一种预应力单层折面网壳结构的试验研究

  邢  栋，  董石麟，  柳长江，  朱明亮

 （1潍坊学院建筑工程学院，潍坊261061；2浙江大学空间结构研究中心，杭州310027；3东南大学土木工程学院，南京210096）

[摘要]  单层折面网壳是近年来新兴起的一种由三角形折面网格组成、外形如宝石群或宝石晶体的单层网壳结构。为改善单层折面网壳的受力性能、提高结构刚度、优化结构设计，可在其基本结构体系的基础上增设若干道预应力环索。以铰接B6.8型单层折面网壳为例，通过模型静载试验验证了理论分析的可靠性，对比分析了结构施加预应力前后的受力性能，并在施工张拉模拟试验的基础上给出了合理可行的张拉施工方法。

0  引言

 单层折面网壳是近年来发展起来的一种由三角形折面网格组成的新型单层网壳结构。它摆脱了传统网壳圆柱面、球面、椭球面的构形，造型非常灵活、形式多样，结构挺拔有力，理论上可以满足任意平面、任意形状的建筑要求，是方便结构与建筑协调配合的一种新型的刚性空间结构。为了解该结构的受力特性，国内学者利用空间梁单元建模并对其进行了有限元分析及模型试验研究。

 形如深圳大运会体育馆的单层折面网壳结构，其铰接基本体系为一种满足几何不变性基本要求的空间桁架结构，而且是静定的可预应力体系。深入研究了圆形平面宝石群单层折面网壳的构形，提出了简化杆系计算模型及其基本方程，可方便地求得网壳结构的内力和位移的精确解。同时，为改善该单层折面网壳的受力特性，可在基本结构体系的基础上增设若干道预应力环索（图1）。本文通过B6,8型（由6种节点类型、8个折板单元组成）预应力单层折面网壳结构模型试验验证了理论分析的可靠性，对比了结构施加预应力前后的受力性能，并在张拉模拟试验的基础上给出了合理可行的张拉施工方法。

1  试验模型的设计

 试验模型主要由底部自平衡支承平台、结构试验模型、顶部堆载承台三部分组成，结构试验模型跨度为5m、高为1.72m，结构模型选取B6.8型单层折面网壳结构，平面结构由8个折板单元构成，共计48个节点、120根杆件。试验模型构造如图1所示。

1.1支承平台设计

 位于底部的正八边形支承平台的外接圆直径为Sm，是由8根钢梁、16块翼缘连接板及16块腹板连接板拼装而成的自平衡环梁体系。钢梁采用截面为300×200×12×12的焊接H型钢（图2）。

1.2预应力单层折面网壳模型设计

 预应力单层折面网壳结构基本体系平面图、剖面图及模型尺寸见图1。杆件采用φ25 x2的Q235圆钢管，试验模型采用螺栓球节点连接。其中，支座处8个节点采用直径120mm的螺栓球节点，其余40个节点采用直径lOOmm的螺栓球节点。

 该模型中共设16根环索，索直径8mm，分两圈布置（如图1粗线部分所示），环索构造示意图见图3。由花篮螺栓配合螺杆构成的张拉段布置在环索的一端，通过控制索长对结构施加预应力。为方便测得环索中的内力，索段中间设置钢棒测试段。

1.3加载承台设计

 本次试验的加载通过用砝码块在上部堆载的方式实现。加载承台是由咖75x5圆管一端连接直径450mm、厚Smm的圆形托板，另一端通过M22高强螺栓与螺栓球节点相连构成的(图4(a))，具有安装迅速、可多次利用的特点。为方便加载，加载承台按照加载点位置不同分为高台、低台两种(图4(b))。

1.4测点布置

 综合考虑测试内容、测试仪器数量与结构对称性等因素，以反对称的形式在网壳上布置应变测点66个，每个测点在杆件竖直面内贴上、下两片应变片。沿结构主径向及次径向两个断面布置10个位移测点。测点布置详见图5。

2  线性叠加原理的试验验证

 通过理论分析发现，单层折面网壳预应力结构在施加预应力的过程中，其力学响应基本符合线性叠加原理。为验证其可靠性，现假设结构外环索索力设计值FWHS =6 592N，内环索索力设计值Fnhs-2 224N，按照如下试验步骤对结构进行张拉试验：

 (1)仅张拉外圈环索使其内力达到索力设计值FWHS。

 (2)分别对内、外圈环索进行张拉，使各圈环索张拉到位后环索的预应力值达到索力设计值。

 (3)仅张拉内圈环索使其内力达到索力设计值FNHS。

 部分构件试验数据结果如表1~3所示，单层折面网壳预应力结构在张拉过程中其各个构件的力学响应基本符合线性叠加原理，结构最终的内力可以视为外圈环索单独张拉至索力设计值结构所产生的内力与内圈环索单独张拉至索力设计值结构所产生的内力之和，单独变化某一索力后结构的响应可以根据线性叠加原理对原有结果进行线性叠加来近似获得。

3  预应力体系单级分批张拉试验

 为了解单层折面网壳预应力结构体系的受力特性、环索（环索编号示意见图6）张拉过程中各结构构件的响应及验证施工模拟计算结果的可靠性，对单层折面网壳预应力结构体系模型进行单级分批张拉试验。按照前文得到的索力设计值，采取两根中心对称索同时张拉的分批张拉方法，整个张拉过程分为8步，张拉流程为：(0)初始状态→(1)同时张拉外圈①号、⑤号索→(2)同时张拉外圈②号、⑥号索→(3)同时张拉外圈③号、⑦号索→(4)同时张拉外圈④号、⑧号索（外圈张拉完毕）→(5)同时张拉内圈①号、⑤号索→(6)同时张拉内圈②号、⑥号索→(7)同时张拉内圈③号、⑦号索→)同时张拉内圈④号、⑧号索（张拉完毕）。图7、图8分别给出了单层折面网壳预应力体系单级分批张拉过程中附加内外环索索力及内环杆、径向杆和斜杆轴力的变化情况。

 通过理论和试验结果对比可以看出，张拉过程中单层折面网壳结构内力试验值与理论值基本相符，张拉成形后网壳结构索件内力试验值与理论值一致。外圈环索在通过8步张拉后索力分布较为均匀且基本达到索力设计值；内圈环索在张拉过程中及张拉成型后索力分布与理论要求略有偏差，分析其主要原因在于：环索设计预应力值相对较小，抗干扰能力稍弱。由此可以证明整个试验过程设计合理，试验数据与理论值相符，单层折面网壳预应力结构分批单级张拉过程的试验方法及理论分析方法是可靠的。

 从图8构件分批张拉过程中内力变化曲线可知，绝大多数构件由于分批张拉过程中不平衡索力的影响，轴力在某个张拉步中迅速增加，且增加峰值超过结构张拉完毕后构件的内力，故建议同圈环索尽量同时张拉。由于预应力加强体系张拉成形后大多数杆件轴力方向与无预应力的基本体系承载时内力方向恰好相反，两者叠加恰好可以降低施工过程中构件的受力水平，所以建议施工过程中可以根据施工阶段荷载的不同进行分级张拉。

4  预应力体系全跨静载试验

 为了解单层折面网壳预应力结构体系的受力特性，对张拉完成后的结构模型进行了全跨荷载下结构静力加载试验。试验采用在每个节点上施加大小相同的集中荷载的加载方式，节点最大持荷1 200N，结构布置荷载如图9所示。假设张拉控制索力分别为内环索FNHS=1 200N，外环索FWHS=9 600N，为了模拟在不同施工荷载条件下结构的响应，整个试验按照图10所示流程进行。

 通过之前的试验结果可知，预应力单层折面网壳结构在张拉过程中非线性不明显，能够较好地符合线性叠加原理，故本次试验中流程图(图10)虚线框所示荷载状态可近似模拟结构体系处于1/3荷载态、2/3荷载态、完全荷载态三个不同荷载阶段，从而可以考察结构体系在不同施工阶段的受力情况。

 图1 1体现了全跨荷载下预应力单层折面网壳内外环索、内环杆件、径向杆件和斜杆轴力在整个试验过程中理论值与试验值对比情况，图12给出了全跨荷载下位移测点竖向位移的理论值与试验值对比情况。由试验结果可得，试验值与理论值基本吻合，可见预应力结构的全跨加载试验方法合理，且理论分析结果可靠。根据钢结构屋盖施工进度及荷载情况采用边施工、边张拉的施工方法，使得施工过程中绝大多数构件保持在受拉或是较弱压力的状态，在一定程度上保证了构件在施工过程中的安全性。

 为了解结构施加预应力前后受力性能的改变情况，取预应力体系及基本体系在节点荷载为1 200N时部分杆件内力及节点位移试验结果进行对比分析，对比结果如表4、表5所示。

 由试验结果可得，对单层折面网壳结构基本体系施加预应力后，引起了结构构件的内力重分布，由于预应力环索在结构内部形成环向抱箍力，使得斜向杆件内力大大减小，径向杆件内力也有了不同程度的降低，同时跨中各个测点的位移也大幅减小。可见，结构中的预应力环索可以优化结构内力，提高结构刚度，从而达到优化结构设计、减少结构用钢量的目的。

5  结论

 本文针对直径5m圆形平面预应力铰接单层折面网壳结构进行了结构静力性能试验、预应力张拉成形施工模拟试验，通过试验结果可以得到如下结论：

 (1)结构静载、施工模拟试验实测数据与理论分析结果基本一致，体现了模型设计和试验方法的合理性。

 (2)在结构中布置预应力环索后，可以优化结构受力，且结构整体刚度有显著提升，从而达到优化设计、节省材料、增强结构整体性的目的。

 (3)单层折面网壳预应力结构在张拉过程中其各个构件的力学响应基本符合线性叠加原理的结论，故分析单独变化某一索力后结构的响应情况可以根据线性叠加原理对原有结果进行线性叠加。

 (4)对单层折面网壳铰接结构预应力体系进行了分级张拉施工模拟及加载试验。试验结果表明，在分批张拉过程中，由于索力为非对称荷载，张拉过程中构件的内力水平甚至超过正常使用阶段的内力水平，而分级张拉能有效缓解不平衡索力的影响，故建议施工时尽量采用同圈环索同步分级张拉的方案。

 (5)施工过程中，可以根据上部结构的荷载情况采取分级张拉，结构上部荷载作用于结构所引起的内力往往与预应力环索所引起的内力方向相反，使得绝大多数结构构件在施工张拉过程中处于受拉或受较弱压力的状态，构件应力水平不高，在一定程度上保证了构件在施工过程中的安全性。