大跨度空间索穹顶结构的现状与发展趋势

大跨度空间索穹顶结构的现状与发展趋势

摘要：索穹顶结构随着不断的工程应用而不断的走向成熟，全文回顾了索穹顶结构的发展与组成特性以及分类，并且以目前中国大陆的三个索穹顶结构为例，展示了索穹顶结构的工程应用。全文论述了大跨空间索穹顶结构在设计与施工中要解决的关键问题，最后对索穹顶结构的未来发展进行了展望。关键词：索穹顶结构、工程应用、设计、施工

1前言

索穹顶结构自20世纪80年代开始风靡全球，是美国工程师盖格尔发展和推广富勒张拉整体结构思想后实现的一种大跨空间结构，并在汉城奥运会的体操馆和击剑馆得以首次应用，随后在伊利诺斯州立大学的红鸟体育场、佛罗里达州的太阳海岸穹顶、亚特兰大奥运会的主体育馆的佐治亚穹顶和中国台湾桃园体育场的成功应用使索穹顶结构迅速发展，在结构设计和施工方法上都取得了极大进步。

索穹顶结构采用高强钢索作为主要受力构件，配合使用轴心受力杆件，巧妙的张拉成穹顶结构。该结构由径向拉索、环索、压杆、内拉环和外拉环组成，其平面可建成圆形、椭圆形或其他结构。

索穹顶结构的特点十分突出，主要表现在以下方面[1][2]：全张力状态，让压力成为海洋中的孤岛，由始终处于张力状态的索段构成穹顶；与形状有关，索穹顶的工作机理和能力依赖于自身的形状；预应力提供刚度，结构几乎不存在自然刚度，结构的形状、刚度与预应力分布和预应力值密切相关；自支撑体系，索穹顶可以分解为三个功能迥异的部分，包含索系、桅杆及箍索，索系支承于桅杆之上，索系和桅杆互锁；自平衡，在载荷态，桅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网架均是自平衡构件；与施工方法和过程有关，索穹顶的成形过程就是施工过程；非保守结构，结构在加载后，结构产生变形，结构刚度发生变化，当卸载后，结构无法恢复到原来的形状和位置，刚度也无法回到初始状态；造型优美；造价低；施工速度快，结构所用的钢索、压杆、节点锚具及外压环梁均可在工厂中生产成形，可以节约施工场地并能加快工程进度。

索穹顶结构按拓扑结构的不同，可以大致分为盖格尔肋环形索穹顶[3]（见图1a）、双曲抛物面—张拉整体穹顶（见图1b）、索桁穹顶、利维体系索穹顶、葵花型索穹顶、凯威特体系索穹顶(见图1c)等；按封闭情况分，可以分为全封闭索穹顶、开口式索穹顶和开合式索穹顶三种；按覆盖层材料划分，可以分为薄膜索穹顶和其他材料索穹顶两种。

2典型工程应用

随着索穹顶结构在整个世界范围内的深入研究，我国从20世纪90年代开始对索穹顶结构进行关注报道，到目前为止已经在索穹顶结构研究和应用上取得了长足进步。

2.1无锡太湖国际高科技园区科技交流中心

在无锡科技交流中心的钢结构设计中，将屋面钢结构—梅花造型的花心区域设计为索穹顶结构，使索穹顶结构真正开始应用于国内的工程领域。建筑结构G区部分采用刚性屋面索穹顶结构（见图2a），该结构体系由上弦脊索、下弦斜索、环索、压杆、外环受压环及内环刚性拉力环构成（见图2b），是典型的盖格尔肋形索穹顶结构体系。索系特点为上弦脊索连续，环索连续。该所穹顶结构平面为圆形，直径24m，矢高2.109m，采用铝镁锰板的金属刚性屋面。刚性屋面通过型钢檩条与下部索穹顶结构体系结合。索穹顶拉索材料为外包双层PE1 670MPa级半平行钢丝束，索穹顶压杆及中心刚性拉力环采用圆钢管制作[4][5]。

2.2中国煤炭交易中心

中国煤炭交易中心位于山西太原，煤炭交易中心展览中心的玻璃幕墙次索网与索穹顶组合的索网穹顶结构，其平面为圆形，直径36m，矢高1.636m，结构中心点标高25.848m。结构主要特点为在索穹顶主结构的基础上，增加了上层幕墙次索网;屋面覆盖材料采用点支式玻璃屋面。结构由外环梁、内环梁、环索、斜索、脊索及两圈撑杆组成，是典型的盖格尔肋型索穹

顶结构体系[6][7]。索穹顶主结构用索为Galfan(5%铝-95%锌-混合稀土合金元素)镀层拉索，公称抗拉强度为1670MPa;幕墙结构用索为SUS316或碳钢索，公称抗拉强度为1320MPa。结构三维图、剖面图和结构平面轴线图如图3所示。

2.3内蒙古伊旗全民健身体育中心

内蒙古伊旗全民健身体育中心工程建筑总高度30m，结构外形总体呈现下部楼层收进、上部楼层大悬挑形状，建筑效果图见图4a。该结构是我国大陆地区第一座大跨度索穹顶结构。屋面为120m×120m正方形平面，外围采用放射状布置大跨度钢管相贯桁架结构，屋盖中心为跨度71.2m肋环型索穹顶结构，矢高5.5m，设20道径向索、2道环索，图4b为索穹顶结构建筑效果图[8][9]。

3设计中关键问题

荷载是结构设计和分析的依据。对于索穹顶结构，风荷载是主要荷载甚至是控制荷载。对于大型的索穹顶结构需要进行风洞试验建立屋面上风荷载的分布规律。正确合理的确定风致作用的规律和验算风效应（比如风与结构的耦合作用、风致振动效应等）是极其重要的。此外，预应力及边缘结构变形对结构的影响也是一种特殊的作用和效应，必须加以注意[10]。

从几何结构上分析，索穹顶结构体系属于几何可变体系，该体系只有通过施加预应力才能使其刚化为结构。从分析方法上讲，索穹顶结构的设计必须要考虑几何非线性的影响，因为在未施加预应力之前几乎没有刚度以至于没有维护自身初始状态的能力。这些特点导致索穹顶结构的设计更为复杂。

索穹顶结构的设计内容主要包含成形态的设计、荷载态的设计、节点的设计以及施工成形的设计。其中成形态设计和荷载态设计都和预应力有关，只不过是两个不同的分析阶段。所以索穹顶结构的关键技术问题可以概括为预应力设计、节点设计和施工成形的全过程设计。

3.1预应力设计

预应力设计是索穹顶结构设计中的重要环节，实质上是结构的刚度设计，结构的刚度主要通过施加预应力来获得。预应力水平的大小应该保证体系中的所有杆件在任何状态下均有恒定的张力，否则会出现索的松弛现象。另外，索穹顶的几何稳定性也是与体系的预应力水平有着直接的关系。

索穹顶的预应力设计是一个很复杂的问题。这是因为预应力状态和结构的几何形状是相互影响的，预应力状态会改变结构的几何形状，结构形状的改变也会影响到预应力状态，所以结构预应力设计应该和结构的找形问题耦合在一起考虑，这样使得结构分析和设计更为复杂。在实际的设计过程中，我们往往是根据建筑的需要和结合工程经验，先确定结构的具体几何形状，此时找形的目的主要是对建筑方案的合理性给出判据，这样问题就简化为在给定的几何分布下求解对应的预应力分布。