我國空間鋼結構發(fā)展與應用

吳紀達 王廣振 王彥偉 何緒家（1山東科技大學土木工程與建筑學院，山東 青島 266590）(2山東科技大學 山東省土木工程防災減災重點實驗室，山東 青島 266590）

我國空間鋼結構發(fā)展與應用

吳紀達 王廣振 王彥偉 何緒家
（1山東科技大學土木工程與建筑學院，山東 青島 266590）
(2山東科技大學 山東省土木工程防災減災重點實驗室，山東 青島 266590）

本文簡要闡述了近年來空間鋼結構的發(fā)展現(xiàn)狀和應用方面的進展情況。空間鋼結構分為空間網(wǎng)格結構與張拉結構兩大類，文中分別就網(wǎng)架結構、網(wǎng)殼結構、張拉結構各自的發(fā)展特點予以論述，介紹了一些有代表性的工程實例，最后討論了空間鋼結構的發(fā)展動向，并對未來空間鋼結構的發(fā)展與應用進行了展望。

空間鋼結構；網(wǎng)架結構；網(wǎng)殼結構；張拉結構；發(fā)展與應用

一、概述

空間結構可以看作平面結構的深化和擴展，空間結構在十九世紀迅速發(fā)展。從早期的混凝土薄殼到近期的膜結構,空間結構都以受力性能好、形式美觀和施工方便而受到人們的歡迎，應用在大跨度、大空間的體育場館、會展中心、文化設施、交通樞紐乃至工業(yè)廠房等建設中。

空間鋼結構是一種仿生結構,具有自重輕、復雜性、多樣性、空間大、經(jīng)濟性和藝術性等優(yōu)點，這些優(yōu)點使空間鋼結構有了更高的應用價值和美好的發(fā)展前景，空間鋼結構展示著輕盈優(yōu)美的造型，為人類工作和體育文化生活創(chuàng)造了舒適的環(huán)境。鋼產(chǎn)量的提高、政府部門的引導支持、設計方案水平的提高、設計軟件的開發(fā)、制作和安裝水平的提高、加工和試驗設備的改進、文化和體育事業(yè)的發(fā)展等都促進了空間鋼結構發(fā)展。

空間鋼結構通常包括空間網(wǎng)格結構和張拉結構兩大類，網(wǎng)格結構包括網(wǎng)架與網(wǎng)殼結構，網(wǎng)格結構是當前我國大、中跨建筑中用的最為廣泛的一類空間結構，具有受力合理、計算簡便、剛度大、材料省、桿件單一、制作安裝方便等優(yōu)點。張拉結構包括懸索與膜結構，它們共同的特點是構件只能受拉。

二、網(wǎng)架結構

網(wǎng)架結構是平板網(wǎng)架的簡稱。網(wǎng)架結構經(jīng)過近半世紀的研究、開發(fā)與應用，已成為建筑物屋蓋中最普遍的一種結構形式。網(wǎng)架是由桿件按一定規(guī)律組成的結構，大多數(shù)為高次超靜定結構。

網(wǎng)架結構的形式主要包括：平面桁架系組成的網(wǎng)架結構、四角錐體組成的網(wǎng)架結構、三角錐體組成的網(wǎng)架結構、六角錐體組成的網(wǎng)架結構。網(wǎng)架具有多向傳力的性能，主要技術特點是重量輕、剛度大、抗震性能好；施工安裝簡便；網(wǎng)架桿件和節(jié)點便于定型化、商品化,可在工廠中成批生產(chǎn)，有利于提高生產(chǎn)效率；網(wǎng)架的平面布置靈活，屋蓋平整，有利于吊頂、安裝管道和安裝設備；網(wǎng)架的建筑造型輕巧、美觀、大方，便于建筑處理和裝飾。

隨著大規(guī)模工業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)廠房的形式也發(fā)生了劇烈的變化，以滿足不同生產(chǎn)工藝與使用要求。網(wǎng)架結構以大柱網(wǎng)、大跨度的特點，有效地取代了過去常用的鋼筋混凝土薄腹梁或拱形屋架的形式，使屋蓋自重大大減輕。

三、網(wǎng)殼結構

當網(wǎng)格為平板型時為網(wǎng)架結構，當網(wǎng)格為曲面形狀并具有殼體的結構特性時即為網(wǎng)殼結構，并分為單層和雙層兩大類。網(wǎng)殼結構的主要結構形式有：球面網(wǎng)殼、雙曲面網(wǎng)殼、圓柱面網(wǎng)殼、雙曲拋物面網(wǎng)殼。

網(wǎng)殼結構兼有桿系結構和薄殼結構的主要特性，在網(wǎng)殼結構中，各桿件協(xié)同作用，在荷載作用下各桿件發(fā)揮各自的作用，內(nèi)力分布均勻，應力峰值較小，這點與網(wǎng)架結構的上下弦工作的原理有所不同。網(wǎng)殼結構是典型的空間結構，結構的剛度大、跨越能力大，合理的曲面可以使結構力流均勻，其結構變形小，穩(wěn)定性高，節(jié)省材料。小型構件和連接節(jié)點都可以預制，通過小型構件組裝成空間；網(wǎng)殼結構安裝較為簡便，綜合經(jīng)濟指標好，造型豐富多彩。

網(wǎng)殼結構應用范圍廣，既可以用于中、小跨度的民用和工業(yè)建筑，也可用于大跨度的各種建筑，特別是超大跨度的建筑。網(wǎng)殼結構的主要特點是外形變化多，桿件可以組成任意形狀的曲面，并能充分滿足建筑外形及功能方面的要求。在建筑平面上可以適應多種形狀，如圓形、矩形、多邊形、扇形以及各種不規(guī)則的平面。在建筑外形上可以形成多種曲面。

網(wǎng)格結構的優(yōu)美建筑造型，設計師可以對建筑平面和外形進行充分的自由創(chuàng)作。對于薄殼結構與網(wǎng)格結構所不能實現(xiàn)的形態(tài)，網(wǎng)殼結構幾乎都可以實現(xiàn)。在形態(tài)方面，既能表現(xiàn)靜態(tài)美，又能通過平面和立面的切割以及網(wǎng)格、支撐與桿件的變化表現(xiàn)動態(tài)美。另外，網(wǎng)殼結構呈曲面形狀，自然地形成了排水功能。

四、張拉結構

張拉結構包括懸索與膜結構，它們共同的特點是構件只能受拉。

懸索結構是由懸掛在邊緣構件或支撐結構上的一系列高強度鋼索所組成的一種張拉結構。隨著支撐結構與鋼索布置規(guī)律的不同，可以構成多種結構體系的懸索結構，以適應各種平面形狀和外形輪廓的要求鋼索只能承受沿截面均勻分布的拉力，因此一般懸索屋蓋的抗彎剛度很小，要依靠調整幾何外形，對鋼索施加預應力等措施來增強其承載力。懸索結構的受力特點是僅通過索的軸向拉伸來抵抗外荷載的作用，結構中不出現(xiàn)彎矩和剪力效應，可充分利用鋼材的強度，結構受力合理；懸索結構形式多樣，適應性強，布置靈活，造型美觀；由于鋼索的自重很小，施工便捷，施工設施簡單。但是，懸索結構的穩(wěn)定性較差，是一種可變體系，其平衡形式隨荷載分布方式而變化。

膜結構是用高強度柔性薄膜材料形成既承重又圍護的曲線形空間結構。其依靠膜自身的張拉應力與支撐桿和拉索共同構成機構體系。同懸索結構類似，膜結構依靠具有曲率的外形與施加預應力來承重。膜結構是由多種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，將膜結構和鋼結構緊密的聯(lián)系在一起，形成能承受一定的外荷載作用的一種空間結構形式，這種結構節(jié)能、自重輕、、柔性好、跨度大，建筑造型自由豐富，制作安裝簡便，具有良好的經(jīng)濟性和較高的安全性。

五、空間鋼結構的展望

中國突飛猛進的經(jīng)濟建設為空間鋼結構的發(fā)展提供了優(yōu)越的條件。常用于體育館、會展中心、車站、機場、倉庫等建筑，隨著建筑科學的發(fā)展，人們越來越需要大量具有新穎功能、形式多樣的建筑，這也需要結構設計和研究更高的要求。

從空間鋼結構的發(fā)展趨勢來看,跨度將越來越大，建筑形式也會更富于變化，這就要求大力開展形體設計的研究，加大形式的創(chuàng)新。

鋼材仍將是主要的材料，它的強度和性能將得到進一步提高,尤其是防火和抗腐蝕的性能。通過不斷的試驗研究，生產(chǎn)出強度更高、耐久性和自潔性更好的膜材，并解決廢材的回收與循環(huán)利用問題。

鋼結構設計應正確合理地運用不同的計算理論和設計方法，通過精確的分析，得出較高的性能和新穎的結構形式，充分發(fā)揮材料特性、減小自重、減少施工難度、增大跨度是空間鋼結構設計必須考慮的指標，從而不斷推動空間鋼結構的發(fā)展和應用。

[1]劉錫良.現(xiàn)代空間結構[M].天津:天津大學出版社,2003.

[2]沈世釗.懸索結構設計[M].第2版.北京:建筑工業(yè)出版社,2006.

[3]張毅剛.大跨空間結構[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.

[4]藍天.從現(xiàn)代空間結構的成就看中國的發(fā)展前景,現(xiàn)代土木工程的新發(fā)展[M].江蘇南京,東南大學出版社,1998.

[5]藍天.21世紀的大跨度空間結構[A].中國土木工程學會第八屆年會論文集[C].北京：清華大學版社，1998.

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