单元自平衡预应力网格结构及其研究进展★

李国东 刘晚成*

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

·结构·抗震·

单元自平衡预应力网格结构及其研究进展★

李国东 刘晚成*

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

介绍了单元自平衡预应力网格的设计理念、受力机理和结构特点，总结了单元自平衡预应力网格结构在结构形态、成型方法、静动力性能等方面的研究现状，指出结构力学性能的试验研究、结构成型技术研究以及结构动力性能研究是单元自平衡预应力网格结构理论体系深化研究的关键课题。

网格结构，钢结构，预应力，自平衡

网架、网壳等空间网格结构具有受力合理，技术成熟，施工安装方便，建筑造型美观等优点，被广泛应用在体育馆、展馆、大剧院等大型公共建筑中。随着网格结构跨度的显著增大，高应力压杆的稳定性和拉杆的大形变成为控制结构截面设计的主要指标，在保证空间结构的整体刚度的情况下，网格结构的用钢量和工程造价将显著增高。为改善网格结构在大跨度建筑中应用的局限，预应力技术被引用到空间网格结构上，通过支座位移或张拉预应力拉索的方法，可以在传统的网壳结构中建立预应力效果，进而实现减少用钢量、改善构件受力状态、降低应力峰值、增大结构刚度和稳定性的良好效果。以预应力技术应用为特征的结构创新研究已成为空间结构领域的热门课题之一。

1 单元拼装式自平衡预应力网格结构

单元自平衡预应力网格结构体系就是一种遵循“间断拉、连续压”原理的新式空间结构，这种结构通过全新的结构单元体实现结构骨架承力所需的连续“压”与体系传力所必须的不连续的“拉”之间的协调性。结构的基本单元体采用高强度的柔性拉索来替代经典网格结构中的刚性上、下弦杆，为保证结构的空间形态，在单元体内设置了支撑拉索的刚性压杆，当拉索紧绷时，结构单元体被撑起，形成具有刚度的空间结构单元。结构基本单元体成型后是自平衡的，通过对结构基本单元体的拼装组合可以形成任意造型的自平衡式的预应力空间结构体系。

结构的基本单元体可以是立方体结构单元、四面体结构单元、三棱柱结构单元等规则的空间几何体，也可以根据结构需求设计成为不规则的几何体，其尺寸可根据工程的荷载工况、结构跨度和节间大小灵活选用。

结构的成型理念上与张拉整体结构体系相类似，所不同的是这种网格体系遵循着“连续压、间断拉”的刚性结构体系的力学特性，部分柔性拉杆的失效不影响结构的整体工作稳定性。与既有的网格结构相比，这种结构体系具有以下典型的特点：

1)结构体系中的预应力是自平衡的，预应力的施加不依赖索塔或结构的受压刚性环。

2)结构体系由索、杆单元体组成，柔性拉索对上、下弦杆的替换不改变结构体系的刚性方案，保留了经典网格结构在空间造型上的优势。

3)结构单元中构件的强度潜能在预应力的效果下得以充分发挥，体系的自重极轻、挠度可控，可以满足超大跨度、超大空间的建筑需求。

4)结构成型过程独特，结构预应力度的建立无需整体张拉，可以采用分段成型建立结构的预应力度，成型过程中结构的预应力度实施准确、监测方便。

5)结构中的多数杆件接近理想的二力杆，受力简单，易于保证分析计算的可靠性。结构属于多次超静定体系，个别构件的破坏不会影响结构的安全性，且方便维修。

2 研究现状

2.1 结构的形态研究

理论上，刚性方案的结构可以建造出任意的空间造型，但不同的空间形态应有与之匹配的拓展单元体。文献[4]针对网格结构的结构特征和力学要求，对采用新型结构体系的网架结构的基本单元体的几何构造进行了研究，作者认为结构单元体内的压杆最好采用高强度的空心圆钢管，通过控制压杆的长细比来实现结构的强度潜能的极限状态。作者设计了一种如图1所示的钻石状的多面球体节点，可以很好地解决多根压杆在单元体核心处连接问题。按照作者的观点，新型网格结构的单元体在几何形状上可以借鉴既有的成熟网格结构的构型，在不侵占结构内、外部空间的前提下实现经济合理的大跨度应用。研究还表明，在单元体的构造上，只要适当调整压杆长度、单元的布置方式、压杆的连接形式以及压杆间隔节点的数目等，就可以组建出各种改进的网格式空间造型。此外，从结构的形态学上分析，新型网壳结构的内部始终处在“间断拉、连续压”的内力分布状态，理论上可以保证结构体系不会发生类似于薄壳结构的失稳破坏，它的极限状态主要取决于杆件的极限状态。

在文献[5]的研究基础上，对三棱柱结构单元组建超大跨K6扇形3向网格球面网壳的方法进行了研究；文献[6]对棱台形基本单元组建翘曲形式的空间网架结构的方法进行了研究。以上研究表明，单元自平衡预应力网格结构的基本单元体的构型完全可以满足常见网格结构空间造型的拓扑需求。

2.2 成型方法的研究

单元自平衡预应力网格结构形状的维持和刚度的建立完全依赖于拉索的预应力，因此结构成型方法的研究是单元拼装式自平衡预应力网格结构工程应用理论研究的基础。文献[4]中针对新型网格结构单元成型的特点，提出了建立单元体预应力的“丝扣拧张法”，方法实施时，首先把待成型的结构构件初装定位，然后依次将两端具有丝扣设计的受压杆件从杆件交汇的节点连接件中旋出一定的长度，伸长的压杆使拉索绷紧，单元体由此获得刚度。文献[7]中首次在实验室实现了“丝扣拧张法”的结构成型过程。试验结构是一个4 m跨的自平衡预应力网格结构，结构由5组0.8 m×0.8 m×0.8 m立方体单元拼装而成，研究表明，采用“丝扣拧张法”能够精准地建立起结构各部所需的预应力数值。试验研究证实了丝扣拧张法理论的正确性，凸显了实施简便、成型操控性好等优点。

2.3 结构力学性能的研究

文献[7]中对一个空间尺寸为4.0 m×0.8 m×0.8 m的梁式网格结构模型实施了静力加载试验研究，在节点均布荷载条件下，结构承载表现稳定，结构跨中挠度和杆件的应变监测均未显现出明显的非线性变形。由试验所获得的构件内力的测试结果与基于二力杆假定的有限元数值计算结果基本吻合，其平均误差不足10%。

文献[5][6]对新型网格结构力学性能和预应力设计理论进行了研究，文献[5]中以一座300 m超大跨度的单元自平衡预应力网壳结构为研究对象，采用非线性有限元方法对该网壳结构力学性能进行了数值仿真分析，并采用了二阶段分析方法对该网壳结构进行预应力设计分析，结果表明，在竖向荷载作用下，网壳的外环处的环向索和竖向索的轴力较大；由工况改变引起的杆件应力增(卸)载现象在设计中需引起重视。

文献[8]对单元自平衡预应力网壳结构的稳定性进行了研究，用于有限元数值分析的结构模型是一座100 m跨的K6型凯威特型网壳结构，计算时考虑了荷载的作用方式和结构的几何非线性等因素对网壳结构的影响。

文献[9]在大跨度自平衡预应力球面网壳结构的基础上组合了索穹顶结构，提出一种新型组合空间结构：自平衡预应力球面网壳——索穹顶组合结构，通过一个100 m跨数值模型结构的算例，对新型结构的受力特性进行了分析，结果显示这种结构力学性能良好。

3 有待深入研究的问题

单元拼装式自平衡预应力网格结构具有独特的结构构造，结构的刚度特性、耐久性、振动特性以及破坏失效特性等力学特点与结构构造特性的关联性研究是关系到工程应用前景和应用质量的关键问题。笔者认为在现阶段可侧重以下科学问题开展研究工作。

3.1 结构力学性能的试验研究

试验研究是检验结构特性、探索结构工程应用性能最直接可靠的研究方法。目前针对单元自平衡预应力网格结构力学性能的试验研究仅局限在由少量单元体组成的小型结构上，所获试验结果不足以表征大体量结构体系的宏观性态特征，试验研究在数量上和规模上的不足，制约了单元拼装式自平衡预应力网格结构理论体系的建立和工程领域的实践进程。因此，目前迫切的工作之一就是结合已取得的理论成果开展结构与工程工况相对应的结构模型实验，在实验的基础上系统地分析单元拼装式自平衡预应力网格结构的力学特性，针对结构性态反应规律的静、动力试验研究将是未来单元拼装式自平衡预应力网格结构研究工作的主导。

3.2 成型技术的研究

目前用于单元自平衡预应力网格结构成型的方法是丝扣拧张法，理论和试验研究均已证明这是一种简便、有效的预应力成型技术。但是丝扣拧张法伸长杆件的幅度是有限的，而且被顶升的节点构件上通常关联多根拉索，一个单元体的成型的过程势必会造成临近单元中拉索应力的增(卸)载。而且，目前的成型研究未考虑环境温度变化、荷载条件的变化、拉索的徐变、蠕变等原因对结构成型质量的影响，为保证单元自平衡预应力网格结构建成后的可靠性，必须对新型网格结构成型过程中的预应力建立工艺、索力的监控技术、预应力补偿技术开展深入的研究。

3.3 结构动力性能研究

工程结构的振动问题通常比较复杂，结构的风振特性和环境激振下的结构共振特性通常会严重影响结构的耐久性和功能适用性。同时为避免结构在强风、地震作用下发生危及结构安全的损坏，结构需具备良好的抗风性能和抗震性能。单元拼装式自平衡预应力网格结构动力特性的研究目前仅局限在结构自振特性的理论分析上，结构抗风、抗震性能的理论研究并未开展，与结构类似的自平衡式预应力空间结构的抗风、抗震方面的研究成果也不多见，难以为工程应用提供可靠的借鉴经验。因此，对单元自平衡预应力网格结构进行基于工程结构可靠度的动力稳定性研究以及抗风、抗震性能的理论和试验研究十分必要。研究工作不仅要分析结构的振动特性，更要阐明结构在强风、强震条件下的破坏机理和损坏规律，提出有效的隔震控振技术。

4 结语

1)单元自平衡预应力网格结构具有独特的构造，是一种高效的预应力空间结构形式，适合超大跨无中柱的空间结构应用。结构设计以构件强度作为控制指标，通过合理的截面设计，可以使结构的内力和变形保持在合理的范围之内。2)单元自平衡预应力网格结构的成型方法独特，丝扣拧张法实施简便、操控性好，可方便地对结构实施多次成型作业，而且不受工况限制。3)单元自平衡预应力网格结构的理论体系和工程技术措施有待完善，目前研究中存在的问题表现在：基础性试验数据的缺失限制了单元自平衡预应力网格结构理论和实践的发展；结构的抗风、抗震、动力稳定特性的研究不足；结构体系的成型控制技术有待完善和发展。

[1] 董石麟.中国空间结构的发展与展望[J].建筑结构学报,2010,31(6):38-51.

[2] 陆赐麟.预应力钢结构发展50年(1)[J].钢结构,2002,17(60):32-36.

[3] 陆赐麟.预应力钢结构发展50年(2)[J].钢结构,2002,17(61):45-47.

[4] 翟广范,刘晚成.单元拼装式自平衡预应力钢结构构件加工与安装[J].森林工程,2006,22(4):52-54.

[5] 刘晚成,周华斌,林 琳,等.超大跨度自平衡预应力索杆球面网壳结构的设计与分析[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版)，2007,23(4):551.

[6] 刘晚成,李志峰.单元拼装式自平衡预应力空间网架的仿真分析 [J].低温建筑技术,2006(7)：90-92.

[7] 翟广范.单元拼装式自平衡预应力空间钢结构的研究[D].哈尔滨:东北林业大学,2006.

[8] 范 莹.自平衡预应力球面网壳结构的稳定性分析与自振特性分析[D].哈尔滨:东北林业大学,2010.

[9] 张博琨,刘晚成.自平衡预应力网壳——索穹顶组合结构的设计与分析[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版)，2010,26(3):452.

An overview of research development of self-balanced prestressed lattice structure★

Li Guodong Liu Wancheng*

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

Gives a introduction of stress mechanism, structural characteristics and designing idea for self-balanced prestressed lattice structure, summarizes the research status of self-balanced prestressed lattice structure on structural form, static-dynamic performance and forming method, points out that the experimental study on the structural force performance, study on dynamic performance and the investigation of structural forming technology is the key subject for further research of self-balanced prestressed lattice structure.

lattice structure, steel structure, pre-stress, self-balanced

2015-01-13★：中央高校基本科研业务费专项资金资助(项目编号：DL11BB05)

李国东(1976- )，男，讲师

刘晚成(1951- )，男，教授

1009-6825(2015)09-0030-03

TU318

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