談對建筑工程結構體系的分析

[摘 要]本文主要介紹越來越多應用的幾種新型建筑結構體系，包括：鋼——混凝土混合結構、索張拉結構、索穹頂結構、膜結構和高效預應力結構。

[關鍵詞]混凝土混合結構 —索張拉結構索穹頂結構

人類從原始社會利用山洞、樹林自然屏障遮風擋雨，到利用天然土、木、石和人工燒制粘土磚、瓦搭建房屋延續了數千年。真正意義上的現代建筑結構體系是隨著18、19世紀鋼鐵工業和水泥工業的發展而出現的，利用熱軋型鋼、鋼板和鉚接技術及隨后出現的焊接、螺栓連接技術，形成的建筑排架、桁架、網架等結構體系，利用混凝上的抗壓性能和鋼筋的抗拉性能，發展了鋼筋混凝土技術，形成了鋼筋混土框架、剪力墻等結構體系。進入20世紀以后，隨著建筑造型、建筑設計和跨度的要求越來越高，對建筑結構的要求更高，從而提出了一些新的結構體系。本文主要介紹越來越多應用的幾種新型建筑結構體系，包括：鋼——混凝土混合結構、索張拉結構、索穹頂結構、膜結構和高效預應力結構。

1 鋼——混凝土混合結構鋼——混凝土混合結構是我國目前在高層建筑領域里應用較多的一種結構型式。鋼結構和混凝土結構各有所長，前者具有重量輕、強度高、延性好、施工速度快、建筑物內部凈空氣大等優點，而后者剛度大、耗鋼量少、材料費省、防火性能好。綜合利用這兩種結構的優點為高層以建筑的發展開辟了一條新途徑。統計分析表明，高層建筑采用鋼——混凝土混合結構和用鋼量約為鋼結構的70％，而施工速度與全鋼結構相當于，在綜合考慮施工周期、結構占用使用面積等因素后，混合結構的綜合經濟指標優于全鋼結構和混凝土結構的綜合經濟指標。

鋼——混凝土結構最早于1972年用于芝加哥的GatewayⅢBuilding(36層137米)，我國至80年代才將鋼結構用于高層建筑，目前已建成或在建的高層結構建筑(約有40余幢)中，有一半以上采用的是鋼——混凝土混合結構。最近建設部和國家冶金工業局在頒布的《建筑用鋼技術政策》中，將鋼——混凝土混合結構列為要大力推廣的建筑新技術，可以預見，混合結構在高層辦公樓、學校、醫院及住宅等建筑中將有較廣泛的應用。

2 索張拉結構結構基本受力構件有三類：受壓構件、受彎構件和受拉構件。對于受壓構件，當構件長細比較大時，由于構件會發生整體失穩，構件的作用不能充分發揮。對于受彎構件，由于構件截面應力不均勻，截面邊緣的最大應力往往控制構件的設計，使得構件材料不能充分發揮作用，只有受拉構件，截面的應力均勻，不會發生整體失穩，如利用高強鋼索做成受拉構件，能最大限度地發揮受拉構件的作用，提高結構的經濟性。

在結構體系中巧妙利用張拉構件，結合少數剛性受壓構件，可構成受力合理的高效張拉結構體系，不僅承載力高、剛度大，且能使各種材料的強度均得到很好的發揮，

3 索穹頂結構索穹頂結構實際上是一處特殊的索——膜結構，是近幾年才發展起來的一種結構效率極高的張力集成體系，其外形類似于穹頂，而主要的構件是鋼索，由始終處于張力狀態的索段構成穹頂，利用膜材作為屋面，因此被命名為索頂頂。由于整個結構除少數幾根壓桿外都處于張力狀態，所以充分發揮了鋼索的強度，只要能避免柔性結構可能發生的結構松弛，索穹頂結構便無彈性失穩之虞，所以，這種結構重量極輕，安裝方便，可具有新穎的造型，經濟合理，被成功地應用于一些大跨度和超大跨度的結構。

4 膜結構膜結構是張力結構體系的一種。它以具有優良性能的柔軟織物為膜材，由膜內的空氣壓力支承膜面(充氣式膜結構或所承式膜結構)，或利用鋼索或風性支承結構向膜內預施加張力(張力膜結構)，從而形成具有一定剛度、能夠覆蓋大空間的結構體系。膜結構采用的薄膜的材料，大多采用涂層織物薄膜，分為兩部分，內部為基材織物，主要決定膜材的力學性質，提供材料的抗拉強度、抗撕裂強度等；外層為涂層，主要解決膜材的物理性質，提供材料的耐火、耐久性及防水、自潔性等，常用膜材一般為聚酯織物涂敷氯乙烯涂層膜材、玻璃纖維織物涂敷聚四氟乙烯涂層或有機硅樹酯涂層膜材。膜材并接的結構接縫多采用熱焊，非結構接縫采用縫合，

膜結構具有如下特點：造型活潑優美，富有時代氣息；自重輕，適合大跨度的建筑，充分利用自然光，減少能源消耗；價格相對低廉。施工速度快；結構抗震性能好。

充氣膜結構有單層、雙層、氣肋式三種形式，亢氣膜結構一般需要長期不間斷地能源供應，在低拱度大跨度建筑中的單層膜結構必須是封閉的空間，以保持一定氣壓差。在氣候惡劣的地方，空氣膜結構的維護有一定的困難，不少建筑曾遭意外的漏氣而下癟。

5 高效預應力結構體系高效預應力結構是指用高強度材料、現代設計方法和先進的施工工藝建筑起來的預應力結構，是當今技術最先進、用途最廣、最有發展前途的一種建筑結構型式之一。目前，世界上幾乎所有的高大精尖的土木建筑結構都采用了高效預應力技術，如，大型公共建筑、大跨重載工業建筑、高層建筑、大中跨度橋梁、大型特種結構、電視塔、核電站安全殼、海洋平臺等幾乎全部采用了這一技術。

與傳統預應力相結構相比，高效預應力結構具有以下一些特點：#廣泛采用高強度材料：目前國內預應力混凝土結構中常用的混凝土強度等級從c40-C80，甚至達到C100以上，預應力鋼絞線的極限抗拉強度可達1860Mpa；#按照現代設計理論設計：如抗震設計理論、延性設計理論等，通過合理確定結構預應力度和截面配筋指數，大大改善了高效預應力結構的抗震性能、正常使用性能等；#先進施工工藝的開發：近年來高噸位、大沖程千斤頂的應用和多種錨固體系的開發等，為高效預應力結構的大規模推廣應用提供了技術基礎；#適用范圍廣：高效預應力結構適用于大跨和超大跨度、重載以及使用性能高的結構，其應用范圍拓展到高層以結構轉換層、鋼結構、基礎、路面等結構領域。

近年來，高效預應力技術在我國發展迅速，已制定專門的預應力結構設計、施工規程、工程中應用的預應力結構體系也很豐富。典型工程實例有：面積最大的單體預應力工程是首都國際機場新航站樓工程，每層建筑面積約8.8萬平方米，總建筑面積約35平方米，在混凝土板、墻、框架、柱以及鋼屋架、鋼梁和鋼管網架中大量采用了預應力技術；柱網最大的預應力工程是深圳車港工程，標準層平面尺寸159x 103.5米，標準柱網16x 25米，總建筑面積9.5萬平方米；最在的預應力鋼桁架工程是北京西站主站房工程，，該預應力鋼桁架跨度45米，桁架上承40米高的中式門樓，門樓總重5400余噸；層數最多的預應力工程是廣東國際大夏主樓，總計63層；高度最高的預應力工程是青島中銀大廈，總高度241米，58層，等等。限篇幅，本文重點介紹首都國際機場新航站樓工程和北京西客站主站房工程。

首都國際機場新航站樓工程全面采用了高效預應力技術，僅無粘結預應力筋量就達4000余噸堪稱本世紀國內最大的預應力工程之一。新航站樓的基礎為整體預應力平板片筏基礎，上部結構采用了預應力框架、剪力墻體系和預應力板柱、剪力墻體系，部分屋面采用了預應力空間焊接鋼管屋架。

可以預計，隨著高性能預應力材料(高強混凝土、高強預應力筋、新型纖維塑料筋等)的推廣應用以及結構設計理論和設計的不斷發展，新型、高效應力結構體系將在我國二十一世紀大規模基本建設中發揮越來越大的作用。