张力结构形状调整优化分析

　　20世纪50年代,美国建筑师Fuller提出张拉整体的思想,他认为宇宙的运行就是按照张拉整体的原理进行的,即万有引力是一个平衡的张力网,而各个星球是这个网中的一个个孤立点.按照这个思想,张拉整体结构可以定义为一组不连续的受压杆件与一套连续的受拉单元组成的自支承、自应力的空间网格结构.之后,各国学者对各种形式的张拉整体结构进行了研究,但很长时间以来这种结构除了用于艺术雕刻方面和模型试验研究外,没有功能性建筑的出现.直到1986年美国工程师Geiger发明了支承于周边受压环梁上的一种索杆预应力张拉整体索穹顶即索穹顶结构,并成功运用于1988年第24届汉城奥运会的体操馆(Gymnastic Arena,圆平面直径为11918 m)和击剑馆(Fencing Arena,圆平面直径为8919 m),这种思想才真正用于实际工程.后来美国工程师M.P.Levy发明了联方型索网的索穹顶,克服了Geiger索穹顶平面外刚度不足的缺点[1].

　　张拉整体结构是一种由预应力提供刚度的结构,且预应力与结构的几何形状相互耦合.在确定的几何形状前提下,预应力的大小将直接影响结构的施工难度,从而影响经济效益;反过来,预应力的改变也会引起结构形状的改变.多年来,各国学者都在研究这种结构的优化设计,以期取得更好的经济效益.张拉整体结构的优化包括预应力优化、索杆截面优化、形状优化、拓扑优化.曹喜等[2]在预想的结构几何形状确定的前提下,提出了多自应力模态张拉整体结构预应力优化设计方法;赵宝成等[3]通过线性规划、齿形法及模态搜索法的联合应用,对索穹顶结构预应力、截面和形状进行了优化;袁行飞[4]采用分层优化法有效地解决了截面尺寸与预应力同时优化的问题;陈联盟等[5]采用整体可行预应力概念对索穹顶结构进行了预应力优化、截面优化和形状优化设计;吴杰等[6]提出了数学规划法和准则法相结合的序列两级算法,有效地解决了预应力和截面尺寸相互耦合的优化问题.但上述方法都是以降低造价为目标,而实际上张拉整体结构单位面积的用钢量已经很小,如1996年美国亚特兰大奥运会主场馆的乔治亚穹顶,跨度超过200 m,用钢量却不足30kg/m2[7].另外,上述优化都是在给定的某种外荷载工况下进行的,尽管给定的外荷载工况可以设为最不利的荷载工况,实际的结构往往承受千变万化的荷载,当结构遭遇超设计荷载的极端荷载作用时,上述优化并不能保证结构的安全,更不能正常使用.在当前的设计水平下,为保证结构在此情况下的安全,只能通过增加材料用量和构造措施来满足.

　　现代结构理论应该指导人们/智能化0地进行结构创造,结构应该被赋予某种能动性,提高适应和生存能力,从某种意义上说变得更具生命力,将结构观念从静态和被动的水平提高到动态和主动的水平[8].张拉整体结构是一种对杆件长度缺陷敏感的结构,在结构上安装传感器、作动器及控制器构造一种智能张拉整体结构,通过传感器对环境的实时检测,利用作动器的变形以改变杆件长度,从而达到调整形状及内力的目的,使结构时刻以一种最优的方式抵抗外荷载,这就是/以万变应万变0的思想[9].张力结构本身是一种轻型的结构,通过形状的调整提高结构的刚度,并且使结构受力最小,从某方面来说比减少材料的用量具有更大的意义.