空間結構的新發(fā)展淺析大跨空間結構的新發(fā)展

空間結構的新發(fā)展淺析大跨空間結構的新發(fā)展

1維結構分析自21世紀以來，在土木工程領域，空間結構的出現(xiàn)是一個重要的進展。所謂的“空間結構”相當于“平面結構”。我們?nèi)粘Ｋ捎玫牧骸㈣旒?、拱等都屬平面結構。一般說來,它所承受的荷載以及由此而產(chǎn)生的內(nèi)力和變形都被考慮為二維,即在一個平面內(nèi),而空間結構的荷載與內(nèi)力、變形則是三維的,即作用在空間內(nèi)。它的結構分析也要考慮空間作用,用一般二維的假設無法得到準確的解答。由于以上的特點,空間結構可以做到高效、經(jīng)濟、美觀。當代大跨空間結構歸納起來,主要有二大類:一類是格構式空間結構,如網(wǎng)架、網(wǎng)殼等結構,另一類是連續(xù)式空間結構,如薄殼結構、膜結構等。近年來,平板網(wǎng)架、網(wǎng)殼以及懸索結構等空間結構在我國得到了廣泛的應用。為了滿足社會對空間結構尤其是大跨度高性能空間結構的需求,空間結構向著輕量、大跨方向發(fā)展。2五種結構體系2.1初始預應力的施加“張拉整體”概念是美國著名建筑師富勒的發(fā)明,是指“張拉”和“整體”的縮合。張拉整體結構可定義為一組不連續(xù)的受壓構件與一套連續(xù)的受拉單元組成的自支承、自應力的空間網(wǎng)格結構。這種結構的剛度由受拉和受壓單元之間的平衡預應力提供,在施加預應力之前,結構幾乎沒有剛度,并且初始預應力的大小對結構的外形和結構的剛度起著決定性作用。由于張拉整體結構固有的符合自然規(guī)律的特點,最大限度地利用了材料和截面的特性,可以用盡量少的鋼材建造超大跨度建筑。2.2作為覆蓋結構的部膜結構是20世紀中期發(fā)展起來的一種新型建筑結構形式,是由多種高強薄膜材料及加強構件(鋼架、鋼柱或鋼索)通過一定方式使其內(nèi)部產(chǎn)生一定的預張應力以形成某種空間形狀,作為覆蓋結構,并能承受一定的外荷載作用的一種空間結構形式。膜結構可分為充氣膜結構和張拉膜結構兩大類。充氣膜結構是靠室內(nèi)不斷充氣,使室內(nèi)外產(chǎn)生一定壓力差(一般在10mm~30mm水柱之間),室內(nèi)外的壓力差使屋蓋膜布受到一定的向上的浮力,從而實現(xiàn)較大的跨度。張拉膜結構則通過柱及鋼架支承或鋼索張拉成型,其造型非常優(yōu)美靈活。2.3合結構的愈合方式開合屋蓋結構最初是人們在自然環(huán)境下觀賞體育競賽時為避免不利氣候的影響而發(fā)展起來的。它是在很短時間內(nèi)部分或全部屋蓋結構可以移動或開合的結構形式,建筑物在屋頂開啟和關閉的兩個狀態(tài)下都可以使用。開合結構的開合方式有以下幾種類型:(1)水平移動。單純通過屋蓋水平移動形成開合。(2)重疊方式。又可細分為:(1)水平重疊,通過數(shù)段屋蓋水平重疊搭接形成開合;(2)上下重疊,將屋蓋上下分成數(shù)段,底段固定,上面幾段可上下滑動形成開合;(3)因轉重疊,通過數(shù)塊屋蓋回轉重疊形成開合;(4)水平回轉移動重疊,既有水平移動又有回轉移動,最后重疊搭接形成開合。(3)折疊方式。又可細分為:(1)水平折疊,構件水平方向折疊形成開合;(2)回轉折疊,構件水平回轉折疊形成開合;(3)上下折疊,一般采用膜屋面,類似于折疊傘,通過吊起或放下屋面形成開合。(4)混合方式。上述這些開合方式的組合。2.4結構幾何自鎖式折疊結構是一種用時展開、不用時可折疊收起的結構。折疊結構一般可重復使用,且折疊后體積小,便于運輸及儲存,與永久性建筑物相比不僅在施工上省時省力,而且可避免不必要的資金再投入而造成的浪費。依據(jù)不同的標準,折疊結構有著不同的類型劃分:按照折疊結構組成單元的類型可分為桿系單元、板系單元,而桿系單元又可再分為剪式單元及伸縮式單元;根據(jù)結構展開成型后的穩(wěn)定平衡方式可分為結構幾何自鎖式、結構構件自鎖及結構外加鎖式;根據(jù)結構組成是否采用索單元可分為剛性結構及柔性結構;根據(jù)結構展開過程的驅(qū)動方式可分為液壓(氣壓)傳動方式、電動方式、節(jié)點預壓彈簧驅(qū)動方式等。結構幾何自鎖式又稱自穩(wěn)定折疊結構,是工程界普遍重視的一種結構。其自鎖原理主要是由結構的幾何條件及材料的力學特性決定。在這種結構中,一些剪彩式單元(簡稱剪鉸)以一定的方式相連而組成鎖鉸。鎖鉸中每根桿件只有在折疊狀態(tài)與完全展開時,才與結構的幾何狀態(tài)相適應,桿件應力為零,而在展開過程中桿件彎曲變形,儲存外荷能量,最后反方向釋放這些能量。自穩(wěn)定折疊結構展開方便、迅速,但其桿件抗彎剛度比較小,因而承受外荷載能力低,只適合小跨度情況。結構構件自鎖式的自鎖機理主要是靠鉸接處的銷釘在結構展開時自動滑入桿件端部預留的槽孔處而鎖定結構。結構外加鎖式亦稱附加穩(wěn)定結構,在結構展開過程中,桿件內(nèi)無應力,整個結構是一個機構體系,在展開到預定跨度時,在結構的端部附加桿件或其他約束而消除機構形成結構。這種結構的桿件剛度比較大,可滿足較大跨度的要求。根據(jù)結構組成是否采用索單元可分為剛性結構及柔性結構。柔性結構在收納狀態(tài)時,索呈松馳狀態(tài),剛性桿件可形成捆狀便于運輸儲存。在展開時可拉緊驅(qū)動索使結構展開,亦可增加壓桿長度來張拉索,在完全展開時可形成張拉整體體系。這種結構自重輕、展開成型后剛度較大,可用于跨度較大的結構。折疊結構根據(jù)其在展開過程中所表現(xiàn)的運動特性可分為兩大類:一類是各部分運動為剛體運動,稱其為多剛體體系,它的運動描述及內(nèi)力分析比較容易解決;另一類則是部件在空間中經(jīng)歷著大的剛性運動的同時,還存在自身的變形運動,表現(xiàn)出剛性運動與變形運動互相影響,強烈耦合的特征。折疊結構的節(jié)點必須能夠保證桿件在展開過程中運動自如,桿件與節(jié)點連接處沒有較大摩擦或易于彎曲的變形;在結構收納狀態(tài)時能夠保證桿件成緊密捆狀,以便儲存;并有足夠的強度來承受桿件的拉壓及局部的彎、剪、摩擦等各種作用。2.5板片空間結構體系板片空間結構體系是在綜合薄殼、網(wǎng)架、網(wǎng)殼、懸索與張力膜五種空間結構體系的基礎上發(fā)展起來的一種適合中國國情的新型結構體系。它吸取了薄殼結構用材大眾化的優(yōu)點,吸取了網(wǎng)架、網(wǎng)殼結構建造工廠化、系列化的優(yōu)點,吸取了懸索結構及張力膜結構受力張力化的優(yōu)點,從而使結構體系體輕壁薄,達到了受力合理、用材經(jīng)濟的目的。板片空間結構體系是由厚度很薄的板片和薄壁金屬骨架通過特定的方式組合而成的。它先以一系列板片組合成各式各樣的單元,再將這些單元組合成形式各異的整體結構,是一種桿件和板片共同受力的空間結構體系,具有輕質(zhì)、高強的結構特性,能從根本上改變“肥梁、胖柱、重屋蓋”的狀況;同時可以集承重、圍護、裝飾為一體;還具有保溫、隔熱、造型靈活優(yōu)美等諸多優(yōu)點,因此是一種很有發(fā)展前途的新型空間結構體系。板片空間結構體系本質(zhì)上是航空結構的“輕質(zhì)、高強”原理在土建屋蓋結構上的具體應用。以小板為基本構件的板片空間結構,從結構形式的構成特點出發(fā),可以將這類結構分為四大類。第一類是單層多折的折殼結構,第二類是以一系列組合單元組合形成的雙層板片空間結構,第三類是以板片錐體和桿件組成的板錐網(wǎng)架類組合空間結構,第四類是板錐網(wǎng)殼類組合空間結構。折殼結構是美國A.Kolozsvary于20世紀60年代末提出廣義折板體系(UFPSystem)的總結和發(fā)展。這類結構可以由一系列三角形小板按一定的規(guī)律折疊而成,形成造型獨特的結構。這類結構還可以利用單一的折疊菱形板作為基本構件,使用一種特制的可逆轉節(jié)點,通過它們,各構件可以在不同的相對位置被連接起來。由于構件的可逆轉連接性,大量具有不同形狀、橫截面和平面形式的結構,就能用簡單的廣義折板構件形成。這種結構的最大優(yōu)點是,可以通過標準化、工業(yè)化生產(chǎn)基本折疊構件,形成各種不同類型、不同要求的折殼結構形式。雙層板片空間結構先由板片組合成各類典型單元,如四面體體心單元、盒子單元和六面體體心單元等。以這些典型單元為核心,可以構造成平板型或擬曲面型的各種類型的雙層空間板系結構。雙層板片空間結構,由于增大了結構的截面高度,使得結構整體剛度和承載能力大為提高,從而使材料更能充分發(fā)揮其效用。同時,由于其結構本身具有夾芯層,這樣可大大改善建筑物的保溫、隔熱性能。利用這種類型的結構,可以用強度、彈性模量偏低的有機板材,組成較大跨度的板片空間結構。板錐網(wǎng)架類組合空間結構是先由板片組成錐體,再將各錐底邊相連組合成整體結構。在組合整體結構時,錐體可以正放,亦可以倒放。為了加強結構的整體剛度,再用梁或桿將各錐錐頂依據(jù)一定的規(guī)律連接起來,形成板錐網(wǎng)架組合空間結構。當然,只有三角形、正方形、矩形及正六邊形底的錐體單元,才能通過其底部沒有間隙地連接起來,作為屋面覆蓋一個給定的平面。錐體正放時,板材經(jīng)過防水處理,可以形成結構暴露的屋蓋。板錐網(wǎng)殼結構既可以達到充分利用各種板材的目的,又可以使結構的受力性能得到良好的改善。板錐網(wǎng)殼的類似結構在國外得到了廣泛的應用。板錐網(wǎng)格類板片空間結構,是受錐形網(wǎng)格結構的啟發(fā)產(chǎn)生