弦支穹頂結(jié)構(gòu)

前言

　　1983年我考入天津大學(xué)選擇建筑結(jié)構(gòu)作為自己的專業(yè)，之所以沒有選擇中學(xué)時(shí)喜歡的化學(xué)，是因?yàn)楦改傅慕ㄗh；1987年被推薦免試讀碩士研究生，我之所以選擇鋼結(jié)構(gòu)方向是因?yàn)橐晃焕贤瑢W(xué)的參謀意見；1988年導(dǎo)師劉錫良教授帶我乘長(zhǎng)途火車坐硬座去成都參加第四屆空間結(jié)構(gòu)會(huì)議，腳雖然腫脹得穿鞋都有些費(fèi)力了，但精神上收獲巨大，就這樣我真正喜歡上了空間結(jié)構(gòu)?！　?990年碩士畢業(yè)的時(shí)候，網(wǎng)架幾乎成為空間結(jié)構(gòu)的代名詞，雖然設(shè)計(jì)網(wǎng)架對(duì)當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)院來說還有些難度，但是網(wǎng)架應(yīng)用呈現(xiàn)無(wú)所不在、無(wú)所不能的鼎盛態(tài)勢(shì)，因?yàn)橐环矫嫒藗冋J(rèn)識(shí)到網(wǎng)架代表著空間結(jié)構(gòu)的各種優(yōu)勢(shì)；另一方面，設(shè)計(jì)院在圖紙上一道線加一行字（詳見廠家圖紙）就能解決問題。結(jié)構(gòu)體系上網(wǎng)架之后空間結(jié)構(gòu)的下一步發(fā)展方向在哪兒？我去蘭州參加第五屆空間結(jié)構(gòu)會(huì)議時(shí)，閃念出此問題，當(dāng)時(shí)想到了用索代替網(wǎng)架下弦拉桿，還畫了一個(gè)草圖，但沒有深入思考。經(jīng)過兩年設(shè)計(jì)院的工作，我又回到天津大學(xué)跟劉老師讀博士，選擇張拉整體為課題時(shí)才接上原來的閃念?！　∥以诠プx博士期間完成的張拉整體雕塑塔給到訪的國(guó)際薄殼及空間結(jié)構(gòu)學(xué)會(huì)主席川口衛(wèi)教授留下了良好的印象，經(jīng)他努力舉薦，我得以出國(guó)跟隨他完成Hosei大學(xué)和日本文部省學(xué)術(shù)振興會(huì)的兩站博士后，期間更是與Suspendome（弦支穹頂）結(jié)下了不解之緣，以至于劉老師勸我回國(guó)做第三站博士后及以后留天津大學(xué)工作到現(xiàn)在，都一直沒有停止弦支穹頂?shù)难芯??！　‘?dāng)代中國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)新體系層出不窮，2008年奧運(yùn)會(huì)和2009年全國(guó)運(yùn)動(dòng)會(huì)使弦支穹頂成為新結(jié)構(gòu)體系的一顆明星。憑借其合理的傳力機(jī)制、美觀的建筑效果和經(jīng)濟(jì)的工程造價(jià)，弦支穹頂結(jié)構(gòu)已經(jīng)得到中國(guó)科研、教學(xué)、設(shè)計(jì)、施工等業(yè)界的認(rèn)可，在實(shí)際工程應(yīng)用中，無(wú)論是數(shù)量上還是跨度上，都為世界之最?！　“殡S近二十項(xiàng)工程的應(yīng)用，弦支穹頂結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論、分析方法和構(gòu)造技術(shù)得到了快速發(fā)展，從最早天津弦支穹頂工程的技術(shù)討論，到后來參加奧運(yùn)會(huì)羽毛球館、常州體育館、濟(jì)南奧體中心體育館、三亞市體育中心體育館、大連市體育館和山東茌平體育館的各個(gè)弦支穹頂?shù)膶＜艺撟C會(huì)，特別是在奧運(yùn)工程如火如荼的建設(shè)期內(nèi)，一周兩次到羽毛球館參加施工技術(shù)專項(xiàng)論證，我感覺有必要進(jìn)行技術(shù)總結(jié)。

內(nèi)容概要

弦支穹頂是基于張拉整體概念而產(chǎn)生的一種預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)，具有力流合理、造價(jià)經(jīng)濟(jì)和效果美觀等特點(diǎn)。通過2008年奧運(yùn)會(huì)和2009年全運(yùn)會(huì)等大跨度體育館的建設(shè)，弦支穹頂這一新結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)勢(shì)得到充分體現(xiàn)。本書從空間結(jié)構(gòu)和弦支結(jié)構(gòu)的論述開始，給出了弦支穹頂結(jié)構(gòu)類型、分析設(shè)計(jì)理論、結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力特性、結(jié)構(gòu)試驗(yàn)、節(jié)點(diǎn)形式和設(shè)計(jì)原則、結(jié)構(gòu)施工分析和控制理論等一套完整的弦支穹頂結(jié)構(gòu)研究成果及工程實(shí)踐進(jìn)展內(nèi)容。本書有兩個(gè)特色：一是從理論上提出了連續(xù)折線索單元；二是從實(shí)踐上對(duì)近20項(xiàng)已建和在建弦支穹頂結(jié)構(gòu)工程進(jìn)行了總結(jié)。　　本書可供土木工程相關(guān)專業(yè)的設(shè)計(jì)和研究人員、大學(xué)教師、研究生、高年級(jí)本科生參考使用。

作者簡(jiǎn)介

　　陳志華，教授，博士生導(dǎo)師，天津大學(xué)建筑工程學(xué)院鋼結(jié)構(gòu)研究所所長(zhǎng)。任中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)房屋建筑鋼結(jié)構(gòu)分會(huì)副理事長(zhǎng)，國(guó)家鋼結(jié)構(gòu)工程中心技術(shù)委員會(huì)委員，中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)專家委員會(huì)委員兼副秘書長(zhǎng)，中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)空間結(jié)構(gòu)委員會(huì)委員，中國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)鋼結(jié)構(gòu)專家委員會(huì)委員，中國(guó)鋼協(xié)常務(wù)理事，建筑鋼結(jié)構(gòu)教育部工程中心技術(shù)委員會(huì)委員，天津市鋼結(jié)構(gòu)學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)，《空間結(jié)構(gòu)》、《鋼結(jié)構(gòu)》和《建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展》等雜志編委。　　主持或參編地方、行業(yè)或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)十部，主編或參編著作教材六部；作為第一完成人獲省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)和二等獎(jiǎng)各三項(xiàng)；入選教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃；獲得天津市十大杰出青年提名獎(jiǎng)、第五屆詹天佑土木工程大獎(jiǎng)和第四屆空間結(jié)構(gòu)優(yōu)秀工程金獎(jiǎng)；是天津市優(yōu)秀博士后和新世紀(jì)百千萬(wàn)人才工程國(guó)家級(jí)人選。

書籍目錄

前言 第1章 概述 　1.1 空間結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展 　　1.1.1 空間結(jié)構(gòu)的概念 　　1.1.2 空間結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 　　1.1.3 空間結(jié)構(gòu)的形式 　1.2 弦支結(jié)構(gòu) 　　1.2.1 弦支結(jié)構(gòu)的概念及特點(diǎn) 　　1.2.2 弦支結(jié)構(gòu)的分類 　1.3 弦支穹頂結(jié)構(gòu) 　　1.3.1 弦支穹頂結(jié)構(gòu)的概念 　　1.3.2 弦支穹頂結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 　　1.3.3 弦支穹頂結(jié)構(gòu)的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀 　1.4 弦支穹頂結(jié)構(gòu)的分類 　　1.4.1 按上層單層網(wǎng)殼形式劃分 　　1.4.2 按上層構(gòu)件連接形式劃分 　　1.4.3 按下層拉索的類型劃分 　　1.4.4 弦支穹頂結(jié)構(gòu)分類小結(jié) 　1.5 本書的主要內(nèi)容 第2章 幾何非線性有限單元法 　2.1 空間桿單元?jiǎng)偠染仃?　　2.1.1 基本假定 　　2.1.2 平衡方程的建立 　2.2 空間梁?jiǎn)卧?　　2.2.1 基本假定 　　2.2.2 彈性梁?jiǎn)卧陔S動(dòng)局部坐標(biāo)系中的切線剛度矩陣 　　2.2.3 彈性梁?jiǎn)卧趩卧植孔鴺?biāo)系中的切線剛度矩陣 　2.3 索單元 　　2.3.1 間斷索單元 　　2.3.2 連續(xù)折線索單元 　　　2.4 總剛矩陣的集成與邊界條件的處理 　　2.4.1 總剛矩陣的集成 　　2.4.2 邊界條件的處理 　2.5 非線性方程組的求解方法 第3章 弦支穹頂結(jié)構(gòu)的形態(tài)分析 　3.1 形態(tài)分析的基本概念 　3.2 弦支穹頂結(jié)構(gòu)的形態(tài)分析理論 　　3.2.1 找力分析方法 　　3.2.2 找形分析方法 　　3.2.3 找力算例分析 第4章 弦支穹頂結(jié)構(gòu)的靜力性能分析 　4.1 弦支穹頂結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì) 　4.2 弦支穹頂結(jié)構(gòu)的基本靜力性能 　　4.2.1 計(jì)算模型 　　4.2.2 基本靜力性能分析 　　4.2.3 線性疊加原理的驗(yàn)證與應(yīng)用 　　4.2.4 弦支穹頂結(jié)構(gòu)靜力性能的參數(shù)分析 　4.3 弦支穹頂結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析 　　4.3.1 弦支穹頂結(jié)構(gòu)的基本穩(wěn)定性分析 　　4.3.2 弦支穹頂結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性參數(shù)分析 第5章 弦支穹頂結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能研究 　5.1 弦支穹頂結(jié)構(gòu)的基本動(dòng)力特性 　　5.1.1 弦支穹頂結(jié)構(gòu)的自振特性 　　5.1.2 參數(shù)分析 　5.2 弦支穹頂結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)分析 　　5.2.1 風(fēng)振分析的必要性 　　5.2.2 水平風(fēng)力作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng) 　　5.2.3 豎向風(fēng)力作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng) 　　5.2.4 小結(jié) 　5.3 弦支穹頂結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析 　　5.3.1 弦支穹頂結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特性 　　5.3.2 地震反應(yīng)的參數(shù)分析 　　5.3.3 小結(jié) 第6章 用連續(xù)折線索單元的弦支穹頂結(jié)構(gòu)特性分析 第7章 弦支穹頂結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究 第8章 弦支穹頂結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn) 第9章 弦支穹頂結(jié)構(gòu)的施工模擬分析 第10章 弦支穹頂結(jié)構(gòu)工程實(shí)例 參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　弦支桿式結(jié)構(gòu)的上層桿件之間連接為鉸接。桿件僅承受軸向力，沒有彎矩和剪力的作用。按照這種定義，平常所說的張弦梁即為弦支梁式結(jié)構(gòu)，而弦支桁架以及弦支網(wǎng)架即為弦支桿式結(jié)構(gòu)。　　2.按照上層結(jié)構(gòu)類型劃分　　按照上層結(jié)構(gòu)類別，弦支結(jié)構(gòu)分為弦支梁、弦支桁架、弦支穹頂、弦支混凝土樓板、弦支筒殼和弦支拱殼等。其中，弦支梁的上層結(jié)構(gòu)為梁式結(jié)構(gòu)；弦支桁架的上層結(jié)構(gòu)為桁架結(jié)構(gòu)；弦支穹頂?shù)纳蠈咏Y(jié)構(gòu)為穹頂結(jié)構(gòu)；弦支混凝土板的上層結(jié)構(gòu)為混凝土板；弦支筒殼的上層結(jié)構(gòu)為筒殼結(jié)構(gòu)；弦支拱殼的上層結(jié)構(gòu)為拱支網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)?！　?.按照“弦支”的布置方式劃分　　按照“弦支”的布置方式，弦支結(jié)構(gòu)分為平面弦支結(jié)構(gòu)、可分解型空間弦支結(jié)構(gòu)（又稱為平面組合型弦支結(jié)構(gòu)）和不可分解型空間弦支結(jié)構(gòu)。其中，可分解型空間弦支結(jié)構(gòu)主要包括雙向弦支結(jié)構(gòu)、多向弦支結(jié)構(gòu)和輻射式弦支結(jié)構(gòu)三類；不可分解型空間弦支結(jié)構(gòu)主要包括弦支穹頂、弦支筒殼和弦支混凝土板結(jié)構(gòu)等。　　1）平面弦支結(jié)構(gòu)　　平面弦支結(jié)構(gòu)是指單向弦支結(jié)構(gòu)，主要包括弦支梁和弦支桁架。將數(shù)榀平面弦支構(gòu)件平行布置，通過連接構(gòu)件將相鄰兩榀平面弦支結(jié)構(gòu)在縱向進(jìn)行連接，形成實(shí)際工程的整體結(jié)構(gòu)體系（圖1.5）。整個(gè)結(jié)構(gòu)由上層構(gòu)件、撐桿、弦以及縱向連接構(gòu)件組成，屋面荷載由各榀構(gòu)件單向傳遞，整體結(jié)構(gòu)呈平面?zhèn)髁Α！　蜗蛳抑ЫY(jié)構(gòu)比桁架節(jié)點(diǎn)少，所以整體結(jié)構(gòu)具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、運(yùn)輸方便和造價(jià)低等特點(diǎn)。該結(jié)構(gòu)較適用于矩形平面?！　?）可分解型空間弦支結(jié)構(gòu)　　可分解型空間弦支結(jié)構(gòu)（平面組合型弦支結(jié)構(gòu)）是指結(jié)構(gòu)可以拆分為多榀平面弦支構(gòu)件的組合，受力時(shí)呈空間結(jié)構(gòu)受力特征。每榀構(gòu)件都是平面的，根據(jù)各榀構(gòu)件的組合方式可以將可分解型空間弦支結(jié)構(gòu)分為雙向弦支結(jié)構(gòu)、多向弦支結(jié)構(gòu)和輻射式弦支結(jié)構(gòu)三類?！　。?）雙向弦支結(jié)構(gòu)?！　‰p向弦支結(jié)構(gòu)是將數(shù)榀弦支平面構(gòu)件沿橫、縱向交叉布置（圖1.6）而成。結(jié)構(gòu)也是由上層構(gòu)件、撐桿和弦組合而成。因?yàn)樯蠈訕?gòu)件交叉連接，側(cè)向約束相比單向弦支結(jié)構(gòu)明顯加強(qiáng)，結(jié)構(gòu)呈空間傳力。但相比單向弦支結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)處理較復(fù)雜。該形式較適用于矩形、圓形和橢圓形平面?！　。?）多向弦支結(jié)構(gòu)?！　《嘞蛳抑ЫY(jié)構(gòu)是將數(shù)榀平面弦支構(gòu)件多向交叉布置而成（圖1.7）。結(jié)構(gòu)呈空間傳力體系，受力合理。

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