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标题: 张拉整体结构 [打印本页]

作者: chinatager 时间: 2001-12-5 15:05 标题: 张拉整体结构

张拉整体结构
    “张拉整体”(TensegritV)概念是美国著名建筑师宣勒(R．B.FUjer)的发明，它是“张拉”(tensiIe)和“整体”(integrtY)的缩合。这一概念的产生受到了大自然的启发。宣勒认为宇宙的运行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定义为一组不连续的受压构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。这种结构的刚度由受拉和受压单元之间的平衡预应力提供，在施加预应力之前，结构几乎没有刚度，并且初始预应力的大小对结构的外形和结构的刚度起着决定性作用。由于张拉整体结构固有的符合自然规律的特点，最大限度地利用了材料和截面的特性，可以用尽量少的钢材建造超大跨度建筑。
    对于张拉整体结构的研究开始于40多年前，从最初的设想到工程实践大约经历了以下几个阶段：想象和几何学、拓扑和图形分析、力学分析及试验研究。其中力学分析包括找形、自应力准则、工作机理和外力作用下的性能等。张拉整体结构的几何形状同时依赖于构件的初始几何形状、关联结构(拓扑)及形成一定刚度的自应力的存在。另外这种结构在外力作用下的变形(与自应力的效果不同)也提出了其它结构问题，首先它属于临界类体系，结构在外荷载过程中刚度不断发生变化，传力途径也就随之改变其次这种结构只能在考虑了几何非线性甚至材料非线性时才能分析。
    从50年代起，许多研究工作者都采用了靠想象的实用方法，如斯耐尔森(K．Sneson)的雕塑及莫瑞挪(Moreno)的设想等。最重要的几何学上的工作是由宣勒和埃墨瑞赤(D．G．Emmerich)完成的。加拿大的结构拓扑研究小组在形态学方面做了最重要的工作，他们出版的杂志包括了许多张拉整体体系拓扑方面的文章，但这些研究都是数学上的，在三维空间上工程应用的研究也只为警告设计者们容易出现的不稳定方案。在大多数情况下，张拉整体多面体几何的构成特性使得图形理论可以用来模型化它们的拓扑。
    张拉整体的找形分析为的是使体系的几何形式满足自应力佳则。对于一个基本单元，可以用一种简单的静力方法来获得自应力几何，其原则包括寻找一个或一套元素的最大或最小长度，同时得到其它元素的尺寸条件。佩里哥瑞挪(S．PeIIegrino)建议了用一种标准非线性程序解决这一问题的方法。而一个基于虚阻尼的动力松驰方法也得到了同样的结果。
    张拉整体结构的力学分析类似干预应力铰节点索杆网格结构，除了一些特殊的图形外，都含有内部机构，呈现几何柔性。为了研究的目的，除了一般的找形和静动力分析过程外，有时还用到一个中间过程：稳定性、机构及预应力状态的研究。张拉整体体系的分析模型必须考虑非线性特性和平衡自应力的存在。莫赫瑞〔Mohr；)说明了如何保证适当的自应力及单元的刚度，还给出了识别与索提供的刚度相一致的自应力状态的算法。张拉整体结构的静力性能的非线性分析已经完成，其模型基于松驰原理或牛顿―拉夫逊型过程的矩阵追赶法原理，有人也做了动力松驰的模型。
    斯耐尔森的极具艺术性的雕塑是体现宫勒张拉整体思想的最早尝试。这之后富勒、埃墨瑞赤、瓦尔耐(O．VilnaY)、莫特罗[R．Motro)、汉纳(a.Hanaor)等创造了多种张拉整体结构体系。目前在世界很多地方都建造了艺术lll性质的张拉整体结构，如法国的公园雕塑、华沙国际建筑联合会前的自张拉空间填充体、荷兰国家博物馆前覆盖的四棱柱张拉整体单体以及1958年富勒为布鲁塞尔博览会设计的一个有表现力的张拉整体桅杆等。
    美国已故著名工程师盖格尔(D．L1．Geiger)为张拉整体思想的发展做出了极大贡献。他在宣勒创造的宫勒张拉整体穹顶的基础上，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穹顶体系，即索穹顶，从而使得张拉整体的概念首次应用到大跨度建筑工程中。1986年以他的名字命名的盖格尔公司将索穹顶结构成功应用于汉城奥运会的体操馆(D＝119．8m)和击剑馆(D＝89．9m)。之后又相继建成了美国伊利诺斯州大学的红乌体育馆(椭圆91．4mX76．8m)及佛罗里达州的太阳海岸穹顶(D＝210m)。1992年在美国建造了世界上最大的索穹顶体育馆――乔治亚穹顶(GeorgiaDome)。它是1996年亚特兰大奥运会的主体言馆，平面为椭圆形(193mX240m)，这种双曲抛物面型张拉整体素穹顶的耗钢量少得令人难以置信，还不到30kg／m2)。
    应该看到盖格尔发明的张拉整体索穹顶结构源于宣勒的张拉整体思想，属于张拉整体体系的范畴，但由于它还没有完全实现结构自支承、自应力的原则，离开下部受压环梁则不能成应，故而可以说彻底的大跨度张拉整体结构还没有建成。因此对于张拉整体结构无论在理论分析方面还是施工技术及建筑材料方面都还有很多工作要做。

作者: hhux2002 时间: 2001-12-5 15:56 标题: 回复：张拉整体结构

Repeat? ref. M1 full paper.

作者: seuwf 时间: 2001-12-6 20:13 标题: 回复：张拉整体结构

提一个问题：
张拉整体索穹顶是非保守结构，怎么理解？

作者: seuwf 时间: 2001-12-8 23:15 标题: 回复：张拉整体结构

继续前面的问题，作为非保守结构，受荷以后刚度变化且荷载移除后刚度不再恢复，那么，其刚度变成什么样了？刚度的永久变化是否意味着结构形状不可恢复的改变？

作者: OKWANG 时间: 2002-6-16 11:42 标题: 回复：张拉整体结构

今天才看到这个话题.也许已时过境迁,但也略加探讨.

张力集成体系的"非保守"性的最大特点就是存在自平衡的内力流,且该内力与结构的几何和刚度是密切相关的.它不同于传统结构,传统结构的刚度和几何是近似认为不变的.
当然,这时候朋友也许会问,那么传统结构的几何刚度及内力对刚度的贡献怎么理解?也是一种"非保守"性吗?
答案是这只是满足了"非保守"性的一个侧面.

另一点,"非保守"性结构的刚度是与成型过程和加载过程相关的.

最后,刚度可否恢复原来的水平和分布,既与"非保守"性有关,也是材性问题.

一点点粗浅的认识.

作者: sphinx 时间: 2002-6-19 09:36 标题: 回复：张拉整体结构

       我一直对“非保守”结构存有异议，理由有二：
     1.任何预应力空间结构，如张拉整体、索网、索穹顶乃至点式幕墙支撑体系，它们的总体刚度都包含有：线弹性刚度、因预内力而产生的几何刚度和位移刚度。先不考虑复杂的成型过程，只考虑荷载作用下的结构反映。荷载的作用肯定对总体刚度中的后两者产生影响，也就是结构的刚度不是不变的，表现为几何非线性。我们也总假定：材料处于弹性阶段。按照非保守的定义，当加载并卸载之后，结构恢复不到原来的状态，那么变到什么状态了？似乎是不可知论。

    2.根据上面的分析，也就是说，同样截面的杆件，同样的下料长度，同样的空间拓扑，可行的稳定状态并不是唯一的。那么一些找形分析方法的理论基础（寻找一个满足平衡条件的收敛路径）何在？即使找到了一种（只是一种，按照“非保守”理论）可以存在的平衡状态，不同的施工工序，又可能使它面目全非。不可理解。

作者: ading 时间: 2002-6-21 20:13 标题: 回复：张拉整体结构

我对非保守性的理解
    结构的保守性是指结构体系在平衡过程中刚度的相对恒定性，结构体系也应该包括了荷载系统。在经历了加载和卸载之后结构又恢复到初始状态。在这平衡过程中，刚度是基本上不变的。
    非保守结构或保守性能不好的结构则不是这样，系统从初始状态起开始加载后，结构体系的刚度也随之变化，但即使卸去荷载，使荷载恢复到原来的水平时，结构体系并非恢复到原来的状态。结构体系的刚度变化是不可逆的。结构体系的非保守性主要存在于依赖张力提供刚度的张力结构体系中，这是因为结构的刚度与其应力分布和几何外形的相互关系过于密切。
    请指正！

作者: sphinx 时间: 2002-6-21 21:49 标题: 回复：张拉整体结构

有谁知道结构“非保守性”提法的出处？能否将原文贴出？很想拜读一下。

作者: OKWANG 时间: 2002-6-21 22:19 标题: 回复：张拉整体结构

看来,有些朋友对于问题是有寻根问底的精神的.原文资料可以检索,
R.B.Fuller, Snelson,Tensegrity等关键词,可以前查到80年左右的文章,就是最初的看法,(其实最初的看法,未必完善).最好通过实在的编程,对概念也就理解.
最后,"同样截面的杆件，同样的下料长度，同样的空间拓扑，可行的稳定状态",,肯定是唯一.这与Tensegrity的"非保守"性并不矛盾.因为,前后的预应力态和几何态都不一样了,但是,同一时刻的预应力态和几何态还是一致的,确定的.但是,是多少??那就依赖于加载和卸载的实际过程,可通过分析来模拟和跟踪,不是"不可知论".

也许,还是没有说清楚.那就抱歉拉.

作者: cable-membrane 时间: 2002-6-21 23:19 标题: 回复：张拉整体结构

我也有sphinx兄的疑虑，也读了一些有关张拉整体与索穹顶的文章，却从未见到对“非保守性”的详尽深刻论述，也未见过楼上所说的模拟跟踪。OKWANG兄讲到，加载并卸载前后预应力态和几何态都不一样了，当然也一定处于稳定平衡的状态，还是"同样截面的杆件，同样的下料长度，同样的空间拓扑”，是不是说明这样的稳定平衡状态不是唯一的呢？
另外，一个更广的问题是：大变形小应变（索网、索穹顶结构均属此类）结构的状态是不是与加载历程无关？也就是说在材料线弹性下的结构变形是不是可以恢复的？

作者: OKWANG 时间: 2002-6-23 09:24 标题: 回复：张拉整体结构

"同样截面的杆件，同样的下料长度，同样的空间拓扑”，但是,并不意味着同样的(平衡)几何,这能够理解吗?楼上的朋友??

"大变形小应变（索网、索穹顶结构均属此类）结构的状态是不是与加载历程无关？"
这太有关系了,怎么会理解的没有关系呢?
再说一次,"非保守性"与"材性"的不可恢复性的概念是不一样的.否则,任何结构都可以说是非保守的了.

详细的内容可到同济空间结构研究室.
谢谢同仁对该话题的兴趣.

作者: sphinx 时间: 2002-6-26 18:03 标题: 回复：张拉整体结构

       这两天看了几篇有关论文，《空间结构》上的一篇说：“索穹顶结构是一种非保守结构体系。索穹顶结构在加载后，尤其在非对称荷载作用下，结构产生变形。同时结构的刚度发生了变化。当卸去这些荷载后结构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”
     《 87年北京国际空间结构会议论文集》上的一篇论文（日本）说：“Cable dome was implemented in 1986 by the breakthough afforded by R. Buckminster Fuller's proposal for a tensegrity dome. The tensigrity dome is constructed with a triangulated structural system, in which individual members never buckle under any kind of load ditributions unless cable tension disappears, and if these loads disappear, it return immediately to its original shape. It closely resembles the air-supported structure. ......”
       莫衷一是。
    本人曾做了两个索穹顶模型，虽然不是太精致，但也能说明一定的问题，从成型到加载没有看出“非保守性”。

作者: skyland 时间: 2003-1-17 19:03 标题: 回复：张拉整体结构

张拉整体雕塑8D

这个模型建于纽约，采用Stainless steel and wire，尺寸6.5X6.5X6.5m。

作者: 老席 时间: 2003-2-24 11:15 标题: 回复：张拉整体结构

我也做过索穹顶的模型，直径6米，还做过张拉整体结构的模型，我们在鞍山实现了索穹顶的实际工程。

作者: jinsongxia 时间: 2003-2-27 13:15 标题: 回复：张拉整体结构

五：一个整体张拉的膜的遮阳蓬。
示意：

作者: jinsongxia 时间: 2003-2-27 13:16 标题: 回复：张拉整体结构

五：一个整体张拉的膜的遮阳蓬。
实物：

作者: jinsongxia 时间: 2003-2-27 13:17 标题: 回复：张拉整体结构

五：一个整体张拉的膜的遮阳蓬。
细部1：

作者: jinsongxia 时间: 2003-2-27 13:18 标题: 回复：张拉整体结构

五：一个整体张拉的膜的遮阳蓬。
细部2：

作者: jinsongxia 时间: 2003-2-27 13:34 标题: 回复：张拉整体结构

9：一个张拉造型球中支撑了膜，
可以看出这个张拉造型有较大的承受能力。

作者: okok 时间: 2003-2-27 18:42 标题: 回复：张拉整体结构

相关话题： http://okok.org/forum/viewthread.php?tid=8275&pg=1&bpg=1

作者: yhz 时间: 2003-3-6 19:51 标题: 回复：回复：张拉整体结构

老席 wrote:
我也做过索穹顶的模型，直径6米，还做过张拉整体结构的模型，我们在鞍山实现了索穹顶的实际工程。

请问你能介绍一这个实际工程的情况吗？包括设计与施工方法。
若有图片则更好！

作者: MEIBAI 时间: 2005-10-14 10:52 标题: 回复：张拉整体结构

在张力结构中，大部分构件受拉，而压杆只是“海洋中的孤岛”，那张力结构是不是就可以直接说是张拉结构呢？二者有什么区别吗？

作者: 铁筋 时间: 2005-12-11 09:29 标题: 回复：张拉整体结构

没听说过在中国有索穹顶的工程，老席能否提供点资料？譬如图片，后辈有礼了！

作者: superowen 时间: 2005-12-16 22:36 标题: 回复：回复：张拉整体结构

MEIBAI wrote:
在张力结构中，大部分构件受拉，而压杆只是“海洋中的孤岛”，那张力结构是不是就可以直接说是张拉结构呢？二者有什么区别吗？

对于张力结构和张拉结构，不同的研究者有不同的定义和分类。个人觉得在结构中（不包括支点）只存在张力的称为张拉结构（tensile structure, 例如索网和膜结构），而既存在张力又存在压力的称为张拉整体结构(tensegrity structure，例如cable dome和严密定义上的tensegrity），这样的分类方法比较合理。这两种结构合起来成为张力结构(tension structure)。

在没有外力的情况下存在内力的tension structure和没有内力的truss组成pin-jointed structure的大家庭。（膜结构虽然是连续体结构，但把它离散以后也可以看作为pin-jointed structure的一种特殊形式，因为实际上的找形和力学分析都是通过把它离散了以后进行的，而且不存在弯矩）。

因为在找形的过程中（特别是力密度法），他们的force density matrix(或者stress matrix, equilibrium matrix, 不同人有不同的叫法)会呈现出一些很不同的性质。

另外，由于tensegrity structure中存在压杆，他们的力学性能跟tensile structure相比也肯定有很多不相同之处。比较明显的是会出现整体失稳。

个人愚见，不当之处请指教。

作者: wnj3008 时间: 2005-12-19 10:05 标题: 回复：张拉整体结构

楼上分析的不无道理。小弟我刚刚出道做这个行业，昨天经某位朋友的推荐；今天进入之后才深知如此之好，而且这里云集了天南地北的各位高手。小弟，我不胜荣兴，能知道这个网页，并能从各位大侠的身上学到一些平时不容易学到的东西，小弟我在这里有理了。
本来，我对这个张拉整体结构就就无知，今天看了一下，概念就更加的清晰了，谢谢楼主及各位各侠。

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