建筑结构与张拉整体结构研究现状

导语：建筑结构与张拉整体结构研究现状一文来源于网友上传，不代表本站观点，若需要原创文章可咨询客服老师，欢迎参考。

【摘要】张拉整体结构是由受压构件和受拉构件所组成的空间稳定结构，具有结构外形优美、质量轻和可折展好等优点，工程应用价值大。本文介绍张拉整体结构的定义和特点，并分别从结构的找形方法、动力学及控制等方面分析了张拉整体结构的研究现状，为后续张拉整体结构在建筑学中的广泛应用提供参考。

【关键词】张拉整体结构；找形方法；动力学与控制

张拉整体结构是由少量压杆和大量拉索构成的，是一种效率极高的张力集成体系，可充分发挥钢索的强度与张拉整体的空间作用。张拉整体结构的早期研究者多来自建筑和艺术领域，并未提出有效的设计与分析方法。直到20世纪80年代，该结构以其新颖的造型和较低的造价得到了建筑工程师的青睐，也被成功地应用到一些大跨度的建筑结构中，如斜拉桥、可折叠天线以及艺术作品。目前，由张拉整体结构建成的建筑物包括韩国奥运会体操馆、美国圣彼得堡的雷声穹顶、德国科隆比赛馆以及荷兰赫伦文溜冰场等大型体育馆等。上述均是张拉整体概念的结构体系，充分体现了该结构类型超大跨度的优越性，如乔治亚体育馆屋盖结构的耗钢量还不足30kg/m2。针对建筑结构中的张拉整体结构，其研究主要包括稳态找形方法研究、动力学及形态控制研究等方面。

1.结构内涵及特点

张拉整体结构是空间中具有稳定体积的结构，其由一系列不连续的受压单元和一系列连续的受拉单元相互作用而成[1]。受压单元称为压杆，受拉单元称为拉索，单元之间的作用点称为节点。压杆之间互不接触，拉索形成了连续的张力网络，构成了结构的空间外形。Snelson[2]认为张拉整体结构是处于自应力状态下的空间网格体系，受压构件离散布置，无承压刚度并组成一个连续的整体。目前，工程界对张拉整体结构的定义并不明确，存在多种解释。例如，Connelly[3]认为张拉整体结构类似于预应力杆系结构，其结构的边界约束可看作受压单元。由于自应力状态的存在，张拉整体结构在特定的几何形状下是可承受载荷的稳定机构，这使结构内力和形态直接相关，有很强的几何非线性和形态可调性。在建筑工程领域，张拉整体结构大多是一种由预应力实现自平衡的铰接结构。在该结构中，只有预应力的存在，才能使拉索绷紧并且达到一个自平衡的状态，而杆件大多默认为铰接状态。由于拉索预应力的广泛存在，张拉整体结构整体具有一定的弹性，通过改变结构形式、拉索的弹性系数以及拉杆的长度等来调整张拉整体结构的形状、预应力和抗压刚度等。总体上，张拉整体结构还具有以下优势：（1）质量轻、柔性刚度、可折叠、易拆卸。（2）结构中特有的柔性单元为结构自身提供保护，避免外界干扰造成的机械损伤。（3）可变形能力强，所需变形空间小。（4）结构冗余性好，可靠性强。

2.稳态找形方法研究

在张拉整体结构设计中，最关键的是几何构型的计算，即结构找形。张拉整体结构合理的几何构型会使其力学特性更优越，所以稳态找形问题是研究张拉整体结构的最基础问题。根据现有研究，稳态找形方法可大致分为三类，具体为：（1）利用张拉整体结构的拓扑关系找形，如几何找形方法。该类型方法侧重研究结构的拓扑关系，寻找满足某种规则或某种构造形式的结构，对结构本身的几何形状考虑较少，方法实用性差。（2）利用张拉整体结构的静力平衡来找形，如力密度法、能量最小法、解析法、给定杆长求索长法等。该方法可将静力平衡方程转化为约束方程，利用非线性规划进行找形分析，应用较广泛。力密度方法虽适合求解索网结构，但求解有预应力的张拉整体结构较为困难。蔡晖映等[4]通过引入驱动函数，将结构形态控制问题看作结构的状态路径问题，建立了动态张拉整体运动控制模型的求解方法。Tibert[5]等人对比了张拉整体结构典型运动方法的找形速度和准确性，发现部分找形方法较为特殊，如利用随机方法选取结构构型并通过迭代来达到平衡的蒙特卡洛法等。（3）利用张拉整体结构的动力学来找形，如动态松弛法、约束优化方法、线性优化法和蒙特卡洛法等。其中，动态松弛法主要应用于索网及索膜结构的找形中，通过阻尼耗散的方式求解结构的不平衡力，Michael[6]最早将动态松弛法应用到张拉整体结构的找形过程，计算过程中不需要对结构的刚度矩阵求逆，计算求解简单高效。与力密度法相比，动力松弛法更适合寻找结构拓扑关系、压杆长度或拉索弹性等信息已知的张拉整体结构构型。传统找形方法大多针对特定的或有一定规则的结构构型，忽略了结构自应力分布情况，方法实用性差。目前，找形方法越来越侧重于非对称结构或非规则形状张拉整体结构的研究，根据结构的节点坐标、压杆长度、拉索的弹性系数以及其他形状参数，建立结构的约束条件，并不断寻求新的结构构型。在建筑结构中，张拉整体结构的找形方法还需考虑几何外形、初始预拉力、矢跨比和跨度等参数。张拉整体结构主要有旋转抛物面、圆锥面、双叶双曲面和球面等几何外形。其中，旋转抛物面和球面在建筑领域应用较多，在不同载荷作用下结构的内力分布均匀，受力性能较好。初始预拉力需要合理选择，通常要控制内脊索和外环索的预拉应力。矢跨比和跨度直接影响张拉整体结构的静力学，需根据结构载荷进行设计。

3.动力学与形态控制研究

现阶段国内对张拉整体结构的动力学研究较少，并没有成熟的样机出现，运动学及结构形态控制等基础研究存在许多不足，亟需完善理论与实验研究。目前，根据张拉整体结构的建模方法，其动力研究主要包括牛顿欧拉法、拉格朗日法、虚功原理法和凯恩方法等。近年来，越来越多的研究者侧重研究张拉整体结构的动力学与形态控制研究，如建立了张拉整体结构基本的理论体系，得到了许多建模与分析方法[7]。在建筑结构中，张拉整体结构的动力学分析更侧重于结构稳定的判定研究上。典型的研究包括：Guest[8]建立铰接杆系结构的节点平衡方程，并对节点坐标求导分析了结构的切线刚度矩阵；Ohsaki[9]和Calladine[10]等通过分析铰接杆系结构的切线刚度矩阵，并分别利用矩阵的正定性和几何力来判断结构稳定性。罗尧治[11]和包红泽[12]等根据上述稳定性的判断规则，分别研究了索杆张拉整体结构和铰接杆系机构的稳定性。

4.结论

基于张拉整体结构既具有传统刚性结构的优点，也具有柔性结构的自我保护能力的特性，该结构可利用自身形变，产生多类结构构型，在建筑学领域可作为基本结构来制作变结构建筑，有着较大的发展潜能。

作者：张英 崔祚