1引言
张拉整体结构是近年来在国外迅速发展起来的一种新型的大跨度空间预应力张拉结构体系。这种结构是由索、压杆组成，在全张拉的索网中嵌悬浮的压杆，并用特制的节点连接构件，再在结构的表面覆盖特殊的材料--膜材。这种结构的一大特点是可以达到超大的跨度，最大的跨度已达到240m，且自重极轻。随着结构跨度的增大，其单位面积自重和造价的增加并不大。这种新型的空间结构体系已引起工程界的注意，成为空间结构领域中最有沿的课题。
利用应力自平衡的单元结构拼接成张拉整体结构，是构成张拉整体结构的一种方法。长期以来，不少学者在这一方面进行了探索，构造了多种形式的单元结构，并将单元结构拼接成多种形式的张拉整体结构。本文分析了单元结构的几何特笥，并以文献[2]中日本学者半谷等所提出的一种棱锥形单元结构为基础，为单元结构的静力特性进行了分析与总结。
2单元结构的几何特性 整体结构体系可以由一系列具有特性性能的单元结构组成，这些单元结构组成的整体结构与其它形式的结构相类似。常见的网架或网壳等空间结构是由一些基本单元结构组成，如：网架可以看作是由四角锥单元组成。但张拉单元结构则不然，它是由杆、索构件按某些准则构成的，不是简单的混合结构。
如果从纯几何的角度来分析，这种单元结构可以看作是由一些多面体或多面体的变换所组成。因此，对多面体几何的研究是必要的。对张拉整体结构的前期研究，基本上是倾注于多面体的研究。目前，国外的一些学者也在致力于结构几何的研究，以寻求合适的单元结构。
虽然单元结构可以采用任意一种多面体，但并非任意一种多面体组成的单元结构都可以形成能承受荷载的空间结构。这里，存在着几何和结构的关联性问题。经研究，绝大多数的空间结构的基本单元为正四面体、正五面体、立方体等及其组合或变换。而几何和结构的关联性涉及以下几点：1、几何图形的顶点、棱边、面和结构的节点与杆件的对应关系，通常，单元结构的节点位于多面体的顶点，结构杆件位于多面体的棱边或面内；2、结构的静定性；3、如果结构中包含素，那么还要考虑对索施加预应力，以及结构稳定等方面的问题。
单元结构通过预应力向索提供刚度。为此，结构应具有相对应的几何形状，使结构中的索能够保持其预应力。所以，结构应设计成应力自平衡体系。自平衡结构有两类：一类是由各自平衡单元组成；另一类是整体结构处于自平衡。目前采用的索穹顶结构是整体自平衡结构。本文所研究的单元结构穹顶则属由自平衡单元结构构成的整体结构，当采用某种方法对单元结构施加预应力后，单元结构的应力自平衡。
虽然几何体的种类很多，但可以作为单元结构的主要集中于某些几何单元。对于一般的网格结构，位于棱边或面内的杆件是既能受压、又能受拉的铰接杆或梁元，单元结构则应由受拉的索和受压的杆组成。张拉整体单元，粗线代表压杆，细线代表拉索。当确定了相应形式的张拉单元后，通过一定方式进行组合，便可以组合成各种几何外形的张拉整体穹顶。在这方面国外的学者进行了不少研究，莫特（Motro）和汉纳（Hanaor）用单元结构拼成的张拉整体结构。本文对此也进行了研究。
3单元结构的静力特性
3.1单元结构概况
下面通过棱柱单元结构来分析研究单元结构的静力力学特性。如果该单元结构仅由四根杆铰接成桁架单元，显然是不稳定结构，是一个可变体系；但若在体系中加入一个应力自平衡的稳定体系。当对索施加预应力后，单元结构就可以承受外荷载。这个单元结构可以被看作是一个小型的张拉整体结构。由于单元结构本身是一个封闭的、稳定的结构体系，所以可以用来组成各种形式的张拉整体结构。
该棱柱形单元结构的几何尺寸。其立面图、计算模型及杆件编号。其压杆横截面积为6.9cm2，索的横截面积为2.01cm2。单元结构在节点6施加竖向荷载，通过对表1中不同结构参数的模型1、2的计算，对单元结构的特性进行分析。
3.2静力特性分析
模型1上弦索的荷载一内力曲线。可以看出，从竖向荷载不断增加时，索12、11和索10、13的内力呈逐步下降的趋势，当节点6处的荷载值增加到20KN时，索12、11发生松驰。可以看出，同样在该结构的上弦，由于索12、11与索10、13处的几何位置不同，所以内力的变化也不同。索12、11与水平面所成的夹角为27.5°，索10、13与水平面所成的夹角为16.5°。如果将单元结构看作是一个小型的张拉整体结构穹顶，那么，前者就对应于f/l较大的穹顶；后者则对应于f/l较小的穹顶。可以看出，张拉整体穹顶的f/l越小，结构的承载力越高。验证了前面分析中所得出的结论。
此外，还可以看出，当荷载值小于20KN时，两种索的变化规律基本上呈一条直线；当荷载值大于20KN时，索12、11发生松驰，而索12、11发生松驰后，改变了索10、13的受力状态，内力以一个新的曲率曲线变化，此时结构还能继续承受荷载。由于索12、11不承受荷载，索10、13的第二段曲线的内力下降的速度加快。
模型2上弦索的荷载一内力曲线。在竖向荷载不断增加时，索12、11和索10、13的内力呈逐步下降的趋势，当节点6处的荷载值超过60KN时，索12、11发生松驰。
模型1下弦索的荷载一内力曲线。位于下弦的索1、4和索2、3的内力，随着节点6的荷载的增加而逐渐增加，当节点荷载达到20KN时，两条曲线均发生转折，这也同样是因为上弦索12、11发生松驰而导致的下弦索的受力方式发生变化；当荷载值大于20KN时，下弦索的内力仍逐淅上升，且上升的速度增快。
模型2下弦索的荷载一内力曲线。位于下弦的索1、4和索2、3的内力，随着节点6的荷载增加而逐渐增加，且基本上呈线性关系。模型2的内力变化规律基本上同模型1，但模型2的承载力明显上升。可见，结构的几何明显地影响着结构的力学性能，这一点对于张拉整体结构来讲，尤为突出。
模型1节点6的荷载位-位移曲线。在荷载值为20KN处，荷载-位移曲线出现拐点，这是因为索2发生了松驰，从而导致了结构整体受力形式的改变。
模型1节点6的预应力水平-位移曲线。当节点6上施加同样的荷载值20KN时，从不同的预应力水平下结构位移的变化可以看出，节点位移随结构预应力水平的增加而减小，而且基本上呈线性关系，预应力越大结构刚度越大。
3.3结构参数对单元结构的影响
结构参数对单元结构受力的影响。可以看出，随着中心立杆高度H值的增加，结构的索单元达到松驰时的荷载值明显提高，结构的承载力也随之提高；随着桁架杆与水平面相对位置c的增大，结构的索单元达到松驰时的荷载值明显提高，结构的承载力也随之提高。由此可见，结构的几何外形也是影响张拉整体结构的承载力的重要因素之一。
责任编辑：xiaohan
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