徐宗美，张华，陈礼和
南京河海大学土木工程学院 ( 210098)
E-mail：xuzongmei_1999@126
摘 要：张力结构涉及诸如基础理论研究、应用技术、材料科学、建筑设计与施工等内容，它的分析、设计与施工反映了一个国家多种先进的科学技术水平。由于张力结构充分发挥了材料强度，造型优美且具有很高的结构效率，在大跨度空间结构及中小跨度结构中得到了广泛应用。随着张力结构的不断发展，目前出现了许多新型结构型式。本文结合大量科技文献，对张力结构进行了分类并阐述了各型式的机理和特点，对其重点研究领域进行了描述，最后对张力结构的发展前景作了展望。
1概述
自动排污阀张力结构从满足一定拓扑关系的几何构造和外形中，通过预应力过程获取刚度，从而使结构具有满足功能要求的建筑造型和承载能力。因此张力结构的分析、设计与施工的过程紧紧围绕结构的拓扑、外形及
刚度展开。在当前的工程中，张力结构一般都不是一种简单的型式，而是多种型式的集成，因此各文献对其分类也不尽相同，本文取长补短，对张力结构作出如下分类：悬索结构，张力集成体系和膜结构。
2张力结构的分类
2.1悬索结构
悬索结构形式多样，布置灵活，自重轻，施工简单。它以一系列受拉的索作为主要承重构件，这些索按一定规律组成各种不同形式的体系，并悬挂在相应的支承结构上。悬索结构仅通过索的轴向拉伸来抵抗外荷载的作用，结构中不出现弯矩和剪力效应，可充分利用钢材的强度[1]。悬索结构按受力特点，一般可分成单层悬索体系、双层悬索体系、索网结构、张弦梁、组合悬索结构及斜拉结构等类型。
2.1.1单层悬索体系
单层悬索体系根据索的布置方式分为平行布置方式、辐射布置方式和网状布置方式。
平行布置方式即单向索系结构，它由许多平行单根拉索组成，拉索之间可以设置横向加劲构件，拉索两端悬挂在稳定的支承结构上，也可设置专门的锚索或端部的水平结构来承受悬索的拉力。横向加劲
构件可以传递荷载并均匀地分配到各平行索上；另外通过下压横向加劲构件的两端到预定位置或通过张拉索使整个体系产生预应力，提高屋盖的刚度。上海杨浦体育馆、安徽体育馆等工程采用了设置横向加劲梁（或桁架）的方法。横向加劲的单层悬索体系施工方便，系统几何外形简单，用料经济，是一种成功的创造[2-3]。
辐射布置方式中悬索常沿辐射方向布置，适用于圆形、椭圆形平面。用于屋盖结构时，整个屋面形成下凹的旋转曲面，悬索支承在周边构件－受压圈梁上，中心可设置受拉的内环，
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形成碟形屋面；当中心设置支柱时，则形成伞形悬索结构。受拉内环采用钢制，受压外环采用钢筋混凝土制作，可比平行布置做到较大跨度。
网状布置的单层索系形成下凹的双曲率曲面，适用于圆形，矩形等各种平面，通常索系正交布置。
sis压片2.1.2双层悬索体系
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双层悬索结构由下凹的承重索、上凸的稳定索及它们之间的连系杆组成。每对承重索和稳定索一般位于同一竖平面内，二者之间通过受拉钢索或受压撑杆连系，构成索桁架，其工作机理与预应力索网有类似之处。通过张拉承重索或稳定索或同时张拉，不仅保证索系具有必要的形状稳定性，也可以提高
整个体系的刚度。双层索系的布置也有平行布置、辐射式布置和网状布置三种形式。
平行布置的双层索系多用于矩形、多边形建筑平面，并可用于单跨、两跨及两跨以上。双层索系的承重索与稳定索要分别钳固在稳固的支承结构上，其支承结构形式与单层索系基本相同。索的水平力一般采用闭合的边缘构件、支承框架或地钳等来承受。
辐射及网状布置形式适用于圆形或椭圆形建筑平面。对辐射式，为解决双层索在圆形平面中央的汇交问题，在圆心处要设置受拉内环；根据所采用的索桁架形式不同，对承重索和稳定索可能要设置二层外环梁或二层内环梁[4]。
2.1.3索网结构
索网结构通常由两组相互正交、曲率相反的钢索直接交叠组成，形成负高斯曲率的曲面，又称为鞍形索网。通过对其中任意一组索或同时对两组索施加足够大的预应力，索网便具有很好的形状稳定性和刚度。索网结构的成功与否取决于预应力作用下索系边缘支承结构能否形成自平衡体系[5]。索网曲面造型要与建筑的造型及功能相协调，曲面形状取决于所覆盖的建筑物平面形状、支承结构形式、预应力的大小和分布以及外荷载作用等因素。因此索网曲面形状丰富多彩，可以是规则的圆形或椭圆形，也可以是不规则的形状。浙江人民体育馆的屋盖采用的是圆形平面的双曲抛物面索网结构。
索网结构效率高，经济性能佳，极大推动了张力结构的发展和应用，并且发展和演变了很多其他结构型式，如帐篷结构和膜结构。
2.1.4张弦梁结构
张弦梁结构是最近几年发展起来的大跨度钢结构，用于屋盖结构、楼层结构及墙体结构。它由下弦索、上弦梁和竖腹杆组成，通过对拉索施加预应力，使竖腹杆产生向上的分力，导致上弦梁产生与外荷载作用下相反的内力和变形，来形成整个张弦梁结构及提高结构刚度，上弦梁可改用立体桁架，此时张弦梁便成为带拉索的杆系张弦立体桁架，可使结构计算及构造得到简化。张弦梁结构使压弯构件和抗拉构件取长补短，协同工作，成为受力合理、制造运输方便、施工简单的自平衡体系，是具有良好的应用价值和前景的新型屋面结构[6]。我国大跨度张弦梁结构刚开始采用，代表性工程是广州会展中心屋盖，采用张弦立体桁架结构。2.1.5组合悬索结构
为了满足建筑功能和建筑造型的需要，将两个或两个以上的悬索体系(索网、单层索系、双层索系等)和强大的中间支承结构组合在一起，可形成形式各异的组合悬索结构。中央的支承结构负担很重，因此多采用刚度大、受力合理的拱、刚架、索拱体系等结构形式，个别的也有采用由粗大的钢缆绳组成的钢索。
预应力索拱体系是一种典型的组合悬索结构，由上弦、下弦和撑杆组成。上弦主要采用梁、拱、桁架
等刚度比较大的构件，下弦采用抗拉强度很高的钢索，上弦和下弦之间通过撑
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杆连成一种自平衡的组合桁架体系。预应力索拱体系节点构造标准化，便于工厂加工制作，现场拼装简单，运输方便[7]。适用于各种跨度的屋面结构体系和不同几何外形的屋面形式。
2.1.6斜拉结构
斜拉结构是由单索体系发展而来的，可以看做是一种采用自成体系的刚性结构来处理单索的稳定问题。由于现在工程跨度的增大，只依靠被拉结的刚性结构已不能满足对索的稳定作用，因此设置了稳定索。采用斜拉结构体系主要考虑的要点是一个合适的支承体系所构成的几何外形和平面外形以及维持稳定所需要的构造。最初斜拉结构用于斜拉桥，在以后的发展中又出现了斜拉梁、板结构、斜拉桁架协同工作，并发展了各自结构上的优势。
2.2张力集成体系
张力集成体系由一系列集成单元组成，最大的优点是张力集成。常见的空间结构如网架是由一些基本结构单元组成，这些单元由铰接杆或刚接杆构成，但集成单元是由杆元和索元构成，是一种功能元件的组合和集成。结构的刚度由受张力的索与受压力的杆件之间处于自平衡态中获得。张力集成体系的
基本特点是最大限度地处于连续张力状态，而压杆只是极少数的杆件。目前工程中的应用主要是索穹顶结构和平板型张力集成体系（索网架）。
2.2.1索穹顶结构
索穹顶结构是空间双层索系和覆面膜材的联合运用。由始终处于张力状态的索段构成穹顶，利用膜材作为屋面。索穹顶结构具有以下特点：⑴通过脊索、环索与桅杆和边缘支承结构共同形成一个整体的平衡体系；⑵在预应力作用下，整个结构处于连续的张力状态，充分发挥了钢索的强度；⑶工作机理依靠自身的形状；⑷是一种非保守结构体系。对其加载尤其施加非对称荷载，结构产生变形，同时刚度发生变化；卸载后结构既不能完全恢复到原来的形状和位置，也不能恢复原来的刚度。⑸是一种自支承体系。索穹顶可以分解为功能迥异的三个部分：索系、桅杆及箍（环）索。索系支承于受压桅杆之上，索系和桅杆互锁[8-10]。
索穹顶结构造型新颖、造价经济、安装方便，结构效率极高，成功地应用于一些大跨度、超大跨度的结构。国内外已有许多成功的实例，目前正在建造的国家大剧院是世界最大的索穹顶，显示了我国索穹顶技术已达到国际先进水平。
2.2.2平板型张力集成体系
平板型张力集成体系也是张力集成单元按一定规则集成的，但与索穹顶不同的是，构成平板型张力集成体系的集成单元自身就完成了自平衡。目前国外学者对平板型张力集成体系作了大量研究，但主要是形体的研究，仍未在实际工程中应用。
2.3膜结构
现代张拉膜始于Frei Otto德国Kassel(1995)园艺展设计建成的帐篷，经典马鞍形双曲抛物面。按照膜在结构中所起的作用和膜的结构形式，膜结构体系一般可分为充气膜、骨架式膜和张拉膜。
2.3.1充气膜结构
充气膜结构是膜发展过程中最初阶段的主要形式。它利用膜内外空气的压力差为膜材施加预应力，使膜面能覆盖所形成的空间。钢索主要起加劲作用，防止出现应力集中。充气膜结构适用于跨度超过70米的大跨度体育设施，一般采用低拱度、一层膜或二层膜的结构形
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式。早在1919年充气膜结构就在国外工程中出现。但发展至今，由于充气膜结构在使用过程中出现了较多问题，充气式膜结构除在特殊领域应用外，已大部分被张力膜所代替。
2.3.2张拉式膜结构
张拉式膜结构是通过给膜材直接施加预拉力使之具有刚度，并承担外荷载的结构形式。张拉膜曲面是维持张拉膜结构体系的最重要的结构单元，必须在建筑边界条件下具有稳定平衡的形态，同时要求在外荷载作用下具有优异的结构抗力与变形能力，这些都与膜的初始基本形态紧密相关。初始形态问题是张拉膜、索网等轻量预张力结构体系的最基本问题。当结构覆盖空间跨度较小时，可通过膜面内力直接将荷载传递给边缘构件，即形成整体式张拉膜结构；当跨度较大时，由于既轻且薄的膜材本身抵抗局部荷载的能力较差，难以单独受力，需要与钢索结合，形成索－膜组合单元；当跨度更大时，可将结构划分成多个较小单元，形成多个整体式张拉膜单元或索－膜组合单元的组合结构[11]。
2.3.3骨架式膜结构
膜张拉并置于由钢或其他材料构成的刚性骨架上构成骨架式膜结构。其显著特点在于：膜不是维持结构体系存在的必要结构单元，但膜又不仅仅是单纯的覆盖屋面系，而是充分发挥了采光建筑功能和高强受力特性。骨架式膜结构是一种十分稳定的结构系统，骨架构成了完整的建筑空间。骨架一般暴露于膜内侧，且膜的透光性更加突显骨架的室内视觉效果，因此，骨架的布置、形式、材料、节点等是设计考虑的重点，力求简洁、韵律[12]。现在膜结构有膜面曲率减小、趋于平缓、预应力水平增加的趋势，骨架式膜结构具有更广泛的应用领域，特别是对于大型公共体育馆、会展中心等。
需要说明的是，上述张力结构中有的结构体系在形式上具有多重性，属于交叉结构体系，这是由其结
构形成过程决定的。如膜结构由薄膜与索、刚性构架、桅杆和拱等多种结构型式组成；而索穹顶结构实际上是一种特殊的索—膜结构，故有的文献将索穹顶结构列为索系支承膜结构。
3重点研究领域及发展
张力结构造型优美、材料高强、结构效率高，不仅很成功地应用于大跨度空间结构，还经常出现在中小型建筑及建筑小品中。近年来，张力结构的研究领域主要集中在以下四个方面：首先是对高强度材料开发，如轻质高强钢丝和新型膜材，这是张力结构发展的基础；其次是张力结构初始形状的确定；再次是结构的动力性能研究，如风动力响应分析和地震效应，它基于细致的动力模型试验的研究，这是结构设计的重点；最后是构件连接节点的设计与施工，这是张力结构得以广泛应用的重要因素[13]。
张力结构在我国得到了很大的发展和广泛的应用，其设计、施工的理论和实践不断成熟，并在许多方面取得了较大的突破[14]。如悬索结构与膜结构的设计与施工规程均已编制。但与世界先进的结构技术相比，我们还存在较大差距，如建筑造型过于拘谨、计算机程序及软件的开发相对落后等。因此，二十一世纪我国张力结构的应用及发展应在研发新型材料的基础上，不断创新合理的结构型式，开发更为合理的计算机程序及软件，充分发挥张力结构自身的优点，促进大跨度空间结构及中小跨度结构的进一步发展。
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THE FORMS AND THE DEVELOMENT OF
TENSEGRITY STRUCTURE
Xu Zongmei，Zhang Hua，Chen Lihe
Civil Engineering of Hohai University,Nan Jing,Jiang Su,210098
Abstract
Tensegrity structure involves foundational theory research, applicational technology, material science, architecture design and construction ,and so on．Its analysis, design and construction reflect all sorts of advanced science and technology level of a country．Because tensegrity structure not only makes best use of material's strength ,but also has the beautiful forms and has higher structural efficiency，it has been used widely in the long-span spatial structures and the middle-small structures．With the development of tensegrity structure，a lot of structural forms appear at the present time．This paper classifies the tensegrity structures and analyses the mechanism and the feature of them. Finally the key research fields and the development tendency of tensegrity structure are also given in the paper．Keywords：Tensegrity structure；Cable structure；Tensegrity System；Membrane structure．
作者简介：徐宗美，女。1980生，河海大学结构工程硕士研究生，主要研究方向为大跨度结构。
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