Levy索穹顶力学性能分析

摘要：分析了levy体系穹顶在使用时的受力情况，介绍了levy体系穹顶结构的工作机理、找形分析、计算模型、节点设计、抗震设计和安装施工等问题。

索穹顶结构是一种预应力结构，而含有预应力索的结构都需要找形。找形这个概念，主要是针对几个不同的结构形态提出的。预应力结构在设计中需要明确其几何状态、荷载态和预应力态。找形主要是依据其在预应力态下即在预应力与重力共同作用下的形状通过分析得到其几何零状态。因为预应力钢索在施加预应力后，结构的刚度组成增加，结构的形态和力学分布也会变化，所以需要进行形态分析，其中包括找形和找力，并且要同时进行控制。

在荷载态时，钢化的索脊相当于拱。使得作用在穹顶上的力分别沿着由预应力索段组成的穹顶周围传至环梁或环形桁架及由桅杆传至桅杆底部的环索，这时环索和斜索形成下悬的索系成为主要的承力结构。在加载过程中，穹顶周面上的预应力脊索因逐渐软化而卸载甚至屈服而退出工作，而桅杆底的环索依然加载，力流经刚性竖向桅杆传至下悬的索系。但是在加载过程中，结构的刚度不断变化，从而也极其敏感地改变了传力路线。
　　受力分析是指在预应力状态的基础上，对结构施加荷载效应，将膜重度、屋面活载、基本风压组合出各种工况，加载计算，就能得出反映结构静力性能的指标：外环索预应力、外环斜索预应力、单位面积用钢量、顶点最大位移等。外环索预应力即预应力态外环索内力值，它能够反映通过张拉环索使结构成形的难易程度；外环斜索预应力即初始态外环索内力值，它能反映通过张拉斜索使结构成形的难易程度；由于各种荷载工况下，结构的最大位移都发生在结构的顶点上，所以选取各种工况顶点的最大位移与结构跨度的比值作为衡量结构刚度的衡量指标；用单位面积用钢量来衡量结构的材料用量。

当取计算模型时，由于Levy型穹顶的索杆分布较为复杂，一般很难像Geiger型穹顶一样简化为一榀平面桁架，所以其计算模型应取实际结构的杆索，这时，对应同一位置的杆件数不再是一个或两个，而是一组，具体个数由结构拓扑关系决定。

从索穹顶的结构体系来看，节点是最复杂的部分[6]。如果能设计出构造简单、受力有合理的节点，该结构的施工也会非常的简便，而且施工精度也容易保证。
　　比如乔治亚穹顶脊索、斜索和竖杆的连接节点，脊索通过设置于竖杆顶部的节点板汇交并分开，斜索通过铸锚锚具与竖杆顶部节点板连接。

索穹顶结构一般用于大跨度空间结构，其抗震性能就要求考虑振动的行波效应、部分相干效应和局部效应等地震动空间变化特性。大型体育场钢屋盖一类的跨度尤其大，各支座之间的间距可达几百米，这样导致结构各个支座点接收到的地震波不一致，相互间存在空间和时间上的差别；同时，受空间振型耦合效应、长周期反应谱的准确性、振型组合方法以及多点激励效应难以计入等因素的影响，反应谱法已经难以获得准确的计算结果，所以索穹顶结构应采用时程分析法并进行模态分析来研究结构的动力特性以及考虑多维点输入的地震作用对结构的影响。
　　所谓多维输入就是考虑地震波的三向输入，根据浙江大学罗尧治等的研究表明多维输入对结构影响非常大而且对不同部位构件是不一样的，且不可忽略，所以地震动的行波效应不可忽略。
　　索穹顶结构的自振频率较小，分布密集，是属于典型的柔性结构；但它有自身的特点，其刚度与预应力水平有关，其初始预应力水平与自振频率关系最大。

Levy穹顶是超静定的空间杆-索结构，它把空间杆系结构中的拉杆换成了拉索。Levy穹顶在整个结构成形之前不具备整体刚度。只有各构件之间相互张紧，各索段存在拉应力时，才能形成刚度。结构的成型过程，就是各构件之间相互张紧的过程，也是刚度不断增大的过程。成形之前，结构或结构的各部分都不能承受外载。直到施工完毕，结构成型后，穹顶才能承受外载。整个结构靠各索、杆内存在的预应力来提供几何刚度的。结构的空间性和整体性导致施工时不能像吊装钢屋架一样处理，必须将其作为整体来考虑。它的各个局部是有机的结合在一起的，不能独立发挥作用。因此它的施工有一定的特殊性和难度。

索穹顶结构的主要破坏形式是部分脊索首先退出工作， 从而 丧失对压杆的约束作用。由此可见， 提高索穹顶结构承载能力的 较为有效的方法是尽量提高各圈脊索的初始预应力， 但这将势必 增大结构所有构件的内力。影响结构竖向位移的主要参数是矢 跨比和桅杆高度 ， 提高初始预应力幅值对结构位移变化的影响较 小。矢跨 比越小， 结构的内力越大， 同时竖向位移将增大； 而桅杆 高度的变化对结构的内力影响不大。索穹顶结构成型后， 其 内力 随外荷载基本呈线性变化 ； 位移在荷载较小 、 预应力水平较低时 非线性变化较为明显， 随着荷载的增加 、 预应力水平的提高 ， 结构 变形趋于线性化。