ ． 工 业 建 筑， 2003， 23 6 59- 61． YIN Siming，LU Cilin． Review and outlook of development of cabledome system ［J］ ．Industrial Construction， 2003， 23 6 59- 61． in Chinese ［ 5］ 袁行飞， 董石麟． 索穹顶结构的新形式及其初始预 应力确 定［J］ ． 工 程 力 学， 2005， 22 2 22- 25． YUAN Xingfei，DONG Shilin． New s and initial prestress calculation of cable domes［J］ ． Engineering Mechanics， 2005， 22 2 22- 25． in Chinese ［ 6］ 张爱林， 刘学春， 王冬梅， 等． 2008 奥运会羽毛球馆 新型弦支穹顶结构模型静力试验研究［J］ ． 建筑结 构学报， 2007，28 6 58-67． ZHANG Ailin，LIU Xuechun，WANG Dongmei，et al． Static experimental study onthemodelofthesuspend- domeofthe badminton gymnasium for 2008 Olympic Games［J］ ． Journal of Building Structures，2007，28 6 58-67． in Chinese ［ 7］ 张爱林， 王冬梅， 刘学春， 等． 2008 奥运会羽毛球馆 新型弦支穹顶结构模型动力特性试验及理论分析 ［ J］ ． 建筑结构学报， 2007， 28 6 68- 75． ZHANG Ailin，WANG Dongmei，LIU Xuechun，et al． Dynamic perance experiment and theoretical analysis on the suspend- domestructuremodelofthebadminton gymnasium for 2008 Olympic Games［J］ ． Journal of Building Structures， 2007， 28 6 68- 75．in Chinese ［ 8］ CECS 212 2006预应力钢结构技术规程［S］ ． 北 京 中国计划出版社， 2006． CECS 2122006 Technical specification for prestressed steel structures ［S］ ．Beijing China Planning Press，2006． in Chinese ［ 9］ 刘学春， 张爱林， 刘阳军，等． 大跨度索穹顶新型索 撑节点模型试验及性能分析［J］ ． 建筑结构学报， 2012， 33 4 46- 53． LIU Xuechun，ZHANG Ailin， LIUYangjun，etal．Experimentalresearchand perance analysis of new- type cable- strut joint of large- span cable dome structure［J］ ． 建筑结构学报， 2012， 33 4 46- 53． in Chinese 95