[摘要] 日本法政大学川口卫教授提出弦支穹顶结构的概念，他巧妙地结合了单层网壳结构和索穹顶结构的优点，将索穹顶结构的上层索网以单层网壳代替，使得结构成型前已经具有一定的刚度。

　　在大跨度日益盛行的今天，预应力技术得到了广泛应用。就预应力对结构作用而言可分为两大类：一类以张拉整体结构和索穹顶结构为代表的必需预应力结构;一类以弦支穹顶和张弦梁为代表的非必需预应力结构。单层网壳结构对初始缺陷要求极为严格，且该结构对支座存在较大的水平推力;索穹顶结构对预应力大小也有极高的要求,预应力不足时上层索会出现松弛而退出工作。

　　为了解决以上问题，日本法政大学川口卫教授提出弦支穹顶结构的概念，他巧妙地结合了单层网壳结构和索穹顶结构的优点，将索穹顶结构的上层索网以单层网壳代替，使得结构成型前已经具有一定的刚度。本文针对国内外现有的研究成果对弦支穹顶的结构形态、受力特点及稳定性分析进行一个简要介绍。

　　1结构组成

　　弦支穹顶结构由网壳结构、撑杆、径向拉索、环向拉索组成。由图1可知，各环撑杆的上端与单层网壳对应的各环节点铰接连接，撑杆下端用径向索与单层网壳的下一个节点连接;同一环的撑杆下端由径向索连接到一起，使整个结构形成一个完整的结构的体系。

　　2受力特点

　　弦支穹顶结构的传力途径为：当外荷载作用时，荷载通过上端的的单层网壳传到下端撑杆上;再通过撑杆传给索;索受力后，产生对支座的反向拉力，使整个结构的下端约束环梁的推力大为减少。弦支穹顶融合了单层网壳和索穹顶的结构形式，该结构形式存在着“刚”和“柔”两种特性，上部单层网壳可看作“刚性”部分，是连续的压杆，为主要承重结构，下部索和撑杆可看作“柔性”部分，有着“连续拉和间断压”的单元构成特点。同时借助下部的索和撑杆对上部单层网壳的作用，使得上部单层网壳各环节节点的竖向位移明显减少。

　　3优势对比

　　张拉整体结构和索网结构等一般柔性张拉结构具有“连续拉和间断压”的单元构成特点。弦支穹顶结构相较以上两种结构形式有以下优点：

　　(1)与单层网壳相比，下部的索撑体系不仅增强了总体的结构强度，还大大的提高了单层的网壳的稳定性，改善了单层网壳对初始缺陷敏感的缺点。因此，结构跨度可以做的更大，网壳矢高可做的更小。

　　(2)与索穹顶相比，用刚性的上弦层取代柔性的上弦索，使施工大为简化，并且由于其刚度相对于索穹顶的刚度穹大很多，使屋面材料更容易与刚性材料相匹配。

　　(3)在结构受力上，结构对边界约束的要求明显降低，主要因为刚性上弦层的网壳对周边施加压力，而下部柔性的索撑体系对边界产生拉力。两者组合起来后作用力相互抵消。如果进行适当的优化设计，还可以达到长期荷载作用下结构的水平反力接近于零。从而大大降低对下部结构抗侧性能的要求，并使支座受力明确，易于设计和制作。

　　4参数分析

　　01 索截面

　　索截面可分为斜索截面和环索截面两大类，张明山[4]根据数值模型计算得出：索截面的变化对弦支穹顶结构的刚度影响较小。

　　02 环索预应力

　　预应力的增大使弦支穹顶结构在屈曲前相当长的阶段内保持线性或接近线性，在最大变形出现前较大幅度提高结构的稳定承载能力，能更大限度的发挥钢材高强度的优势。

　　03 布索方式

　　无论采用何种预应力施加原则，对于Kiewitt型弦支穹顶结构起控制作用的是外圈的一至两圈环索，根据实际工程中的情况，对外圈拉索施加合适的预应力而省去内圈的张拉部分，不仅能达到设计目的，还能减少材料、施工投入，起到较好的经济效果。

　　04 撑杆长度

　　将撑杆长度的变化参数转换成撑杆和径向索的夹角β，随着β的增大，竖向撑杆的长度有所增加，结构的极限承载力得到明显的改善，节点最大竖向变形有小幅度增大，但不太明显，而节点的初始位移则变化很小。

　　05 矢跨比

　　当矢跨比较小时，随着矢跨的增大，弦支穹顶结构的稳定性可得到较大的改善。当结构的矢跨比不断增大时，对结构的承载力提高作用逐渐减少，原因是弦支穹顶的矢跨比增大，几何形状随之发生变化，结构受力特征由最初的“梁”逐渐演变为“拱”，这就把原来单纯的由上弦构件传递的压力变为由所有构件共同传递，使得下弦索对上弦单层网壳的施加变形约束的作用减弱，自然降低了对结构的承载能力。

　　5预应力优化

　　高强度拉索和预应力的引入使得弦支穹顶结构成为一种高效能的空间结构体系。在单层网壳下部设置索杆体系不仅改变了结构体系，还通过张拉拉索在结构中建立了预应力以改善结构的受力性能同时减小对周年结构的依赖程度。因此，预应力的存在对弦支穹顶结构具有较大影响，如何合理分布预应力确定恰当的预应力值至关重要。

　　根据弦支穹顶的结构形式可将预应力的优化分为两大类：一种是下部索杆的优化，但索杆的布置优化属于结构布局优化设计，当前结构布局优化理论尚不成熟，索杆最优布置在理论上存在相当的难度，实际工程中依托工程经验和多方案试算比较来确定索杆布置问题。另一种是各圈索杆的预应力分配和组合优化，张明山采用随机搜索理论的遗传算法解决了该类问题。

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