结构概念及全张力体系的工作机理钱若军第2卷第3期空间结构1996年8月结构概念及全张力体系的工作机理。。钱若军沈祖炎夏绍华洪肖秋（同济大学）（河海大学）（上海机电设计院）摘要本文在研究了全张力体系和索穹顶结构的基础上提出了结构效率、自平衡、自适应、结构的保守性及拓扑和结构的关联性等结构概念。并提出结构分析中另一个领域——形状拓扑分析是自然科学中的逆问题。本文还对索穹顶的力学原理及工作机理作了论述。强调了建立以创造而不是仿生的现代体系结构理论的必要性。关键词全张力体系结构概念工作机理一、引言由于传统的结构学仅涉及数值解析，因此很少有人对结构提出过理性的概念，并由此概念建立数学模式。富勒（fuller）对全张力体系（tensegritysystem）作了理性描述。富勒认为应该寻求一种处理张力海洋而压力只是张力海洋中的孤岛的结构。索穹顶即是基于这个概念首先在大跨度结构中实现的结构。它并不是脱颖于各种冠以全张力体系之名的几何，而是直接脱胎于富勒提出的概念和命题。所以，理性地研究全张力体系和索穹顶结构，根据这类结构的特性抽象出一些概念。从而可理性地描述其工作机理。这样，不仅为索穹顶结构数值分析中建模、构成算法提供依据，更有甚者可为建立以创建结构为主要宗旨的现代结构理论提供基础。现代结构理论应指导人们更多地“智能化”地进行创造结构。不是把结构设计成象什么样的，而是应成什么样的。结构应被赋于某种能动性，提高适应和生存能力，从某种意义上说变得更具生命力。将结构观念从静态和被动的水平提高到动态和主动的水平。本文首先抽象定义若干结构概念，以此描述索穹顶结构的第1页共10页工作机理，并对索穹顶结构的分析模型和算法作简单论述。同时，研究表明从索穹顶结构中抽象出的结构概念可对索穹顶进行再创建。[1]二、结构概念结构概念是对结构特性、功能的抽象，是对结构特征的概括性的描述。由于传统的结构设。。文稿收到日期：1996.6.1。*国家自然科学基金资助项目。2计是一种仿生。设计的主要任务只是对材料强度的校验，而并未达到要规定结构性能或功能的境地。同时，通过对索穹顶的研究，发现了富勒定义的全张力体系的一些特点以及构成这些体系的条件。为此有必要定义和了解如下的概念。1.结构效率结构构件效率是结构构件的实际力密度和极限力密度之比。由此得构件的张力效率ti1。。t，i=isaf式中ti、ai为第i根杆的张力及截面面积;fs为杆件的极限强度。而结构的张力效率：。。t=-。。t/（。。t，max-。。t，min）nt（1）（2）1其中，-。。t=。。t，i为构件中的平均张力效率，这里，nt是处理张力状态的杆件数;。。t，max，。。t，minnt∑i为结构中最大和最小的构件张力效率。与之类似，可以定义结构的压力效率。。e。结构效率以力流量来表示结构的工作效率或构件的工作效率。无疑，赘余的构件或者效率不高的构件乃至子结构都应予以修改甚至撤除。通常可通过修改结构的拓扑和外形或刚度分布来改善结构效率。结构效率可以作为构造结构拓扑的力学规第2页共10页则。与此相应，结构的几何可变性应是构造结构拓扑的几何规则。2.自平衡自平衡体系指存在一个或多个应力的回路，在平衡过程中荷载的效应可相互抵消并较少“流失”的结构体系，且可由内部结构和支承结构组成。内部结构自身也可构成自平衡体系。自平衡体系无疑可获得较好的力学性状和减少力的传递路线。所谓较好的力学性能是指力和力流的分布合理;边缘效应较小;有较好的结构保守性，即结构刚度的相对恒定性较好。索穹顶结构是具有多个应力回路的自平衡体系。其上凸的索拱与下凹的悬挂索系自相平衡，且内部结构与边梁或边桁架也自相平衡，图1。图1索拱与悬挂索系自平衡自平衡体系或结构中存在自平衡的应力回路可提高结构效率，也是希望从预应力中获取刚度的前提。如果应力“流失”，则预应力是无法对结构提供刚度的。当然，更谈不上形成全张力体系。自平衡体系或存在自平衡应力回路的结构具有有效的结构功能。因此，自平衡可作为结构的构造准则。由此，可以接受这么一种概念，即结构的拓扑设计应是应力回路设计的一部分。3.自适应对传统结构的分析和设计通常是不考...
