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弦支筒壳结构体系的力学性能剖析：静力与动力的多维视角

一、引言

1.1研究背景与意义

随着现代工业和科技的飞速发展，建筑领域对于大跨度空间结构的需求日益增长，大跨度空间结构的发展水平已成为衡量一个国家建筑科技实力的重要标志。在众多大跨度空间结构形式中，弦支筒壳结构体系凭借其独特的受力性能和出色的建筑效果，在桥梁、体育馆、展览馆等大型建筑中得到了广泛应用。例如在一些大型体育场馆中，弦支筒壳结构体系不仅能够满足大跨度的空间需求，还能为观众提供开阔无柱的观演空间，同时其简洁美观的造型也为建筑增添了独特的艺术魅力。

然而，目前针对弦支筒壳结构体系静力及动力性能的研究仍相对有限，存在诸多尚未解决的难题。深入研究弦支筒壳结构体系的静力及动力性能，具有极其重要的理论和实际意义。从理论层面来看，这有助于深化对该结构体系力学特性和安全性能的认识，丰富和完善现代建筑结构体系的理论体系。从实际应用角度出发，能为弦支筒壳结构体系的设计与应用提供坚实的技术支持，提升工程设计和施工水平，推动工程技术创新，促进大跨度空间结构在更多领域的合理应用和发展。

1.2弦支筒壳结构体系概述

弦支筒壳结构体系是一种基于张拉整体概念的新型杂交空间结构，由上层筒壳、下弦拉索和中间撑杆三部分组成。上层筒壳可采用单层柱面网壳结构或双层柱面网壳结构，主要承受压力，利用其曲面形状有效地将荷载传递到下部结构。下弦拉索通过锚固节点连接至筒壳跨间节点处或支座处，发挥高强受拉性能，为整个结构提供拉力支撑。中间撑杆则连接在筒壳与拉索之间，起到传递力和稳定结构的作用。

其工作原理基于结构各部分的协同作用。在结构建成初期，对拉索施加适当预拉力，能够减小结构在外荷载作用下上部单层网壳对支座的推力。当结构承受外来荷载时，内力首先通过上端的单层网壳传递到下端的撑杆，然后撑杆将力传给索，索受力后产生对支座的反向拉力。与此同时，撑杆大大减小了上部单层网壳各层节点的位移和变形，使杆件的内力相对单层网壳部分有较大幅度降低，显著改善了结构整体的刚度、强度和稳定性。这种独特的结构形式和工作原理，使得弦支筒壳结构体系克服了单层筒壳或厚度较薄的双层网壳稳定性差、跨越能力不大的缺点，形成了一种跨越能力大、稳定性好、经济性合理、施工方便的结构体系。

1.3国内外研究现状

国外对于弦支结构的研究起步较早，上世纪80年代弦支结构一经提出，便在多个实际工程中得到应用。在弦支筒壳结构体系方面，国外学者在结构的构成形式、受力性能等方面进行了一定的研究，但研究深度和广度仍有待拓展。

我国对于弦支结构的研究也开展得较早。1998年，天津大学刘锡良教授等对典型弦支结构——张弦梁进行了受力性能分析。新世纪伊始，在国家自然科学基金和中国博士后科学基金的支持下，国内学者开始对弦支结构进行系统的理论分析和实验研究。目前，弦支结构在我国体育场馆、展览馆、航站楼等建筑中得到大量采用。在弦支筒壳结构体系研究方面，国内学者对其构成、分类、静力性能和稳定性能等进行了研究。研究表明，弦支筒壳结构的预应力拉索和撑杆能有效提高结构整体刚度，减小水平推力，其屈曲特征值和非线性屈曲临界荷载值比单层筒壳大幅提高，稳定性得到极大改善。然而，当前研究仍存在不足，对弦支筒壳结构体系在复杂动力荷载作用下的响应特性研究不够深入，不同因素对其静力及动力性能影响的研究也不够全面，在结构优化设计方面的研究尚显薄弱。

1.4研究内容与方法

本文主要研究内容包括：一是弦支筒壳结构体系的静力分析，根据其几何形状和材料特性，建立静力模型，运用有限元方法模拟分析，获取受力情况、变形特性等相关参数；二是弦支筒壳结构体系的动力分析，探究其在不同动力荷载条件下的响应特性，分析自振频率、振型等动态参数的变化规律；三是分析不同因素，如建筑材料、荷载、建筑环境等对弦支筒壳结构体系静力及动力性能的影响，为优化结构设计提供依据。

在研究方法上，采用数值模拟方法，借助有限元分析软件建立弦支筒壳结构的模型，模拟其在静力和动力荷载作用下的响应；运用理论分析方法，对弦支筒壳结构的受力机理、动力响应原理等进行深入剖析；结合案例研究方法，通过实际工程案例，验证和完善理论分析与数值模拟的结果，使研究更具实用性和可靠性。

二、弦支筒壳结构体系的静力性能分析

2.1静力分析理论基础

弦支筒壳结构体系的静力分析依托于多个经典力学理论，这些理论为深入理解结构的受力特性和行为提供了基石。

结构力学是其中的核心理论之一，它主要研究结构的组成规律和合理形式，以及结构在外荷载作用下的强度、刚度和稳定性的计算原理和方法。在弦支筒壳结构体系中，结构力学的原理用于分析结构整体的受力平衡，确定各构件之间的内力传递路径。例如，通过结构力学中的力的平衡方程，可以求解在各种荷载工况下，筒壳、撑杆和拉索所承受的内力大小和方向，明