鸟巢型索穹顶结构索杆退出工作后的受力性能分析

了 比较全 面 的研究 ， 对 于索 穹 顶 的极 限 承 载 力研 但
究 较 少 。结 构 的失 效一 般是 以索 单元 的松 弛 作为 判 别 标 准 ］ 关 于 该 类 结 构 部 分 索 松 弛 和破 断后 的 ， 受 力性 能却 很 少研 究 。文 献 ［ ３—４ 分 别 对 Ｇｅｇ ｒ ］ ｉｅ 、
Ｌｖ ｅ ｙ和 Ｋｉｗｉ ｅ ｔ ｔ型 索 穹 顶 结 构 部 分 索 退 出工 作 后
索杆单 元 满足 虎克 定 律 ， 即仅 考 虑 结 构 的 几何 非 线
性 ， 不考 虑材 料 非 线 性 。 由于 结 构 上部 覆 盖 的张 而
的受力 性 能进 行 了分析 。本 文将 分析 鸟巢 型 索穹 顶
收 稿 日期 ：０ １— １— ０ ２ １ １ ２
科 研 开 发
ＡＮＳ ＹＳ提供 的 生死单 元 功 能模 拟结 构 中索杆 的破 断 。所分 析 的结 构 为单 圈 １ ６个节 点 、 径 ８ 的 直 ０ｍ 鸟巢 型索 穹顶 ， 的弹性 模 量为 １ ７ ０ ａ 杆 的 索 ． ×１ ｎ Ｐ ， 弹性 模量 为 ２ １ ０ ａ ． ×１ ｎ Ｐ 。采 用 分 级 加 载 的方 法 ，
设 结 构作 用 半 跨 均布 荷 载 ， 结构 杆 件 的 内力 和 节 点 的竖 向位移 变化 见 图 ３ 。图 中的 ｍａ ｘ代表 同 圈
杆件 （ 节点 ） 的最 大 内力 （ 移 ） ， ｉ 表最 小 值 。 位 值 ｒ ｎ代 ａ 随着 荷载 的增加 ， 最值 出现 的位 置可 能会 有所改 Байду номын сангаас 。 由图 ３可知 ， 鸟巢型索 穹顶 结构 在半跨 荷 载作用 下 ， 索松 弛前后 有 以下特 点 ： ） １ 索杆 的最 大 最 小 内力 差
整 体 刚度 的影 响 。假 定 外 荷 载 作 用 于杆 件 节 点 上 ，
不考 虑结 构 自重 。
鸟巢 型索 穹 顶 结 构 一般 为 开 口形 式 （ １ ， 图 ） 与
采 用 ＡＮＳ ＹＳ软 件进 行分 析 计 算 ， Ｌｎ ｌ 用 ｉｋ Ｏ模 拟结构 中 的索 单 元 ， ｉｋ ８模 拟 结 构 中 的压 杆 单 Ｌｎ 元 ， 求解 非 线 性 方 程 组 的方 法 选 用 弧 长 法 ， 过 按 通
到 ２ ２ ｍ。 ．
脊索 ２
脊索３ 脊索 ４ 脊 索， ５ 斜索 １ 斜索 ２
３２０ ４
３２０ ４ ３２０ ４ ３２０ ４ ３２ ０ ４ ３２ ０ ４
１２ ４ ８
６１ ３ ３３ １ ３１ １ ２６ ５ ７ １２ ４ ８
斜索 ３
斜索 ４
３２ ０ ４
３２ ０ ４
６１ ３
３３ １
压杆 ４
５５ ０ ０
— ５ ７
２ 拉 索松 弛退 出工作
２ １ 满 跨 荷 栽 作 用 下 ．
图 ２给 出了结 构在 满跨 均布 荷载作 用下 杆件 内
力 和节 点位移 随荷 载 变 化 的 情况 。从 图 ２发 现 ： ） １
２ 无 需 专 门设 置上 内环 索 ， 根 脊 索 的跨 中一 段 自 ） 各
然 形成 了内环 索 。３ 环 索 （ 括相 应 的竖杆 和斜 索） ） 包 可 根据 受力 特性 的要 求 采 用 跳 节 间设 置 ， 由此 可 并
Ｓ ｅ ｌＣ ｎ ｔ ｕ ｔｏ ．２ １ （ ） ｔ ｅ ｏ ｓ ｒ ｃｉ ｎ ０ ２ ３ ，Ｖ０ ． ７，Ｎｏ １ ７ １２ ． ５
环索 ２
环索 ３ 环索 ４ 压杆 １ 压杆 ２ 压杆 ３
８２ ７ ４
６５ ０ ０ ６５ ０ ０ ３ ０ １６ ０ ５５ ０ ０ ５５ ０ ０
３５ ３ ２
１２ ２ ２ ３１ １ — １９ １ ５ —６５ ２ —１９ ９
２ ２ 半 跨 荷 载 作 用 下 ．
布 荷载 为 ０ ５ｋ ｍ 。 ． Ｎ／
鸟巢 型 索 穹顶 结 构 布置 如 图 １ 示 ， 据 力密 所 根
度 法 求 出结 构 构件 的初始 预 应 力 ， 同截 面 积一 并
起 列 于表 １ 。各 类杆 件和节 点 的编 号 由外 向 内依 次
增加。
分析 拉 索 松 弛 后 的 受 力 性 能 时 每 级 均 布 荷 载 为
Ｙｕ Ｙｕｘｉ ａｎｇ ＸｉＹｉ ｎｇ
（ ｉｉ Ｅ ｇｎ ｅｉ ｇ Ｎａ ｊ ｇＵｎ ｖ ｒ ｉ ｆ ｃ ｎ ｅａ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ，Ｎａ ｊ ｇ ２ ０ ９ ， ｈｎ ） Ｃ ｖｌ ｎ ｉｅ ｒ ， ｎｉ ｉｅｓｔ ｏ ｉ ｃ ｎ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｎ ｎ ｙ Ｓ ｅ ｎｉ １ ０ ４ Ｃ ｉａ ｎ
随着 荷载 的增加 逐渐 增大 ， 圈索杆 的 内力差较 大 ， 外
内圈索杆 内力 差较 小 。２ 随着 荷 载 的 增 加 ， ） 索杆 的
在 内圈脊索 ５松 弛前 ， 随着荷 载 的增加 ， 各脊 索 内力
明显减 小 ， 小 幅度 较均 匀 一 致 ； 索 ３ 斜 索 ４ 环 减 斜 、 、
禹 玉祥 ， ： 巢 型 索 穹 顶 结 构 索 杆 退 出工 作 后 的 受 力性 能分 析 等 鸟
鸟巢型索穹顶结构 索杆退 出工作后 ’ 的受 力性 能分析
禹 玉祥 惠 颖
（ 京 理 工 大 学 土木 工 程 系 ， 京 南 南 ２０９） １ ０ ４
摘 要 ： 析 鸟 巢 型 索 穹预 结 构 在 满跨 和 半 跨 荷 载 作 用下 部 分 索松 弛 以 及 单 根 索 、 破 断 后 的 受 力 性 能 。研 究 发 分 杆 现 ， 索松 弛 对 结 构 整 体 刚度 的影 响很 大 ； 随 着 索 、 破 断 位 置 的 不 同 ， 构 的受 力性 能有 很 大 差异 。 脊 而 杆 结
ｏ ｔ ｕｔ ｒ ｒ ｓ ｒ ｕｐｔ ｅ ． ｕｒ ｓ
ＫＥＹ Ｗ ＯＲＤＳ：ｂ ｒ ’ ｅ ｔｔ ｐ ａ ｌ ｄ ｍｅ ａ ｌ ｌ ｃ ｉｄ Ｓｎ ｓ ｙ ｅ ｃ ｂ ｅ ｏ ；ｃ ｂ ｅ ｓ ａ ｋ；ｃ ｂ ｅ ｒ ｐ ｕ ｅ ｔ ｕ ｔ ｒ ｌｂ ｈ ｖ ｏ ａ ｌ ｕ ｔ ｒ ；ｓ ｒ ｃｕ ａ ｅ ａ ｉ ｒ
结 构 在部 分索 松弛 和 破 断 后 的承 载 能力 ， 与 前 三 并 种 拓 扑形式 进行 比较 ， 该 结 构 的进 一 步 研 究 和 工 为
程 应用 提供 参 考 。
拉 膜材 与 结构 整体 刚度 比较 相对 较小 且对 结构 受力 有 利 ， 以在计 算 中不 考 虑 薄 膜 等 上 部结 构 对结 构 所
关 键 词 ： 巢型 索 穹顶 结 构 ；索 松 弛 ；索破 断 ；受 力性 能 鸟
ＡＮＡ ＬＹＳ Ｓ ＯＮ ＴＲＵＣＴ Ｉ Ｓ ＵＲＡＬ Ｂ ＥＨＡＶＩ Ｂ ＲＤ— ＯＲ ＯＦ Ａ Ｉ ＮＥＳ ＢＬＥ ＤｏＭ Ｅ Ｔ ＣＡ
ＡＦＴＥＲ ＣＡＢＬＥ Ｒ Ａ Ｏ ＳＴＲＵＴ Ｉ Ｗ ＴＨＤＲ ＡＷ Ａ Ｌ ｏ ＲＫ Ｉ Ｗ ＮＧ
索穹 顶 结 构 是 ２ Ｏ世 纪 ８ ０年 代 由 Ｇ ｉｅ ｅｇ ｒ根据 Ｆ ｌ ｒ的张拉 整体 思 想发展 起 来 的一 种新 型大 跨 空 ｕｌ ｅ 间结 构 。它属 于空 间预 应 力 索 杆 体 系 ， 由一 组 互相 孤 立 的受压 杆 和连 续 的受 拉 索 相 交 组成 ， 充 分 发 能 挥 钢 材 的抗 拉 强度 ， 结构 效 率高 ， 之其造 型 美观 等 加 特点 ， 一经 面世 便得 到工 程 界 的极 大 关注 。 目前 国 内外学 者对 索 穹顶结 构 的静 动力 性能 做
最大 内力 逐渐增 加 ， 小 内力 逐渐 减 小 。３ 结构 的 最 ）
向下 最大位 移 出现 在荷 载作 用 半 跨 的 中部 ， 向上 的
索 ３ 环索 ４的内力缓 慢减 小 ； 、 其余 索 杆 的 内力 均增 加， 且索 杆位 置越 靠外 ， 增加 幅度越 明显 。２ 在脊索 ）
调 节 网格 布 置 的疏 密 性 。４ 内 圈 索 杆 布 置 较 为 密 ） 集 ， 构 的索杆 单元 和节 点数 目较 多 。 结
１ 分 析模 型
本 文基 于有 限元理论 对构 件退 出工作前 后 的鸟 巢 型索 穹顶 的静 力性 能进 行几 何非 线性 分析 。 由于 索穹顶 结构 施工 成 型 后 ， 基 本 上 处 于 张 紧 的直 线 索 状态 ， 可忽 略 自重 引起 的垂度 影 响 ， 以采用 两 节点 所 直 线杆 单元 来模 拟 索杆单 元 。索 穹顶 结构具 有 较高 的强度 储备 ， 杆一 般不 会进 入塑 性 阶段 ， 索 因此假 定
杆 件 编 号 脊索 １ 截面积／ 预应力／ ｍｍ ３２０ ４ ｋ Ｎ ２６ ５ ７ 杆 件 编号 环索 １ 截 面 积 ／ 预应 力 ／ ｍｍ２ ８２ ７ ４ ｋ Ｎ ９０ ８ ２
４ 脊 索 ５松弛 后 ， 索 ３ 斜索 ４ 环索 ３ 环索 ４内力 ） 斜 、 、 、 仍 然缓 慢减 小 ， 他斜 索 、 索和 全部压 杆 的 内力 迅 其 环 速增 大 ， 且索 杆位 置越 靠外 ， 大 幅度越 明显 。５ 脊 增 ） 索 ５ 弛后 ， 松 结构 的刚 度突然 变小 ， 节点 的位 移 大幅 增 加 。当荷 载为 ７ｋ ｍ 时 ， 点 ４的位移 甚 至达 Ｎ／ 节
ＡＢ ＴＲＡＣ Ｓ Ｔ：Ｔｈ ｔ ｕ ｔ ｒ ｌｂ ｈ ｖ ｏ ｓ ｏ ｉｄ Ｓ ｎ ｓ ｙ ｅ ｃ ｂ ｅｄ ｍｅ ａ ｅｉ ｖ ｓ ｉ ａ ｅ ｅ ａ ｔａ ａ ｌｓａ ｅ ｓａ ｋ ｅ ｓ ｒ ｃ ｕ ａ ｅ ａ ｉ ｒ ｆａｂ ｒ ’ ｅ ｔｔ ｐ ａ ｌ ｏ ｒ ｅ ｔｇ ｔ ｄ ｗｈ ｎ ｐ ｒ ｉｌ ｂ ｅ ｒ ｌ ｃ ｎ ｃ ａ ｄ ａ ｃ ｂ ｅ ｏ ｔｕ ｕ ｔ ｒ ｉ ｇ ｕ ｄ ｒｄ ｆ ｅ ｅ ｔ ｌ ａ ａ ｅ ． Ｉ ｓ ｆ ｕ ｄ ｔ ａ ｈ ｌｋ ｆｒｄ ｅ ｃ ｂ ｅ ａ ｒ ａ ｎ ａ ｌ ｒ ｓ ｒ ｔｑ ｉｓｗｏ ｋ ｎ ｎ ｅ ｉｆｒ ｎ ｏ ｄ ｃ ｓ ｓ ｔ ｗａ ｏ ｎ ｈ ｔ ｔ ｅ ｓａ ｅ ｏ ｉｇ ａ ｌｓ ｈ ｓ ｇ ｅ ｔ ｅｆ ｃ ｎ ｓｒ ｃ ｕ ｅｓ ｉｆ ｅ ｓ ｈ ｃ ａ ｉａ ｅ ａ ｉ ｒｏ ｈ ａ ｌ ｏ ｓ ｄ ｆｅ ｅ ｔｗｈ ｎ ｄ ｆｅ ｅ ｔ ｐ ｓｔ ｎ ｏ ａ ｌ ｆ ｅ ｔｏ ｔ ｕ ｔ ｒ ｔｆｎ ｓ ；ｔ ｅｍｅ ｈ ｎ ｃ ｌ ｈ ｖｏ ｆｔ ｅ ｃ ｂ ｅ ｄ ｍｅ ｉ ｉ ｒ ｎ ｅ ｉｆｒ ｎ ｏ ｉ ｏ ｆ ｃ ｂ ｅ ｂ ｆ ｉ
１０ｋ ｍ。 分析 索 杆 破 断后 的受 力 性 能 时每 级 均 ． Ｎ／ ，
透视
平面
！ ！ Ｊ 坐 Ｊ ！ Ｊ ５ 堑
６６ ５１ ８
Ｊ ！ Ｊ 堑
鲤 Ｉ ！ ！
图 １ 鸟 巢 型 索 穹顶 结 构
表 １ 索杆 截 面 积 与 初 始 预 应 力 值
第一作者 ： 禹玉 祥 ， ，９ ８年 出 生 ， 士 研 究 生 男 １８ 硕
Ｅｍ ａｌ ｘ ｘａ ＠ ｍａｌｎｕｓ． ｄ ． ｎ ｉ： ｙ ｉｎ ｉ ｊ ｔｅｕ ｃ ．
Ｇｅｇ ｒＬ ｖ ｉｅ 、 ｅ ｙ和 Ｋｉｗｉ 型 索穹 顶相 比 ， 有 以下 特 ｅ ｔ ｔ 具
殊 的 几何 构 型 ［ ： ） 索通 长 ， 端 均 与 外 环 相连 。 ５ １脊 ］ 两