索-混凝土组合结构及减震原理

蔺耀家秦乃兵

（华北理工大学，河北唐山063000）

摘要：索-混凝土组合结构由悬索结构和张弦梁演变而来，本文主要介绍其发展历程，前景展望以及减震控制研究。

关键词：索-混凝土组合结构；张弦梁；减震控制

引言：

随着我国经济的发展,近一、二十年来大跨度混凝土结构、组合结构得到较普遍的应用，提出了一种降低混凝土梁高，在梁下增加预应力拉索的方法，形成“索-混凝土结构体系”。该结构体系，可以满足大跨度，节省空间，布置灵活，施工方便的要求。

一、悬索结构的发展历程、前景展望

（一）悬索结构的发展历程

房屋建筑中悬索结构的早期雏形可以追溯世界各地的黑帐篷结构，黑帐篷它的名字源于用于编织顶面覆盖物的黑色山羊毛。主要出现在中东的阿拉伯地带至东到伊朗、阿富汗和西藏的边界。悬索结构在房屋建筑结构中的应用发展较为缓慢，从20世纪50年代开始才逐步发展起来，在美国于1953年建成的Raleigh大剧院，，对其后的悬索结构发展起到重要推动作用。此后，悬索结构迅猛发展。目前，世界上一些发达国家已建成了一些有特色悬索屋盖建筑，它们主要被应用于体育馆、展览大厅、等大型公用建筑中。如德国的多特蒙德展览大厅，屋盖平面为80m×118m的矩形。随后相继在欧洲、日本等国家也建成了很多大跨度的悬索屋盖，其应用也是相当广泛。

（二）悬索结构的前景展望

这里所说的悬索结构并非单纯意义上的悬索结构，更一般地说，为张力结构。经过多年的发展创新，融合悬索结构的张力结构具有下列基本类型。

1.张弦梁型：由平面张弦梁发展而成的空间体系。顾名思义，张弦梁是预应力索通过撑杆形成中间支点以支撑上部刚性梁的结构。这种结构是预应力钢结构的初始形式上下弦由刚柔两类杆件通过撑杆相连，具有受力合理、自重轻、加工运输方便等优点。

2.整体张拉型：整体张拉结构是将柔性索与刚性的杆件组合在一起的一种大跨度空间结构。其优良的受力、抗震性能，简便的施工方法，显著的社会、经济效益正日益引起工程师们的关注。整体张拉结构是由连续的拉索和不连续的压杆通过特定的组合规则组成的应力自平衡、自支撑体系。由创始人CR.B.Fuller以及D.C.Emmerich，A.pugh等首先提出的整体张拉结构体系。其具有跨度大、构造简单、施工简便、造价低廉等显著的优点。可以广泛应用于体育场馆、大型商场、大容量仓库等大型工业与民用建筑。

3.索膜型：以拉索系为主要承重结构，上面覆盖张力纤维加强膜，膜面涂料目前有聚氯乙烯（PVC）和聚四氟乙烯（PTFE），前者性能差，价格便宜，后者力学性能强，自洁，耐火，抗老化性能都比前者好，但价格昂贵。

为1996年亚特兰大奥运会而建的“佐治亚穹顶”，采用新颖的索膜结构屋顶，其为整体张拉后形成的。建筑平面为近似椭圆形。

二、张弦梁结构

（一）张弦梁结构的定义：张弦梁结构顾名思义,最初是由“将弦进行张拉,与梁组合”这一基本形式而得名，张弦梁结构(BeamStringStructures,简称为BSS),由三类基本构件组成,即可以承受弯矩和压力的上弦刚性构件，高强度拉索以及连接两者的撑杆。所以张弦梁结构被定义为：用撑杆连接抗弯受压构件和抗拉构件，通过在抗拉构件上施加预应力，以减轻压弯构件负担的自平衡体系如图1所示

在竖向荷载作用下,这种体系的上弦发挥拱的作用,而下弦起悬索作用,二者共同抵抗外荷;从而使结构的自重相对较小,而体系的刚度和形状稳定性相对较大,所以可以跨越很大的空间。

（二）张弦梁的分类：张弦梁结构可分为平面张弦梁结构和空间张弦梁结构两类，而空间张弦梁结构又可分为单向张弦梁结构、双向张弦梁结构、多向张弦梁结构。

1.单向张弦梁结构：由数榀平面张弦梁平行排列，中间运用高强钢索进行连接，从而形成了单向张弦梁结构。

2.双向张弦梁结构：双向张弦梁，顾名思义就是由数榀平面张弦梁结构横纵两个方向进行交叉布置，横纵两方向的索也要交叉布置，中间共用撑杆，从而形成一个较单向张弦梁来说稳定性明显加强的空间传力体系。

3.多向张弦梁结构：多向张弦梁结构与双向张弦梁结构类似，是将数榀平面张弦梁结构按照多个方向都点进行交叉布置，受力更加合理。但是其施工较为复杂。

三、张弦梁结构减震控制

（一）概述：隔震减震体系是指在结构物底部（或某层间部位）设置隔震装置使上部结构与下部结构分开从而形成的结构体系，利用隔震装置来隔离或耗散地震能量以避免或减少地震能量向上部结构传输，以减少建筑物的地震反应，实现地震时隔震层以上主体结构只发生微小的相对运动和变形，这种抗震方法称之为隔震。

（二）结构震动控制方法：结构震动控制是通过在结构上设置控制系统，由控制系统和结构共同抵御地震或风等动荷载，使结构的动力反应减小，是一种积极主动的控制策略。结构振动控制是按是有外部能源输入，可以分为被动控制，主动控制，半主动控制，以及混合控制。

1.被动控制：结构的被动控制是指在结构中设置某些装置或附加一个子系统，来改变或调整结构的动力特性，使结构在地震或风作用下的动力反应得到合理控制，主要包括基础隔震，消能隔震和质量调谐减震技术。

a)基础隔震：基础隔震体系是在上部结构与基础之间设置某种隔震装置，以隔离地震能量向上传输，达到减小结构振动的目的。

b)消能隔震:消能减震体系是把结构的某些非承重构件（如支撑，剪力墙等）设计成消能杆件，或在结构的某些部位（如节点，联结处）装设阻尼器，在风荷载或者轻微地震时，这些消能杆件处于弹性状态，具有足够的初始刚度，在地震发生时，随着结构变形的增大，这些消能杆件或在阻尼器率先进入非弹性状态，产生较大阻尼，大量消耗输入结构的地震能量，从而保护主体结构在强震中免遭破坏。

2.主动控制:结构的主动控制是应用现代控制技术，对输入地震动和结构反应实现微机实时跟踪观测，根据预定的控制算法和减震目标分析计算出所需控制力，然后应用伺服加力装置（作动器或执行器）将其施加到结构上，以瞬时改变结构的动力特性，以达到迅速衰减和控制结构振动反应的目的。

（三）采用的控制方法:索-混凝土组合梁结构的减震控制研究，该结构具有以下特点：1.节点和单元数目多，结构自由度大；2.结构相对较柔，在风荷载或环境随机激励下，结构的振动反应可能过大不满足使用要求等。根据大跨空间结构的这些特点，对各种减震方法进行比较：若采用主动控制或混合控制，一方面，由于控制策略基于状态反馈，特点1将导致观测向量在线计算工作量大，从而使实际控制很难实现

结语：

从工程实用和可行角度出发，考虑采用消能减震方法，在各种耗能装置中，粘滞阻尼器对环境温度和激励频率的变化不敏感，具有良好的可靠性和耐久性，比较适合大跨结构。

参考文献

[1]沈世钊,中国悬索结构的发展[J].工业建筑1994（06）.

[2]粘滞阻尼器在双向张弦梁结构中的减震控制研究.辽宁工程技术大学.2011

作者简介：蔺耀家（1992年-），男，汉族，河北唐山人，硕士在读，单位为华北理工大学，研究方向为结构工程。

秦乃兵（1962年-），男，汉族，河北唐山人，学历为博士，教授，硕士生导师，单位为华北理工大学，研究方向为结构工程。