空間鋼結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用發(fā)展

李 艷

(太原市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，山西太原 030009)

0 引言

進(jìn)入20世紀(jì)以來，空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展是非常迅速的，不同于平面結(jié)構(gòu)，“空間結(jié)構(gòu)”它被看作是平面結(jié)構(gòu)的深化和擴(kuò)展，具有三維結(jié)構(gòu)。

建筑采用的混凝土由于受拉性能方面的薄弱，漸漸引入鋼筋來提高它的抗拉性能。因此使得各種各樣的鋼材也被引入到建筑當(dāng)中來，空間結(jié)構(gòu)也開始使用鋼材，構(gòu)成了所謂的“空間鋼結(jié)構(gòu)”，再者鋼材品種的增多，以及強(qiáng)度的提升，使得更多的型鋼、鋼棒、鋼管以及鑄鋼制品也應(yīng)用于空間結(jié)構(gòu)中。

1 空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展

中國(guó)理論研究和工程應(yīng)用的結(jié)合和發(fā)展，使得人們認(rèn)為中國(guó)的空間結(jié)構(gòu)發(fā)展保持了一個(gè)良好的傳統(tǒng);即人們?cè)谧龉こ痰臅r(shí)候，沒有盲目的直接進(jìn)行，必須先通過理論和實(shí)驗(yàn)室的研究，認(rèn)為所做的研究在實(shí)際中可以使用時(shí)，才會(huì)應(yīng)用到工程中。其次，在工程中發(fā)現(xiàn)的新問題，同時(shí)也會(huì)通過提出新的課題，讓學(xué)者先去研究，之后應(yīng)用到工程中。

近幾年來，空間鋼結(jié)構(gòu)讓越來越多的學(xué)者(不僅是國(guó)內(nèi)更是國(guó)外)投入大量的資金和時(shí)間進(jìn)行研究，我國(guó)于1987年還專門制定發(fā)布了《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》來推動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，其次，我國(guó)學(xué)者在總結(jié)已有結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)有限元分析方法中的非線性分析進(jìn)行進(jìn)一步的研究和改進(jìn)，使其可以適用于空間構(gòu)件的研究。總之，中國(guó)空間鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展正在穩(wěn)步前進(jìn)。

2 工程應(yīng)用

近幾年來，隨著改革開放以及中國(guó)加入世貿(mào)組織，越來越多的工程是跨國(guó)工程，即中國(guó)與外國(guó)相合作的方式進(jìn)行。而且有一部分優(yōu)秀的國(guó)外設(shè)計(jì)師紛紛加入中國(guó)的隊(duì)伍，為當(dāng)代中國(guó)空間鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和研究提出了新的想法，因此現(xiàn)在有很多的建筑設(shè)計(jì)是可以代表先進(jìn)水平的，處于世界前沿的，中國(guó)各種體育賽事的進(jìn)行以及博覽會(huì)的順利開辦，有很多是采用了空間鋼結(jié)構(gòu)的。

2.1 結(jié)構(gòu)形體的創(chuàng)新

建筑設(shè)計(jì)中首先要解決的問題是建筑物的外在形體，在近幾年的發(fā)展中，人們慢慢對(duì)建筑物形體的概念從傳統(tǒng)的幾何形狀轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰?guī)則的形狀，廣州主體育館(見圖1)，它的屋蓋形狀不再是平面或者是圓形，是以將圓錐左右對(duì)稱的兩側(cè)各切去同比例的部分搭建而成的。中央屋脊為縱向空間桁架(跨度為160 m)，輻射平面桁架設(shè)置在徑向沿圓錐的母線上，下端支撐在箱形鋼環(huán)梁上，其中最長(zhǎng)的跨度為55 m，還有很多跨度長(zhǎng)度不一，上端連接于縱向空間桁架。環(huán)向主檁條在徑向析架上弦每隔10 m設(shè)置一條。同時(shí)在不同部位還設(shè)置了徑向和環(huán)向垂直交叉索與水平交叉索，其目的是為了保證屋蓋的整體穩(wěn)定。

2008 年的北京奧運(yùn)會(huì)主場(chǎng)館(見圖2)，人們稱之為“鳥巢”，該建筑物的外觀形式比較新穎，而且在空間效果上也極具匠心，其外形為橢圓形，長(zhǎng)軸長(zhǎng)340 m，短軸為292 m，構(gòu)成建筑的各個(gè)構(gòu)件相互支持來承受外力荷載，從外面看就像樹枝編織而成的“鳥巢”。其中更加奇特的是:一個(gè)很大的開口空間(140 mm×70 mm)位于結(jié)構(gòu)的中心部位，這部分的屋蓋可人為的開啟或者是關(guān)閉。空間內(nèi)環(huán)旋轉(zhuǎn)而成的結(jié)構(gòu)是北京奧運(yùn)會(huì)主場(chǎng)館的主要承重結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是一種三維承重體系，便于承載力的傳遞，在鳥巢這種結(jié)構(gòu)中，具體表現(xiàn)為:結(jié)構(gòu)屋蓋的開啟所需要的集中荷載可以均勻的傳到周邊，以使力可以分散開來。

圖1 廣州主體育館

圖2 國(guó)家體育場(chǎng)

在“鳥巢”的附近就是國(guó)家的游泳中心——水立方，它的大小為195 mm×195 mm×35 mm，可容納1.7萬(wàn)人，其外形也受到各國(guó)人民的關(guān)注，異形網(wǎng)架構(gòu)成了它的屋面結(jié)構(gòu)。游泳館的外圍機(jī)構(gòu)全部是由“水泡”形成。透明的ETFE充氣膜均勻的鋪設(shè)在網(wǎng)架的內(nèi)外，使得建筑物晶瑩透亮，因此被命名為“水立方”。

中國(guó)標(biāo)志性的建筑現(xiàn)在又多了兩個(gè)，“鳥巢”和“水立方”，但是卻帶來了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工的困難，比如“水立方”異形網(wǎng)格，其中的桿件和節(jié)點(diǎn)都得重新設(shè)計(jì)，還有就是設(shè)計(jì)師為了使建筑物像“鳥巢”，非主要構(gòu)件將屋面劃分成大量的不規(guī)則的網(wǎng)格，以上的問題都會(huì)增加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的困難以及造價(jià)。

2.2 預(yù)張力的合理運(yùn)用

空間鋼結(jié)構(gòu)中，預(yù)張力有非常廣泛的應(yīng)用。預(yù)應(yīng)力是采用張拉設(shè)備預(yù)先張拉的方式加上去的，張拉后用錨具在量的兩端錨死，然后用砂漿灌注使其與梁成為一個(gè)整體。用來區(qū)別原本不利于受拉的混凝土上施加的預(yù)應(yīng)力。在空間鋼結(jié)構(gòu)中，改善結(jié)構(gòu)性能的其中一種方法就是施加預(yù)張力，而且不會(huì)因?yàn)槭┘宇A(yù)張應(yīng)力以后而改變它的物理特性。

對(duì)空間鋼結(jié)構(gòu)施加預(yù)張力，有兩種不同的施加方式:

1)在建筑物的體外施加。桅桿或塔柱上懸吊斜拉索是它的主要研究對(duì)象，它們與下部結(jié)構(gòu)相連，這樣可以使跨度變低，提高支點(diǎn)。關(guān)于對(duì)拉索施加預(yù)張力，其目的之一可以使拉索的松弛現(xiàn)象不明顯甚至不出現(xiàn)，同時(shí)有助于部分抵消外荷載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和撓度，體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)中就是使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了反拱。世界著名的英國(guó)千年穹頂(見圖3)，它的屋頂是圓形的，直徑為320 m，從外面可以看到屋頂上面有12根桅桿(高100 m)，這些桅桿都是穿出屋面的，四圈索桁架和膜屋面被斜拉吊索支撐著。經(jīng)過研究，平面和立體桁架，網(wǎng)殼以及網(wǎng)架，體育場(chǎng)的挑篷也可以使用這種結(jié)構(gòu)。2)在建筑物的體內(nèi)施加。網(wǎng)架和網(wǎng)殼主要采用這種方式來承受力。受力桿件為下懸設(shè)置拉索來承受，然后施加預(yù)張力于拉索，可以顯著減少結(jié)構(gòu)的撓度以及增加結(jié)構(gòu)剛度，可以解決一般性的水平推力問題。中國(guó)的這種結(jié)構(gòu)比較多，如江蘇宿遷市文體館，一個(gè)橢圓形的結(jié)構(gòu)，大小為80 m×62.5 m，采用雙曲拋物面網(wǎng)殼形的屋蓋結(jié)構(gòu)。短向拱形下弦的圓鋼管內(nèi)設(shè)置了鋼絞線拉索。這些拉索通過張拉，一方面可以減小支座的水平位移，另一方面可以有效地改變網(wǎng)殼桿件的內(nèi)力分布。

圖3 英國(guó)千年穹頂

2.3 結(jié)合膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

膜結(jié)構(gòu)可以看作是空間結(jié)構(gòu)發(fā)展史上最新一代的代表。膜結(jié)構(gòu)材料是性能優(yōu)良的織物，或?qū)獬淙肽ぶ校っ嬗煽諝鈮毫χ危蚴菍⒛っ婵嚲o，利用柔性鋼索或剛性支撐結(jié)構(gòu)，從而形成能夠覆蓋大跨度空間而且具有一定剛度的結(jié)構(gòu)體系。20世紀(jì)70年代以來，全球范圍內(nèi)開始流行膜結(jié)構(gòu)，同時(shí)將它應(yīng)用于各種各樣的建筑物中，而且中國(guó)也開始關(guān)注膜結(jié)構(gòu)，并且取得了一定的成績(jī)。膜結(jié)構(gòu)并不屬于任何以前的學(xué)科，它是新產(chǎn)生的一門獨(dú)立學(xué)科，但是在實(shí)際工程應(yīng)用當(dāng)中，它單獨(dú)使用的可能性不是很大，一般會(huì)和鋼結(jié)構(gòu)一起被應(yīng)用在工程中。一個(gè)重要的原因是膜結(jié)構(gòu)的跨度大，要想使膜材料受力必須使它附著于剛性支撐結(jié)構(gòu)和柔性鋼索。因此，雖說膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展還不是很成熟，但是它一出現(xiàn)就被列入鋼結(jié)構(gòu)，最后，人們慢慢開始認(rèn)為膜結(jié)構(gòu)屬于鋼結(jié)構(gòu)范圍是不太科學(xué)的。由于膜結(jié)構(gòu)和鋼材的優(yōu)點(diǎn)，使得這一種新型的材料成為了當(dāng)前發(fā)展新的方向，將膜材鋪設(shè)在網(wǎng)架或網(wǎng)殼之類的空間構(gòu)架上是比較簡(jiǎn)單的方法，前者僅起圍護(hù)作用，后者是承重的骨架，通常稱之為骨架支承式膜結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的突飛猛進(jìn)使得空間鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展更加的重要，而且也為鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了機(jī)會(huì)，同時(shí)也帶來了挑戰(zhàn)。近幾年來，中國(guó)各種盛會(huì)的舉辦，更為空間鋼結(jié)構(gòu)提供了條件，使得中國(guó)擁有更多的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，而且要求的形式也是多種多樣的，外在形式更加的推崇獨(dú)創(chuàng)性和適用性，同時(shí)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高條件的要求。

現(xiàn)今從空間鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展來看，在之后幾年的發(fā)展要求空間鋼結(jié)構(gòu)的跨度越來越大，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的尺寸也在逐漸增大，更加需要技術(shù)上的支持。同時(shí)對(duì)于建筑形式的需求也希望是多變的，促使結(jié)構(gòu)工程師在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要做到結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新。總體來說，空間鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展還是很樂觀的，在今后的一段時(shí)間里還有更多的發(fā)展空間，同時(shí)需要更多的人參與。

［1］嚴(yán) 慧.我國(guó)大跨空間鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用發(fā)展的主要特點(diǎn)［J］.鋼結(jié)構(gòu)與建筑業(yè)，2002，2(4):25-29.

［2］藍(lán) 天，劉 楓.中國(guó)空間結(jié)構(gòu)的二十年［A］.第十屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集［C］.北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社，2002:1-12.

［3］沈世釗.中國(guó)空間結(jié)構(gòu)理論研究20年進(jìn)展［A］.第十屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集［C］.北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社，2002:38-52.

［4］藍(lán) 天.空間鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與發(fā)展［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2001，22(4):36.

［5］藍(lán) 天.空間鋼結(jié)構(gòu)研究與應(yīng)用的進(jìn)展［J］.建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2004，6(1):21-23.