1.1 弦支穹顶结构的概念与应用

1.1.1 弦支穹顶结构的概念

弦支穹顶结构是近几十年来快速流行的一种新型复合空间结构，它是由日本法政大学川口卫（M. Kawagucki）教授于 1993 年首次提出的，其典型的结构模型示意图如图 1.1 所示。弦支穹顶结构隶属于张弦结构体系，而张弦结构体系又是空间结构中预应力钢结构的一个分支。一般对弦支穹顶结构有两种解释：一种认为弦支穹顶结构是在单层网壳的基础上引入下部的索撑体系，从而对上部网壳的刚度进行补强；另一种则认为弦支穹顶结构是将索穹顶的上层柔性拉索变成刚性网壳后得到的。从弦支穹顶的两种解释可以看出，弦支穹顶主要解决了传统空间结构的两大问题：一是增加了结构的整体刚度，提高了结构的整体稳定性；二是由于弦支穹顶的上部网壳具有一定的初始刚度，具有施工方便的优点。此外，弦支穹顶与其他张弦结构一样可减小支座的水平推力，还可减轻下部结构的负担。

从图 1.1 所示的构造来看，作为一种复合结构，弦支穹顶是由我们熟知的两种子结构体系组成的——上部的刚性网壳子结构体系和下部的柔性索杆子结构体系。网壳子结构体系与一般的网壳结构完全相同，可采用单层或双层形式，形状可为球面或椭球面；索杆子结构体系基于“张拉整体”思想构建，由撑杆、径向索和环向索组成。两部分子结构通过特定的节点连接成整体：撑杆上端与网壳上对应的网壳节点铰接连接；撑杆下端通过索撑节点与环向索、径向索的下端连成整体；径向索上端再与网壳上对应的下一环撑杆上节点铰接连接；各圈环向索形成闭环。弦支穹顶结构施工时需要对索杆子结构体系进行专门的预应力张拉施工，以保证结构内部预先产生与外荷载作用相反的内力。当竖向荷载作用时，荷载会通过网壳上的撑杆上节点传递到撑杆上，再通过索撑节点传递给环向索和径向索，使整个索杆体系参与受力；索在预应力作用下，会通过撑杆上节点对上部网壳起到弹性支承的作用，部分减小竖向荷载的作用；同时索杆体系中的预应力还会通过径向索产生对支座的反向拉力，使整个结构对下端约束环梁的推力大为减小。弦支穹顶的受力特征也彰显了结构的高效能性，一经提出便广泛应用于体育场馆、交通枢纽、会展设施等大型公共建筑中。

1.1.2 弦支穹顶结构的分类

弦支穹顶结构的形式多样，可按照上部网壳的形状、结构形式和网壳形式，上层网壳节点形式，下层拉索的类型以及拉索的布索方式进行分类。

1）按照上部网壳的形状划分

近年来，弦支穹顶的结构形式趋于多样化，为了适应建筑造型的多样化，上部网壳由单一的球形网壳拓展为椭球形、剖切球形、折板形单层网壳等，对应的弦支穹顶可分为球面形弦支穹顶、椭球形弦支穹顶、剖切球形弦支穹顶、折板形弦支穹顶等。例如，天津宝坻体育馆、鞍山体育中心综合训练馆、奥运会羽毛球馆、葫芦岛体育馆、绍兴体育中心-体育馆等均采用了椭球形弦支穹顶；常熟体育馆采用了剖切球形弦支穹顶；安徽大学体育馆采用了上部网壳为折板形单层网壳的弦支穹顶。此外，弦支穹顶上部网壳的几何形状还可以为正六边形、四边形、三角形等，如重庆市渝北区体育馆采用了平面投影为三角形的弦支穹顶。

2）按照上部网壳的结构形式划分

弦支穹顶结构的上部网壳可以采用单层网壳、双层网壳、多层网壳和局部双层网壳等结构形式。对上部采用双层网壳的弦支穹顶，一般应用于跨度较大的结构中且因双层网壳本身具有较好的整体稳定性，可适当减少下部索撑体系的布置数量，仅在最外圈布置拉索以减小支座的水平推力，如天津东亚运动会自行车馆弦支穹顶的上部网壳为双层网壳，而下部索撑体系的布置是仅在外圈设置了一圈环索以减小支座水平推力。

3）按照上部网壳形式划分

按上部网壳形式，弦支穹顶可分为肋环型弦支穹顶、施威德勒型弦支穹顶、联方型弦支穹顶、凯威特型弦支穹顶、凯威特型-联方型弦支穹顶、三向网格弦支穹顶、短程线型弦支穹顶等。

4）按照上层网壳节点形式划分

按照上层网壳节点形式，弦支穹顶分为弦支穹顶梁式结构和弦支穹顶杆式结构。弦支穹顶梁式结构的上层构件为压弯构件；而弦支穹顶杆式结构的上层构件仅承受轴力，没有弯矩和剪力的作用。按照这种定义，在对弦支穹顶结构进行设计时，可根据实际情况将上层网壳的杆件设计成铰接或刚接形式。

5）按照下层拉索的类型划分

按照下层拉索的类型，弦支穹顶可分为柔性索弦支穹顶结构、刚性杆弦支穹顶结构、局部刚性弦支穹顶结构。柔性索弦支穹顶结构的拉索全部采用柔性索，只能受拉而不能受压，一般为钢绞线、半平行钢丝束等。刚性杆弦支穹顶结构是采用可以承受拉压的钢管或其他刚性杆件代替拉索，下层拉索具有一定的刚度，从而使得结构可以避免内圈环索可能松弛的现象。局部刚性弦支穹顶结构是环向或径向拉索部分采用刚性杆，部分采用柔性索的结构形式。在实际的弦支穹顶结构设计中，由于内圈环索的拉力值不大，可采用刚性杆代替柔性索，而外圈拉力值很大的环索仍然采用柔性索，进而形成了这种局部刚性弦支穹顶结构，达到既节省材料又满足受力要求的目的。

6）按照拉索的布索方式划分

按照拉索的布索方式，弦支穹顶可分为Levy型、Geiger型和混合型等。

1.1.3 弦支穹顶结构的工程应用

弦支穹顶结构凭借其独特的结构概念、高效的传力机制和优美的外形效果，在理论分析、结构模型试验和施工技术等多方面研究成果的指导下，已在国内外 20 余项工程中得到了应用，见表 1.1。