2.张拉整体及索穹顶结构

索穹顶（cable dome）结构
佛罗里达州的太阳海岸穹顶（1989年建成，圆形平 面，直径210m） 。
圣彼特斯堡“雷声穹顶”
Thunder Dome, st. Petersburg, Florida
索穹顶（cable dome）结构
1992年，美国工程师李维（M. P. Levy）和T. F. Jing 对盖格设计的索穹顶结构中索网平面内刚度不足和易 失稳的特点进行了改进，将辐射状脊索改为联方型， 消除了结构内部存在的机构，并取消起稳定作用的谷 索，成功设计了佐治亚穹顶(Georgia Dome)（1992年 建成，椭圆形平面，240.79m×192.02m），成为1996 年亚特兰大奥运会的主体育馆屋盖，用钢量不到 30kg/m2。
2、利维(M. Levy)型索穹顶 对Geiger索穹顶辐射状布置的脊索改为葵花型（三 角化型）布置，使屋面单元呈菱形的双曲抛物面形状 ，另外，中间设置了中央桁架以连接两个半圆，上索 网采用了三角形网格以适应非圆形的外形。 利维体系与盖格体系的主要区别在于脊索和斜索 的布置。盖格体系的脊索、斜索和立柱均在同一平面 内，每个节点上仅有一根斜索相连，脊索沿径向布置 ，斜索、立柱与其相应的脊索构成一竖向平面三角形 ；利维体系的脊索、斜索和立柱不在同一平面内，而 是构成立体桁架。每个立柱顶的节点上有2根斜索与 相邻内环立柱底的节点相连，每个节点有4根脊索， 脊索网的平面投影为四边形或三角形。
索穹顶结构的特点 (4)与施工方法和过程相关。索穹顶的成形过程即是施 工过程。施工方法和过程如果与理论分析时的假定和算 法不符，那么有可能形成的结构面目全非或者极大地改 变了结构形状。 (5)自平衡体系。索穹顶在结构成形过程中不断自平衡 ，在荷载态，压杆下端的环索和支承结构中的钢筋混凝 土环梁或环形立体钢桁架均是自平衡构件。 (6)非保守结构。索穹顶结构是一种非保守结构体系。 索穹顶结构在加载后，尤其在非对称荷载作用下，结构 产生变形。同时结构的刚度发生了变化。当卸去这些荷 载后结构不能完全恢复到原来的形状和位置，也不能恢 复原来的刚度。 (7)造型优美。索穹顶结构自然形成的穹顶，不仅便于 屋面排水，而且造型美观，可满足各种风格的建筑要求 。
源自文库一章 绪论
§1.2 空间结构形式与分类
三杆九索
张拉整体结构小品
六杆二十四索
富勒学生 斯耐尔森的针塔雕塑
张拉整体结构小品
张拉整体结构小品
斯耐尔森的城市雕塑
斯耐尔森的针塔雕塑
张拉整体结构小品
斯坦福大学雕塑
张拉整体结构小品
索穹顶（cable dome）结构
索穹顶结构(Cable Dome)是20世纪80年代美国工程 师盖格(Geiger)发展和推广富勒(Fuller)张拉整体结构 思想后实现的一种新型大跨结构，是一种结构效率极 高的张力集成体系或全张力体系。它采用高强钢索作 为主要受力构件，配合使用轴心受压杆件，通过施加 预应力，巧妙地张拉成穹顶结构。该结构由径向拉 索、环索、压杆、内拉环和外压环组成，其平面可建 成圆形、椭圆形或其他形状。整个结构除少数几根压 杆外都处于张力状态，可充分发挥了钢索的强度，这 种结构重量极轻，安装方便，经济合理，具有新颖的 造型，被成功地应用于一些大跨度和超大跨度的结 构。
索穹顶结构的特点 (8)施工速度快。索穹顶结构施工方便快捷，所用钢 索、压杆、接点锚具、外压环梁均可在工厂中生产成 型，可以节约施工场地并能加快工程进度，具有环保 性施工的特点。 (9)造价低。索穹顶结构造价在同类大跨结构中低， 经济效益非常明显。 以上优点充分说明索穹顶结构是目前最合理的大跨 结构形式，也是世界上跨度最大的结构形式，代表了 当今大跨预应空间结构的高技术水平。 索穹顶结构已存在一些缺点，例如笨重庞大的受压 环梁，费用昂贵且施工制作复杂；上层索容易出现松 弛而退出工作；拉索与压杆以及拉索与环梁节点构造 也较复杂；结构与屋面覆盖层的连接比较复杂等。
美国亚特兰大奥运会主体育馆
佐治亚穹顶，双曲抛物面型张拉整体索穹顶结构，由 美国工程师列维等设计，是1996年亚特兰大奥运会主赛馆 的屋盖结构，曾被评为全美最佳设计 。
亚特兰大体育馆(佐治亚穹顶)
Georgia Dome, Atlanta, Georgia
亚特兰大体育馆(佐治亚穹顶)
Georgia Dome, Atlanta, Georgia
第一章 绪论
§1.2 空间结构形式与分类
张拉整体结构 Tensegrity Systems ：四十
年代末期，美国建筑师R·B·Fuller根据自然界 拉压共存的原理首次提出，不连续的受压构件 （钢压杆）与连续的受拉构件（预应力钢索） 相互联系 ，高效率的结构。 结构思想：在结构中尽可能地减少受压状态而使 结构处于连续的张拉状态，从而实现“压杆的 孤岛存在于拉杆的海洋中”
索穹顶（cable dome）结构
结构较为简单，荷载传递明确，施工难度低，并且 对施工误差不敏感，同时由于设置了谷索，在风吸力 作用下谷索将为整个结构提供刚度以抵抗升力作用。 但由于它的几何形状类似于平面桁架，所以结构的平 面内刚度较小。但各索桁架在平面外的稳定性能较差 。同时由于该体系结构内部存在着机构，当荷载达到 一定程度时，某些机构位移将会丧失预应力对其产生 的约束，从而出现整个结构的分支点失稳的情况。所 以Geiger体系索穹顶较适于中等跨度，均布荷载作用 下的圆形平面屋顶结构形式。 。
经过三角划分的Levy体系索穹顶，虽然增加了结 构的复杂性，并使结构对制造和施工误差较为敏感， 但由于结构构成立体桁架形式，消除了结构存在的机 构，几何稳定性明显提高，从而提高了结构抵抗非均 布荷载作用的能力。与Geiger体系索穹顶相比，Levy 体系索穹顶上部的薄膜更易于铺设，屋面更易升高， 并能更好地解决屋面自由外排水问题。Levy体系索穹 顶可适用于多种平面形式，所以说Levy体系索穹顶是 一种更具有生命力的结构形式。除了已建成的圆形和 椭圆形（接近正方形或矩形）外，还可设计成中间大 开口的形状。利维体系可用于大跨度屋盖结构。
4．凯威特体系索穹顶 凯威特(G．R．Kiewitt)体系又称扇形三向型网格索 穹顶结构，如图62所示。它改善了肋环斜杆型和联方 型中网格大小不均匀的缺点，综合了旋转式划分法与 均分三角形划分法的优点。因此，不但网格大小匀称 ，而且刚度分布均匀，可望以较低的预应力水平，实 现较大的结构刚度。
5、混合型索穹顶 混合型索穹顶在综合考虑结构构造、几何拓扑和受力 基础上提出的新型索穹顶结构形式。其中，混合Ⅰ型 （图63）为肋环型和葵花型的重叠式组合，混合Ⅱ型 （图64）为凯威特型和葵花型的内外式组合。这些新 型穹顶脊索布置新颖，网格划分较为均匀，可望获得 刚度均匀分布和较低预应力水平。
索穹顶（cable dome）结构
1986年盖格(Geiger)成功运用于汉城奥运会的体操馆 （1986年建成，圆形平面，直径119.8m）击剑馆 （1986年建成，圆形平面，直径89.9m） 。
汉城奥运会击剑馆
索穹顶（cable dome）结构
佛罗里达州的太阳海岸穹顶（图58，1989年建成， 圆形平面，直径210m） 。
索穹顶结构的特点 (1)全张力状态。索穹顶结构由连续的拉索和不连续的 压杆组成，从而让压力成为张力海洋中的孤岛，由始终 处于张力状态的拉索构成穹顶。 (2)力学性能与形状有关。与柔性的索系结构一样，索 穹顶的工作机理和能力依赖于自身的形状。只有合理的 结构形态，才能有良好的工作性能。所以，索穹顶的分 析和设计主要基于形态分析理论。所谓形态分析就是形 状、拓扑和状态的分析。 (3)预应力提供刚度。索穹顶的刚度主要由预应力提供 ，结构几乎不存在自然刚度。因此，结构的形状、刚度 与预应力分布及预应力值密切相关。由于形状不定，对 结构分析带来相当的困难。但这些预应力产生于索元的 内部应力，而并不需要由外部加载或张拉。
膜顶施工中俯瞰
美国亚特兰大奥运会主体育馆
索穹顶结构示意图 The Sketch of “Cable Dome”
索穹顶（cable dome）结构
索穹顶结构的形式和分类 根据拓扑结构的不同，索穹顶结构大致分为 Geiger肋环型索穹顶、双曲抛物面一张拉整体穹顶、 索桁穹顶、利维系索穹顶、葵花型索穹顶、凯威特体 系穹顶系等。 1、Geiger肋环型索穹顶 这种结构体系呈圆形，由连续的受拉钢索和不连续 的压杆组成。其代表建筑为1988年汉城奥运会体育馆 和击剑馆。力从中心受拉环通过辐射状的径向脊索、 谷索、环向拉索、斜拉索传向周边的受压圈梁。