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。