淺議大跨度鋼結構設計

1、    淺議大跨度鋼結構設計    王建軍鐘杰隨著我國經(jīng)濟建設的蓬勃發(fā)展，網(wǎng)架、候機廳、會展中心、會堂、劇院等大型公共建筑及不同類型的工業(yè)建筑獲得了廣泛應用。習慣上，通常將空間結構按形式分為五大類，即薄殼結構（包括折板結構）、網(wǎng)架結構、網(wǎng)殼結構、懸索結構和膜結構，稱為五大空間結構。其中，膜結構可分為充氣膜結構和支承膜結構，前者又可分為氣囊式膜結構（囊中氣壓為37個大氣壓，稱高壓體系）和氣承式膜結構（膜內(nèi)氣壓1.003個大氣壓左右，稱低壓體系），后者又可分為剛性支承膜結構（支承在剛度較大的如拱、梁、桁架、網(wǎng)架等支承結構上，又稱骨架式膜結構）和柔性支撐膜結構

2、（支承在脊索、谷索、邊索、桅桿等柔度較大的支承結構上，又稱張拉式膜結構）。在五太空間結構的基礎上，平板型的網(wǎng)架結構和曲面型的網(wǎng)殼結構可合并總稱為網(wǎng)格結構（新的土木工程名詞已經(jīng)正式推薦采用“空間構架”這一名詞，相當于英文的space frame，這里仍根據(jù)習慣稱為網(wǎng)格結構）；而懸索結構與膜結構也可合并總稱為張拉結構。（一）高空散裝法是指在結構下部搭設滿堂腳手架，腳手架鋪設工作平臺，將小拼單元或散架（單根桿件及單個節(jié)點）運至工作平臺上，然后直接在設計位置進行拼裝的方法。高空散裝法分為全支架法（即滿堂腳手架）和懸挑法兩種。由于在高空拼裝。垂直運輸時不需要起重機或大型起重設備，但現(xiàn)場及高空作業(yè)量大，需

3、要大量的支撐架材料和設備。（二）單元塊吊裝法是指先把網(wǎng)架分割成若干單元塊并在地面進行組裝，然后分別由起重機吊裝至高空設計位置就為擱置，再間接各單元塊之間上、下弦桿和腹桿直至拼裝成整體的施工方法。采用單元塊吊裝法施工時，由于結構的大部分焊接、拼裝工作都在地面進行，有利于提高工程質量，并可省去大部分搭設支撐架；其次，由于單元塊的重量與現(xiàn)場現(xiàn)有的起重設備相適應，可利用現(xiàn)有的起重設備吊裝網(wǎng)架，有利于節(jié)約成本。該方法比較容易在中小型結構中實現(xiàn)，但還存在一定的高空作業(yè)。（三）移動支架安裝法無固定的支撐腳手架，網(wǎng)格結構在可移動的支撐架上進行安裝，需要為支架的移動鋪設軌道或平整場地。移動支安裝法一般都與高空散

4、裝法聯(lián)合使用。需要注意移動安裝支撐架的場地或軌道是否足夠平整；支架移動后，對已安裝的結構部件是否設置若干固定臨時支撐，以分散結構桿件內(nèi)力和控制節(jié)點位移，同時也需要考慮支撐撤去時的內(nèi)力改變情況。（四）整體提升法是指先將結構在地面整體拼裝完整，然后再結構柱上安裝提升設備（提升設備位于結構上方）提升結構。減少了空間作業(yè)量，方便了施工管理，縮短了工程工期，從而大大節(jié)省了施工費用。但是由于施工狀態(tài)和施工完成狀態(tài)的力學模型不同，應進行施工及竣工后結構的構建內(nèi)力、節(jié)點變形、支座反力計算、合算設計的桿件截面，必要時另外作一些加固措施，并且在提升過程中跟蹤結構桿件內(nèi)力變化和節(jié)點位移發(fā)展。北京科技大學體育館（20

5、08奧運會柔道、跆拳道比賽館）位于北京科技大學校園內(nèi)，由8 000席比賽館和一個標準池游泳館組成，總建筑面積為23 993m2，是北京2008年奧運會的主要比賽場館之一。比賽館屋面跨度為東西向76.8m、南北向105m，游泳館屋面跨度為東西向60m、南北向30m，二者屋面結構均采用鋼網(wǎng)架。下部結構（包括局部地下室）體系，比賽館為帶有4個鋼筋混凝土小筒的框架結構，游泳館在二層平臺以下為鋼筋混凝土框架結構，平臺以上為鋼管柱支承網(wǎng)架。比賽館網(wǎng)架跨度大，沿東西向兩側設有吊掛設備層、在南北兩端山墻為吊掛玻璃幕墻，屋面總荷載較大（平均荷載標準值3.66kn/m2）。根據(jù)其特點，設計中采用了改進型雙向正放網(wǎng)

6、架的形式，即在不增加腹桿數(shù)量與節(jié)點數(shù)量的情況下，在上下弦平面增加兩個斜方向的弦桿系統(tǒng)。不僅有效降低了單個桿件的內(nèi)力，而且調(diào)整了不同支座之間的反力。同時，由于增加了這些斜桿，提高了整體屋面在斜向的受力性能，也減小了網(wǎng)架整體受力對單個桿件的依賴，有效地提高了結構的安全性能。為提高結構剛度，減少主體與附屬結構材料用量，設計中結合屋面排水要求，采用四面結構找坡的形式，坡度4%，脊線位置設置上弦球節(jié)點以便于控制屋面形狀，網(wǎng)架厚度為3.95.5m.游泳館阿架跨度60m×30m，網(wǎng)架四角無柱，四邊隔點支承于20根鋼管柱的柱頂，其中三邊為下弦支承、一邊為上弦支承。網(wǎng)架周圍均有室外吊掛平臺，吊點距離網(wǎng)

7、架邊緣三邊為3.750m，一邊為1.875m。設計采用雙向正交斜放鋼網(wǎng)架結構（圖1），網(wǎng)格尺寸2.652m（對角線尺寸為3.75m），以滿足吊點設置要求并可避免桿件之間相交角度過小。另外，將上弦支承邊的網(wǎng)格方向調(diào)整為正交正放，網(wǎng)格尺寸為3.75m，避免過多桿件相交的節(jié)點。由于游泳館嘲架下方不設吊頂，這樣的桿件布置也形成了規(guī)則劃一的建筑效果。為提高結構剛度，減少主體與附屬結構材料用量，設計中結合屋面排水要求，采用單面結構找坡的形式，坡度4%，網(wǎng)架厚度為2.o3.2 m。鳥巢由瑞士赫爾佐格一德梅隆建筑事務所與中國建筑設計研究院聯(lián)合體提出的鳥巢形國家體育場是2008年北京奧運會的中標方案。國家體育場

8、看臺呈碗形，最多可容納100 000個座椅。支承體育場看臺的是一系列放射狀的混凝土框架。覆蓋體育場碗狀看臺的是一個巨大的“鳥巢”形空間鋼結構。國家主體育場主體鋼結構分為主結構、次結構和移動屋蓋三部分，如圖1.2所示。主結構實際上是兩向不規(guī)則斜交的平面桁架系組成的約為340mx292m橢圓平面網(wǎng)架結構，網(wǎng)架外形呈微彎形雙曲拋物面，周邊支承在不等高的24根立體桁架柱上，每榀桁架與約為140m* 70m長橢圓內(nèi)環(huán)相切或接近相切；次結構為鑲嵌在主結構上弦多邊形網(wǎng)格內(nèi)的系列桿件；移動屋蓋跨越整個結構開口空間，由對稱的兩部分組成。移動屋蓋曲線部分為懸臂區(qū)域，直線部分支撐在主結構的上弦，跨度約80m，能夠沿

9、著主結構上的固定軌道開啟或關閉。主體結構的地下部分采用型鋼混凝土柱。隨著理論研究的深入和工程實踐的大量增加，我國科技人員將進一步研制開發(fā)出適應我國大跨空間鋼結構需要的新體系、新計算、新材料，更充分地體現(xiàn)了大跨空間結構的先進性、經(jīng)濟性與合理性，促進我國大跨空間鋼結構更積極、更健康的發(fā)展。使大跨空間結構更好的我國經(jīng)濟建設服務。空間網(wǎng)架與網(wǎng)殼結構在我國應用和發(fā)展的歷史雖僅有三十多年的歷史，但已充分表明這是一類很有活力、適應性強、方興未艾的空間結構。展望未來的二十一世紀，應在以下重點、熱、難點的科技領域和前沿課題展開工作，大力開拓和發(fā)展各類新型、適用、美觀的空間鋼結構。1. 總結經(jīng)驗，抓住機遇，迎接挑戰(zhàn)，隨著我國經(jīng)濟建設的蓬勃發(fā)展和人民生活水平的不斷高，根據(jù)實際需要在我國研究、設計、制作和安裝150m-200m，甚至大于200m的大跨度與超跨度的空間鋼結構。2. 在取得已有成果的基礎上，進一步發(fā)展和完善具有我國特色的組合、斜拉和預應力網(wǎng)和網(wǎng)殼結構，并擴大它們應用范圍。3. 積極研究和開拓應用當前空間結構中最熱門的索一桿（梁