建筑结构课件：大跨度预应力钢结构设计中的相关问题

大跨度预应力钢结构设计中的相关问题—以张弦梁、弦支穹顶及索穹顶结构为例 概念张弦梁结构是由刚性压弯构件(拱)、柔性拉索或钢拉杆(弦)及撑杆组合而成的屋盖弯矩结构体系，最初是由日本大学M.Saitoh(斋藤公男)教授在20世纪80年代初提出。该结构通过撑杆减小拱弯矩和变形的同时，由弦抵消拱端推力，从而降低对边界条件的要求。上弦拱可采用实腹式截面，也可采用格构式截面。张弦梁结构(BeamStringStructure—BSS)直梁型张弦梁 分类张弦梁结构根据传力特点，可分为单向张弦梁结构、双向张弦梁结构、三向张弦梁结构、辐射式张弦梁结构等。(一维及二维张弦梁结构)单向(一维)双向(正交式布置二维)适用用于矩形平面适用于矩形、圆形和椭圆形平面三向(斜交式布置二维)辐射式(辐射式布置二维)工程名称结构类型跨度(m)日本大学体育馆单向85日本绿色穹顶辐射式167x122贝尔格莱德新体育馆双向132.7x102.7奥运会奥体中心训练馆单向43浦东机场一期航站楼单向82.6浦东机场二期航站楼单向89郑州国际会展中心单向70哈尔滨国际会展中心单向128广州会展中心单向126.6深圳国际会展中心单向126全国农展馆新馆单向77中国长春农博园单向77黄河口模型试验大厅单向148奥运会国家体育馆双向144.5x114广州南沙体育馆辐射式直径98/41.6单向及辐射式张弦梁中，撑杆与拱的连接一般采用面内铰接、面外刚接(平面铰)。适用于多边形平面适用于圆形和椭圆形平面中心宜设置受拉环及受压环 绿色穹顶(167mx122m椭圆形，135kg/m2)贝尔格莱德新体育馆(102.7mx132.7m)浦东机场航站楼(一期)(82.6m)浦东机场航站楼(二期)(89m)工程应用 广州会展(126.6m)深圳会展中心矩形平面(18×30m)×(126m+30m+126m)，250kg/m2国家体育馆(114mx144.5m) 广州南沙体育馆(直径98m/41.6m，36榀/18榀)哈尔滨国际展览体育中心(128m) 单榀张弦梁结构的发展途径(1)体内布索→体外布索→下部索杆(2)索杆替换连续梁的中间支座(3)(竖向、斜向)吊挂→下部索杆(支点代替吊点)(4)曲梁→拉杆拱→张弦梁 单榀张弦梁结构的受力特性单榀结构的受力特性实际上与简支梁相当由于张弦梁结构中通常只布置竖向撑杆，且拉索不能承受剪力，因此整体剪力由拱的剪力和索拉力及拱压力的竖向分量组成。张弦梁结构在竖向荷载作用下的整体弯矩由两部分组成：①拱压力和索拉力的水平分量所形成的等效力矩；②拱本身所承受的局部弯矩。简支梁单榀张弦梁隔离体 模型3中，撑杆对拱受力性能的改善十分显著，拱跨中挠度、支座水平位移、跨中弯矩和剪力均比模型2大幅减小，拱轴力也得到一定的改善，因此受力性能更为合理。模型2中，由于拉索的存在，拱跨中挠度和支座水平位移均远小于模型1；模型1的曲梁轴力很小而弯矩很大；模型2的拱轴力远大于模型1，但跨中弯矩和剪力均较小。模型3——张弦梁模型1——曲梁模型2——拉杆拱 零状态预应力态工作态形态定义零状态：无自重、无预应力；预应力态：自重和预应力共同作用；工作态：在预应力态受力的基础上，承受其他外荷载。零状态是拉索张拉前的状态，实际上是指构件的加工和放样形态(也称放样态)；预应力态是拉索张拉完毕后，结构安装就位的形态(也称初始态)，亦是建筑施工图中所明确的结构外形；而工作态是外荷载作用在预应力态结构上发生变形后的平衡状态(也称荷载态)。 内力/kN模型1模型2预应力态工作态预应力态工作态拱下弦最大轴力414.5296.9410.4250.9拱下弦最小轴力250.9263.6138.696.7索拉力200349.3200344.2单榀张弦梁结构的受力性能1.格构式拱端部偏心受力的影响荷载“走捷径”的原则，下弦杆件内力较大，相同截面情况下，较易失稳。模型二可显著减小支座尺寸及用钢量。模型1模型2计算结果比较 2.斜撑杆的影响模型1模型2模型3模型4模型4在提高结构刚度、改善受力性能方面效果最佳模型水平位移/mm挠度/mm模型195.3125.9模型287.6111.8模型387.3111.6模型460.083.1 双向张弦梁结构的受力性能1.与单向结构的比较a)60mx60m双向优点：双向受力、侧向稳定性好；不足：刚度分布不均匀、不能充分发挥下部索杆体系作用；原因：周边各榀厚度太小。b)单向c)1-1剖面 拱挠度单向：跨中挠度最大；双向：跨中挠度均较小，靠近两端支座的第一根撑杆附近挠度最大。(一维) 拱弯矩单向：撑杆处的负弯矩和相邻撑杆间的正弯矩相差不大——各撑杆受力相差不大，所起的弹性支撑作用大致相当，因此拱弯矩分布较均匀;双向：跨中为负弯矩而靠近两端支座均为正弯矩，且正弯矩数值大于负弯矩——跨中各撑杆受力较大，提供了较强的弹性支撑，而两端撑杆受力较小，这说明双向张弦梁并没有合理有效地利用下部索杆体系。 h/5=0.56h/5=0.75变形图2.拉索布置方式的影响拉索抛物线布置拉索折线形布置一定程度上增加边榀厚度能改善结构的刚度分布，但并非越大越好。最大挠度/mm0.56122.40.60115.00.65125.50.70205.00.75298.6 最佳预应力状态标准(1)抵消结构自重，控制结构变形，减小支座水平推力；(2)保证拉索正常工作条件下不出现索力为负而退出工作，且能保证结构预想的几何形状；(3)满足上述条件下，使预应力水平最低。预应力取值方法索内张力表示为：结构自重引起的索拉力：预应力钢结构的预应力损失一般为10%15%，则。广州会展张弦梁单榀自重135t，跨度126.6m，跨中力臂，则防止风吸力作用下拉索松弛的措施：适当增加结构配重、设置抗风索。 拉索应力限定各种荷载基本组合作用下，索的拉应力应满足下式要求：工程实践中，索的预应力宜取，且保证拉索张紧的刚度要求。预应力损失的分析与补偿(1)局部损失—锚固损失、摩擦损失等施工时进行适当超张拉的办法解决——索抗力分项系数， 索杆节点没必要刻意减小转角摩阻(2)整体损失—松弛损失、温度升高引起的损失、分批张拉损失等拉应力低于时，松弛损失不显著，设计时可不考虑；分批张拉损失的补偿方法：循环张拉＋适当超张拉。应进行施工仿真分析，制定合理的施工张拉方案，以指导施工，并宜进行索力监测。索杆节点处的平衡力系拉索在节点处可滑移，。一般情况下，撑杆保持竖直状态时两端张拉索，则张拉完毕时撑杆下端必定偏向两张拉端(偏摆)。 张弦梁结构设计的其他问题张弦梁结构的高跨比可取1/101/12；拱的矢跨比应结合建筑功能、造型及结构受力综合确定，可取1/141/18，当上弦采用格构式拱，其厚度可取跨度的1/301/50；单向结构中的单榀用钢量约与跨度的平方成正比，因此跨度不宜太大；预应力态分析应考虑几何非线性；工作态分析可采用线性分析方法，进行对考虑下部结构的整体模型和张弦梁单独计算的对比分析；一维及辐射式张弦梁的上弦拱应设置平面外的稳定支撑体系。 稳定问题矢高为正，且矢跨比在合理范围内，撑杆不会出现由于索撑节点平面外的微小侧移而产生的平面外失稳，此时拉索可不设置平面外稳定钢索。拱的侧向刚度较小，单榀张弦梁应设置平面外的稳定支撑体系。不设侧向支撑的单榀结构首先表现为拱的平面外屈曲。满足规范限值。撑杆稳定安全系数 节点设计1)张弦梁一端为固定铰支座，另一端可为滑动铰支座;2)索与撑杆的连接为铰接，索宜贯通，且应采用固定式索夹； 节点设计3)撑杆与上弦拱的连接可采用面内铰接、面外刚接或球面接触的铰接节点;4)为确保拉索穿过格构式拱的下弦节点，须准确计算其角度和方向；索张拉时，可能贴紧节点侧壁，计算时应考虑此偏心影响。 弦支穹顶结构的相关研究及工程实践 1993年，日本法政大学M.Kawaguchi(川口卫)教授等人依据张拉整体思想，将传统单层网壳和索穹顶进行有机结合，首次提出了弦支穹顶的结构概念。弦支穹顶通常是由上部单层网壳和下部索杆体系组成的屋盖形效结构体系，当结构跨度较大时，也可采用双层网壳或局部双层网壳等作为上部刚性层。径向索可采用钢拉杆。弦支穹顶结构(SuspendedDome)的概念改善了单层网壳的稳定性能，提高了单层网壳的面外刚度，降低对边界条件的要求；与索穹顶结构相比，降低设计和施工的难度。 鄂尔多斯伊金霍洛旗索穹顶结构‒‒直径71.2m两类结构比较可采用整体牵引提升方法进行安装，包括低空组装、空中牵引提升和高空张拉成型三阶段。 索穹顶整体牵引提升方法低空组装、空中牵引提升、高空张拉成型 工程实践光球穹顶（HikarigaokaDome）——世界第一座弦支穹顶，跨度35m聚会穹顶（FureaiDome）——世界第二座弦支穹顶，跨度为46m国外仅有日本有过试验性的工程实践，分别为1994年3月在东京建成的光球穹顶和1997年3月在长野县建成的聚会穹顶。 国内于2001年也有两个试验性的工程实践，分别为天津保税区商务中心大堂弦支穹顶和昆明柏联广场中厅采光顶弦支穹顶。天津保税区商务中心大堂——直径35.4m，矢高4.6m屋面以铝锰镁板为主，入口局部为采光玻璃，上部网壳为联方型与凯威特型的组合，节点为焊接空心球。昆明柏联广场中厅采光顶——直径15m，矢高0.6m肋环型单层网壳，圆管相贯，上铺中空玻璃，下部设置5圈索杆体系。至今，国内已建成或正在建设了10余座弦支穹顶结构。 2008奥运会羽毛球馆跨度93m，矢跨比1/10，为目前国内跨度较大的圆形弦支穹顶结构，用钢量约63kg/m2。单层网壳采用圆管，拉索采用平行钢丝束，分别设置5道环索、102根撑杆及204根径向钢拉杆。 武汉体育馆—椭圆抛物面双层网壳武汉体育中心二期工程—体育馆为2007年第六届全国城市运动会主赛场之一；长轴方向总长165m，短轴方向总长145m；长轴方向净跨135m，短轴方向净跨115m；下部为张拉索杆体系（Levy型），共布置3圈索系（环向索、径向索和撑杆），其中每圈均设双根环向索;主体钢结构用钢量约85kg/m2(含节点、拉索等重量)。 常州体育馆常州体育中心体育馆屋盖为一椭球型索承单层钢网壳，长轴120m，短轴80m，矢高21.45m。网壳杆件采用圆钢管，节点均采用铸钢节点。下部索系为Levy型(共6圈)。 安徽大学体育馆安徽大学体育馆弦支穹顶钢屋盖平面投影为正六边形，外接圆直径87.76m。其中，沿正六边形的6根箱型主脊梁处设置5圈索系。 济南奥体中心体育馆跨度122m，矢高12.2m，是目前已建跨度最大的圆形弦支穹顶结构。 东莞厚街体育馆—椭圆抛物面体育馆钢屋盖由单层网壳、环向索、径向钢拉杆及撑杆组成。撑杆上、下端采用铸钢节点。环向索施加预应力。网壳椭圆平面：127.875m×93m；支座平面：110m×80m，24个焊接球支座。矢高f=9.4m。中央无弦支椭圆：37.284m×27.116mf/l=1/8.5（短轴），f/l=1/11.7（长轴）屋盖投影面积：0.9340万m2展开面积：0.9825万m2元素用钢量百分比（%）（t）（kg/m2）杆件Q345530.82456.878.2环索167014.1221.52.0钢拉杆Q46028.8453.14.2铸钢节点ZG20Mn5106.54811.415.6680.33972.8100单层网壳（联方型+凯威特型，中央：绽放的花瓣）弦支（第9、7、5、3共四圈——稀索体系） 分类按上部单层网壳的不同形式，弦支穹顶可分为下列形式：肋环型弦支穹顶、施威德勒型弦支穹顶、联方型弦支穹顶、凯威特型弦支穹顶、三向网格型弦支穹顶、短程线型弦支穹顶。肋环型弦支穹顶施威德勒型弦支穹顶联方型弦支穹顶凯威特型弦支穹顶三向网格型弦支穹顶短程线型弦支穹顶 按上部网壳的曲面形状，弦支穹可分为下列形式：球面弦支穹顶、圆锥面弦支穹顶、棱锥面弦支穹顶、椭球面弦支穹顶、椭圆抛物面弦支穹顶等。圆锥面弦支穹顶棱锥面弦支穹顶椭球面弦支穹顶椭圆抛物面弦支穹顶椭球面弦支穹顶的网壳曲面基本方程椭圆抛物面弦支穹顶的网壳曲面基本方程： 按水平投影形状，弦支穹顶可分为下列形式：圆形弦支穹顶、椭圆形弦支穹顶、环形弦支穹顶、正多边形弦支穹顶等。环形弦支穹顶肋环型索杆体系联方型索杆体系（Geiger索杆体系）（Levy索杆体系）采用平面形状系数来描述椭圆形弦支穹顶，即较为适宜。按下部索杆体系拓扑关系，弦支穹顶可分为下列形式：肋环型索杆体系、联方型索杆体系等。撑杆和径向索处于同一竖直面内，体系简单，施工难度不大。但由于径向索辐射状布置，几何形状类似于桁架，抵御非对称荷载的能力相对较弱，且容易产生扭转。 按下部索杆体系布置方式划分，弦支穹顶可分为下列形式：密索体系弦支穹顶、稀索体系弦支穹顶、局部索系弦支穹顶等。局部索系弦支穹顶密索体系是指环向索的圈数与上部网壳环向杆件的圈数基本一致，且网壳的每个节点下面均设置一根撑杆。该布置方式的优点是网壳结构受力均匀，稳定性提高。但缺点也很明显，即拉索和撑杆的数量众多，既增加了拉索施工的工作量，也会影响到室内空间的建筑美感。因此，索杆体系的布置可采用稀索体系(环向索间隔一环及以上进行布置，撑杆间隔一个节点及以上进行布置)或局部索系(仅在外围区域布置一圈或几圈环向索)。国内外工程实践的统计表明，绝大多数弦支穹顶屋盖结构采用稀索体系。 改进型弦支穹顶可分为下列形式：联方－凯威特型混合网格弦支穹顶、桁架式弦支穹顶、巨型网格弦支穹顶、联方－肋环型混合布置索杆体系弦支穹顶等。联方－凯威特型混合网格弦支穹顶桁架式弦支穹顶巨型网格弦支穹顶联方－肋环型混合布置索杆体系弦支穹顶 弦支穹顶结构的整体稳定性分析，可按考虑几何非线性的有限元法（即荷载-位移全过程分析）进行计算，分析中可假定材料弹性，也可考虑材料的弹塑性，对于大型或形状复杂的结构宜采用考虑材料弹塑性的全过程分析方法。活荷载的不对称布置(半跨布置)对稳定承载力影响较大，计算中应予考虑。进行稳定分析时应考虑结构整体的初始几何缺陷的影响，缺陷最大计算值可按结构(短边)跨度的1/300取值。以稳定极限承载力最低为目标，计算确定最不利缺陷分布模式，并应重点关注主结构波形较大(非局部失稳)的反对称屈曲模态。按稳定分析求得的最低阶临界荷载，可作为结构的稳定极限承载力。弦支穹顶稳定安全系数值(荷载取标准值)：当按弹塑性全过程分析时，；当按弹性全过程分析时，。整体稳定分析方法 弦支穹顶结构设计的其他问题拉索预应力确定，应以抵消结构自重，控制结构挠度，并减小支座水平推力为原则综合考虑，采用自平衡逐圈确定法。《预应力钢结构技术规程》CECS212第5.11.5条第3款，依据下部索杆体系的节点静力平衡条件和支座水平推力接近为零的原则，提出了环向索预应力设定的计算公式。该式主要适用于中心对称的圆形弦支穹顶，且采用联方型索杆体系，从而具有一定的局限性。此外，该式一般要求上部网壳的网格基本均匀、索与索之间及索与撑杆之间的夹角相等，而水平投影为椭圆形的弦支穹顶，夹角相等的前提通常不易满足。各环索施加的预应力比值为以对下部支承结构的水平推力接近为零为原则，提出自平衡逐圈确定法。 弦支穹顶结构设计的其它问题撑杆计算长度系数取1.0。单层网壳杆件计算长度系数根据下列方式之一确定：(1)根据《空间网格结构技术规程》JGJ7-2010的相关规定取值；(2)采用直接分析法，取1.0——考虑结构的整体初始几何缺陷，进行二阶弹塑性全过程分析；(3)通过屈曲分析确定各主要杆件的计算长度系数。具体思路：先取结构自重+附加恒载+活荷载标准值工况组合进行荷载分析，再通过整体结构特征值屈曲分析确定各主要杆件的计算长度系数，步骤如下：1)由特征值屈曲分析得到结构的前若干阶屈曲模态及特征值；弦支穹顶单层网壳的矢跨比可取1/81/12。径向索的倾角选择应综合考虑预应力工作效率和建筑、结构性能要求，宜取1530。撑杆轴力随着倾角的增大而增大，对平衡屋面竖向荷载有利，但会带来撑杆间距过密或撑杆过高问题。 2)检查各阶屈曲模态形状，确定该杆件发生屈曲时的特征值，乘以相应的荷载分析轴力，得到该构件的屈曲临界荷载；3)由欧拉公式反算各杆件的计算长度系数，即拉索预应力的施加可采用以下方法：1)撑杆调节法，通过调节撑杆长度使环向索和径向索产生预应力；2)环向索或径向索张拉法。对肋环型索杆体系宜采用径向索张拉法或撑杆调节法；对联方型索杆体系，优先采用张拉环向索的方法施加预应力。施工张拉控制应严格按照设计规定的步骤进行。当拉索分批分阶段张拉时，应考虑后批张拉的拉索对前批张拉的拉索内力的影响。应进行施工张拉仿真分析，并考虑预应力损失及安装偏差对结构的不利影响，对结构体系成型过程进行监测。 弦支穹顶结构设计的其它问题弦支穹顶的单层网壳应采用刚接节点，撑杆与单层网壳、撑杆与拉索的连接宜采用铰接节点；撑杆上端宜采用焊接球或铸钢节点、下端可采用铸钢节点，应建立节点实体弹塑性有限元模型进行分析。张弦梁、弦支穹顶在荷载作用下的最大挠度与跨度之比自预应力态之后不宜大于1/250。工程实践中，建议预应力态下的反拱值不宜大于跨度的1/400；工作态下(竖直向下荷载作用下)，抵消反拱值后的挠度净值不宜大于跨度的1/400。撑杆上、下端节点索撑节点的几何设计应确保索体圆顺通过，避免在节点内部及节点端部对索体形成“折点”，以有效传递预应力；环向索宜贯通连接，应采用固定式索夹。 环向索张拉环向索千斤顶 厚街体育馆大跨度椭圆抛物面弦支穹顶结构设计简介工程概况体育馆用地约119610m2，总建筑面积约22893m2，座位数7830，是一座多功能综合性体育馆。厚街体育馆钢屋盖采用椭圆抛物面稀索体系弦支穹顶结构，平面投影为椭圆形(127.875m93m)，其中支座间长轴方向的结构净跨110m，短轴方向的结构净跨80m，支座外围悬挑部分通过V型斜杆与相应标高的混凝土圈梁侧边相连。上部单层网壳矢高9.4m，长轴矢跨比1/11.7，短轴矢跨比1/8.5(相对于结构净跨)。屋盖投影面积9340m2，展开面积约9825m2。单层网壳采用混合网格布置(联方型+凯威特型)，其中在屋盖中心区域，为兼顾建筑美观和采光要求，设计为绽放的花瓣状网格。下部张拉索杆体系，由4圈环向索、径向钢拉杆及撑杆组成(对应于单层网壳的第9、7、5、3圈环向杆)。撑杆上下端均采用铸钢节点，其它部分采用圆管相贯节点。屋盖沿110m80m椭圆线支撑在混凝土圈梁顶，设固定铰支座共24个，支座采用焊接空心球，球中标高22.600m。分析软件：MidasGen、3D3S、Ansys、Sap2000 按屋盖投影面积计算，铸钢节点：11.4kg/m2，环向索：1.5kg/m2，径向钢拉杆：3.1kg/m2，单层网壳、撑杆：共56.8kg/m2，以上各项总计72.8kg/m2。 构件和材料规格结构部位构件材质规格备注单层网壳中心花瓣区域环向杆及向外一圈环向杆Q345B377×14弹性模量：206×103N/mm2屈服强度：345N/mm2花瓣区径向杆351×14内圈拉索到中心花瓣区域间径向杆、支座外围径向杆、最外圈环向杆299×8支座向内一圈径向杆299×10支座向内二、三圈径向杆245×10其余环向杆325×10其余径向杆及悬臂处斜撑245×8索杆体系撑杆第1～3圈219×10第4圈219×12环向索第1圈1670级5×31平行钢丝束，编号由内向外，弹性模量：195×103N/mm2，屈服强度：1330N/mm2第2圈5×73第3圈5×91第4圈5×211径向钢拉杆第1圈GLG46030弹性模量：206×103N/mm2屈服强度：460N/mm2第2～3圈45第4圈70 恒载：单层网壳中心区(28m20m椭圆)0.8kN/m2，其余区域0.5kN/m2；根据马道布置，部分节点考虑了马道及作用在其上的附加吊重传来的集中荷载；构件自重由程序自动计算。不上人屋面活载：0.3kN/m2，考虑满布、半长轴、半短轴三种分布情况。风荷载：100年一遇基本风压：0.60kN/m2，场地类别：B类，体形系数、风振系数由广东省建筑科学研究院风洞试验报告提供，并考虑了0~315(间隔45)八个风向的风载作用。温度作用：取温差±25℃进行分析。地震作用：抗震设防烈度7度(0.15g)，考虑双向水平及竖向地震作用。屋面荷载(作用)本工程拟采取张拉环向索的施工方案，根据广东省标准《钢结构设计技术规程》提出的弦支穹顶结构的预应力确定方法，经优化分析，由内向外各圈环向索预拉力分别为：404.2kN、681.1kN、1008.4kN、1584.4kN。 设计结果预应力态位移预应力态最大竖向位移20.99mm，为结构短跨的1/3811<<1/400 设计结果构件内力——非抗震组合环向索最大轴力(最外圈，2389.64kN) 设计结果构件内力——非抗震组合环向索最小轴力(最内圈，148.13kN) 设计结果构件内力——非抗震组合径向钢拉杆最大轴力(最外圈，559.27kN) 设计结果构件内力——非抗震组合径向钢拉杆最小轴力(最内圈，16.73kN) 设计结果构件内力——抗震组合环向索最大轴力(最外圈，1592.37kN) 设计结果构件内力——抗震组合环向索最小轴力(最内圈，201.33kN) 设计结果构件内力——抗震组合径向钢拉杆最大轴力(最外圈，342.9kN) 设计结果构件内力——抗震组合径向钢拉杆最小轴力(最内圈，45.93kN) 设计结果构件验算环向索径向钢拉杆结论：环向索及径向钢拉杆，各种工况下均满足。 设计结果构件验算非抗震组合下，单层网壳、撑杆最大应力比(0.88) 设计结果构件验算抗震组合下，单层网壳、撑杆最大应力比(0.59) 设计结果工作态变形控制最大挠度(z负向，-91.74mm，为结构短跨的1/857<1/400) 设计结果工作态变形控制最大x向位移(21.75mm) 设计结果工作态变形控制最大y向位移(44.83mm) 采用考虑双重非线性(几何非线性、材料非线性)的全过程分析方法。当结构处于稳定承载力极限状态时，大部分构件必然已进入材料非线性阶段，考虑双重非线性的全过程分析，可更加准确地反映结构实际工作状况。考虑活荷载的不对称布置。组合一：1.0恒载+1.0满布活载组合二：1.0恒载+1.0半长轴均布活载组合三：1.0恒载+1.0半短轴均布活载考虑初始缺陷的影响，缺陷最大计算值按结构(短边)跨度的1/300取值；分别取前20阶屈曲模态作为初始缺陷分布模式，以稳定极限承载力最低为目标，计算确定最不利缺陷分布模式。分析表明：初始缺陷按最低阶屈曲模态分布时，稳定极限承载力并不是最小值；活载半短轴布置，初始缺陷按第4阶屈曲模态分布时，求得的稳定安全系数最小。稳定安全系数值(荷载取标准值)：当按弹塑性全过程分析时，；当按弹性全过程分时，。材料非线性是影响结构稳定性能的主要因素之一，考虑材料非线性的稳定安全系数明显降低。计算结果：考虑双重非线性时，；仅考虑几何非线性时，。非线性屈曲分析 节点设计—焊接球支座、撑杆上下端铸钢节点、相贯节点等以最外圈撑杆上端的某铸钢节点为例(ZG20Mn5)：节点有限元模型节点实体模型 节点设计—焊接球支座、撑杆上下端铸钢节点、相贯节点等以最外圈撑杆上端的某铸钢节点为例：节点位移云图节点应力云图 索穹顶结构的相关研究及工程实践 索穹顶通常由脊索、斜索、环索、撑杆、内拉环或脊索中心交汇连接构件和外压环等组成的预应力自平衡张拉结构体系。索穹顶结构形式主要有：肋环型、联方型等，适用于圆形、椭圆形或多边形平面。索穹顶结构(CableDome)的概念肋环型联方型1—脊索；2—斜索；3—环索；4—撑杆；5—内拉环(或中心连接构件)；6—外压环 典型工程实践亚特兰大奥运会GeorgiaDome(240.79m×192.02m，联方型)不包括压力环，用钢量：30kg/m2 典型工程实践汉城奥运会GymnasticHall(119.8m，肋环型)不包括压力环，用钢量：15kg/m2 鄂尔多斯伊金霍洛旗索穹顶结构(肋环型)是目前国内最大的索穹顶结构工程，屋盖建筑平面呈圆形，直径71.2m，矢高约5.5m。由外压环、内拉环、环索、斜索、脊索及两圈撑杆组成，表面覆盖膜材。典型工程实践 撑杆上节点撑杆下节点拉索与外环桁架连接节点内拉力环节点鄂尔多斯伊金霍洛旗索穹顶结构的相关节点 索穹顶结构设计的相关问题屋面围护结构采用：(1)张拉膜面，当膜面单元尺寸较大时，可采用次索网加强；(2)压型钢板或铝板、玻璃面板等刚性屋面，可通过檩条、网壳、索网等次结构与主结构连接；次结构宜搁置在索穹顶主结构的撑杆顶端，次索网可与主结构的脊索连接。结构设计的基本规定：(1)初始态分析时，拉索预张力宜取标称破断力的15%~30%，即索的预应力宜取，且结构自振频率不宜小于1.0Hz；(2)正常使用极限状态(荷载标准组合)，拉索不应松弛，最小索力宜满足索段跨中挠度不大于索长的1/200——拉索张紧的刚度要求；承载能力极限状态(荷载基本组合)，拉索应力应符合以下规定:(4)索穹顶在荷载作用下的最大挠度与跨度之比自预应力态之后不宜大于1/250。——索抗力分项系数，可取2.02.5，重要索取高值，次要索取低值。 索穹顶结构设计的相关问题节点设计宜满足下列要求：(1)撑杆顶端，脊索宜断开，通过索头与撑杆顶端连接；若脊索贯通连接，应采用固定式索夹，采取有效抗滑措施，进行索夹抗滑试验，保证索夹夹持住索体；(2)撑杆底端，环索宜贯通连接，应采用固定式索夹，防止索体滑动；(3)待结构张拉成型后，应对固定式索夹的高强螺栓进行复拧；(4)撑杆底端索夹内的索体孔道应呈圆弧形，且圆弧半径不小于索体直径的20倍，孔道端口方向应与索体轴线相切；(5)马道、设备等附属设施应吊挂附着在撑杆上，不宜吊挂在拉索上。典型撑杆顶端和底端节点 欢迎批评指正谢谢！