大跨空間鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展與展望

大跨空間鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展與展望

大跨空間結(jié)構(gòu)是指具有三維結(jié)構(gòu)形狀、三維壓力特征和空間工作形式的三維結(jié)構(gòu)形式。網(wǎng)架、網(wǎng)殼、懸索結(jié)構(gòu)在我國(guó)的已被大量應(yīng)用?？臻g結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的平面結(jié)構(gòu)相比具有很多優(yōu)點(diǎn),因此國(guó)內(nèi)外應(yīng)用很廣泛。近年來(lái),隨著國(guó)家實(shí)力的增強(qiáng),人們的生活水平的提高,工業(yè)、文化、體育等事業(yè)不斷發(fā)展,加強(qiáng)了社會(huì)對(duì)這種結(jié)構(gòu)的需求。同時(shí)計(jì)算技術(shù)的不斷完善和飛速發(fā)展使對(duì)任何復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)成為可能,因此空間結(jié)構(gòu)應(yīng)用得到了蓬勃發(fā)展。目前空間結(jié)構(gòu)向著重量輕、跨度大的方向發(fā)展,想要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)就必須在設(shè)計(jì)中設(shè)法降低結(jié)構(gòu)自重,而降低結(jié)構(gòu)自重目前有三種方式:一是合理應(yīng)用預(yù)應(yīng)力技術(shù),二是在設(shè)計(jì)中運(yùn)用輕質(zhì)高強(qiáng)的新型建筑材料,三是選擇構(gòu)思合理的結(jié)構(gòu)形式。大跨空間結(jié)構(gòu)是這些方法的綜合應(yīng)用,其中張拉整體結(jié)構(gòu)和膜結(jié)構(gòu)是最好的體現(xiàn),這兩種結(jié)構(gòu)在美國(guó)和日本發(fā)展最快。1網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析是一個(gè)重要的研究概念網(wǎng)架、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是多個(gè)軸心受力鋼構(gòu)件按照一定規(guī)律布置,然后通過(guò)節(jié)點(diǎn)把會(huì)交于此的桿件聯(lián)系起來(lái)的空間結(jié)構(gòu)形式,由于這類空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)具有制作安裝方便、受力合理、結(jié)構(gòu)形式富于變化等特點(diǎn),因此在近一二十年獲得了很大發(fā)展。這種不僅屋蓋結(jié)構(gòu),也可以用于墻體結(jié)構(gòu)、特種結(jié)構(gòu)和樓層結(jié)構(gòu)。我國(guó)20世紀(jì)50年代開(kāi)始研究這種結(jié)構(gòu)形式的,1964年建成了我國(guó)第一幢網(wǎng)架結(jié)構(gòu)——上海師范學(xué)院球類房屋蓋。據(jù)不完全的統(tǒng)計(jì),至1999年底我國(guó)已建成各類網(wǎng)架、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)10000幢。目前,空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)以每年80萬(wàn)平方米的速度增長(zhǎng)。我國(guó)網(wǎng)架、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)廠家已超過(guò)100家,如精工鋼結(jié)構(gòu)、杭州大地網(wǎng)架制造有限公司、徐州飛虹網(wǎng)架集團(tuán)公司等,已經(jīng)形成了一個(gè)新興的空間鋼結(jié)構(gòu)制造行業(yè)。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問(wèn)就是結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析。單層網(wǎng)殼的設(shè)計(jì)是由結(jié)構(gòu)穩(wěn)定控制,而不是由構(gòu)件的強(qiáng)度決定的,因而鋼構(gòu)件在工作狀態(tài)下的應(yīng)力水平僅為30~40N/mm2,這樣一來(lái)就沒(méi)有充分利用鋼材的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)。網(wǎng)殼的穩(wěn)定分析是一個(gè)幾何和材料的非線性問(wèn)題,同時(shí)還要考慮初始缺陷的影響。雖然很多學(xué)者研究了各類網(wǎng)殼的穩(wěn)定性能,但是都未給出一個(gè)適用的臨界荷載計(jì)算公式和穩(wěn)定性安全系數(shù),因此進(jìn)一步研究各類網(wǎng)殼的穩(wěn)定性計(jì)算理論和方法,給出適用的臨界荷載計(jì)算公式和穩(wěn)定性安全系數(shù)是很有必要的。對(duì)于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)風(fēng)荷載的動(dòng)力分析可能不是設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題,但隨著網(wǎng)殼尺度的增大,深入研究其抗震性能很有意義。2不同結(jié)構(gòu)的張拉結(jié)構(gòu)懸索結(jié)構(gòu)是以一系列受拉鋼索為主要承重構(gòu)件,按照一定規(guī)律布置,并懸掛在邊緣構(gòu)件或支撐結(jié)構(gòu)上而形成的一種空間結(jié)構(gòu)。它通過(guò)鋼索的軸向拉伸來(lái)抵抗外荷載和作用。鋼索多用高強(qiáng)鋼絲組成的鋼絲束、鋼絞線和鋼絲繩,也可以采用圓鋼筋或帶狀的薄鋼板。邊緣構(gòu)件多為混凝土構(gòu)件用來(lái)錨固鋼索,并承擔(dān)懸索的拉力。從近年來(lái)工程實(shí)踐中所采用的結(jié)構(gòu)形式來(lái)看,各種單層索系、雙層索系、索-桁體系、鞍行索網(wǎng)、各種組合懸掛體系多獲得了工程應(yīng)用。單層索系是將屋面板掛在索上,在板上加載使索伸長(zhǎng),然后在板縫中澆筑混凝土,達(dá)到一定強(qiáng)度后卸去荷載,形成了具有一定預(yù)應(yīng)力的混凝土薄殼。為了提高懸索結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性能和豐富建筑造型誕生了雙層索系、索-桁體系、鞍行索網(wǎng)、各種組合懸掛體系。其中索-桁體系是在索上加橫向加勁構(gòu)件,一種辦法是傳遞集中荷載和局部荷載,使荷載均勻地分布到互相平行的索上;二是通過(guò)下壓橫向加勁構(gòu)件使索以致整個(gè)體系建立預(yù)應(yīng)力,從而提高屋蓋的剛度。柔性的張拉結(jié)構(gòu)在沒(méi)有施加預(yù)應(yīng)力以前沒(méi)有剛度,其形狀是不確定的。必須通過(guò)施加適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力賦予一定的形狀,才能承受外荷載。在給定的邊界條件下,所施加的預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)的分布和大小同所形成的結(jié)構(gòu)初始形狀是相聯(lián)系的。如何最合理的確定這一初始形狀和相應(yīng)的自平衡系統(tǒng)是索網(wǎng)結(jié)構(gòu)在內(nèi)的張拉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)難題。關(guān)于對(duì)懸索結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的研究,尤其是在地震和風(fēng)荷載作用下的反映分析也是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。3張拉膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法“張拉整體”這個(gè)概念是美國(guó)著名建筑師富勒提出的,它是受到大自然的啟發(fā)而產(chǎn)生的。張拉整體是一組不連續(xù)的受壓構(gòu)件和一組連續(xù)的受拉構(gòu)件組成的自應(yīng)力與自支撐的空間結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)在沒(méi)有施加預(yù)應(yīng)力之前結(jié)構(gòu)幾乎是沒(méi)有剛度的,因此初始預(yù)應(yīng)力的大小決定結(jié)構(gòu)的剛度和結(jié)構(gòu)的外形。由于張拉整體結(jié)構(gòu)最大限度地發(fā)揮了材料特性,所以這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)用最少的鋼材實(shí)現(xiàn)大跨度建筑。張拉膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)包括體形設(shè)計(jì)、初始平衡形狀分析、荷載分析、剪裁分析。通過(guò)體形設(shè)計(jì)確定建筑平面形狀、三維造型確定各控制點(diǎn)的坐標(biāo)。初始平衡形狀分析是要確定在一定邊界條件和一定預(yù)應(yīng)力條件下的膜曲面形狀,因?yàn)槟げ牧媳旧頉](méi)有剛度需要靠曲面的變化和其中的預(yù)應(yīng)力來(lái)提供剛度。張拉膜結(jié)構(gòu)的荷載分析中主要考慮風(fēng)荷載和雪荷載,在荷載作用下膜材料的變形很大,且隨著形狀的改變荷載分布也在改變,因此要精確計(jì)算結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力需要應(yīng)用幾何非線性方法。經(jīng)過(guò)初始平衡形狀分析的膜結(jié)構(gòu)通常為三維不可變曲面,如何通過(guò)二維材料的剪裁形成所需要的三維空間曲面,是整個(gè)設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的一個(gè)問(wèn)題,也正是剪裁分析研究的內(nèi)容。張拉膜結(jié)構(gòu)屬于柔性結(jié)構(gòu)其自振頻率比較低,對(duì)風(fēng)荷載比較敏感,因此在風(fēng)作用下的反應(yīng)和抗風(fēng)設(shè)計(jì)顯得十分重要。這一課題具有較大難度,國(guó)內(nèi)外研究不多,在許多方面是空白,因而開(kāi)展這一研究很有意義。4愈合屋蓋的軌道設(shè)計(jì)開(kāi)合結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)與人類體育事業(yè)的發(fā)展密切相關(guān),體育場(chǎng)空間本因該是一個(gè)開(kāi)放的空間,可是由于一些原因有些現(xiàn)代體育運(yùn)動(dòng)發(fā)展到了室內(nèi)體育館進(jìn)行,但是由于這些帶著屋頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)場(chǎng)是一個(gè)封閉的空間,使人們無(wú)法在觀看體育賽事的同時(shí)又能享受大自然的天空和陽(yáng)光,如果一種屋蓋可以開(kāi)合既能滿足體育運(yùn)動(dòng)的需要又能滿足人們的愿望那是很受歡迎的,開(kāi)合屋蓋就在這種情況下誕生了。目前開(kāi)合屋蓋的基本結(jié)構(gòu)形式為網(wǎng)殼,由