大跨度空間鋼結構的結構形式淺析

常汝銅

【摘要】大跨空間鋼結構是目前發展最快的結構類型，本文通過對大跨度空間鋼結構幾種主要形式：網架結構、空間網殼、張力結構的分析和討論，通過幾個大跨度空間鋼結構的工程實例，討論大跨度空間鋼結構各種結構形式力學模型以及優缺點。

【關鍵詞】大跨度；空間網架；張力結構；膜結構

空間結構是指具有不宜分解為平面結構體系的三位形體，具有三維受力特征，在荷載作用下成空間工作的結構。其主要的結構類型有：平面網架、網殼結構和張力結構。世界各國為大跨度空間結構的發展投入了大量的研究經費。這些研究工作為各國大跨度建筑的蓬勃發展奠定了堅實的理論基礎和技術條件。

1、結構形式

1.1網架結構

由多根桿件按照一定的網格形式通過節點連結而成的空間結構，具有空間受力、重量輕、剛度大、抗震性能好等優點：可用作體育館、影劇院、展覽廳、候車廳、體育場看臺雨篷、飛機庫、雙向大柱距車間等建筑的屋蓋。缺點是匯交于節點上的桿件數量較多，制作安裝較平面結構復雜。

1.2網殼結構

網殼結構是一種與平板網架類似的空間桿系結構，系以桿件為基礎，按一定規律組成網格，按殼體結構布置的空間構架，它兼具桿系和殼體的性質。其傳力特點主要是通過殼內兩個方向的拉力、壓力或剪力逐點傳力。

網殼結構主要應對使用階段的外荷載（包括豎向和水平向）進行內力和位移計算，對單層網殼通常要進行穩定性計算，并據此進行桿件設計。此外，對地震、溫度變化、支座沉降及施工安裝荷載，應根據具體情況進行內力、位移計算。

1.2.1強度、剛度分析

網殼結構的內力和位移可按彈性階段進行計算。網殼結構根據網殼類型、節點構造，設計階段可分別選用不同的方法進行內力、位移計算：雙層網殼宜采用空間桿系有限元法進行計算；單層網殼宜采用空間梁系有限元法進行計算；對單、雙層網殼在進行方案選擇和初步設計時可采用擬殼分析法進行估算。

1.2.2穩定性分析

網殼的穩定性可按考慮幾何非線性的有限元分析方法（荷載認一位移全過程分析）進行計算，分析中可假定材料保持為線彈性。用非線性理論分析網殼穩定性時，一般采用空間桿系非線性有限元法，關鍵是臨界荷載的確定。單層網殼宜采用空間梁系有限元法進行計算。

1.2.3抗震分析

設防烈度為7度的地區，網殼結構可不進行豎向抗震計算，但必須進行水平抗震計算。在設防烈度為8度、9度地區必須進行網殼結構水平與豎向抗震計算。

1.3張力結構

在傳統結構中，結構是從幾何和材料中獲取剛度的，這種主要從幾何和材料中獲取剛度的結構就是所謂的剛性結構。而張力結構則不然，它是主要從滿足一定拓撲關系的幾何構造中通過預應力過程來獲取剛度，從而使結構具有承載能力。由此可見，張力結構要求設計，分析與施工緊密配合，這點也是和傳統剛性結構有所區別的。張力結構體系最重要的環節就是預應力過程。因此，在張力結構中，預應力過程與傳統結構中的某個或者某部分構件的預應力張拉過程有很大的區別。

1.3.1懸索結構

懸索結構按受力特點，一般可分成單層懸索體系、雙層懸索體系、索網結構、張弦梁、組合懸索結構及斜拉結構等類型。

（1）單層懸索體系：單層懸索體系根據索的布置方式分為平行布置方式、輻射布置方式和網狀布置方式。平行布置方式即單向索系結構，它由許多平行單根拉索組成，拉索之間可以設置橫向加勁構件，拉索兩端懸掛在穩定的支承結構上，也可設置專門的錨索或端部的水平結構來承受懸索的拉力。

（2）雙層懸索體系：雙層懸索結構由下凹的承重索、上凸的穩定索及它們之間的連系桿組成。每對承重索和穩定索一般位于同一豎平面內，二者之間通過受拉鋼索或受壓撐桿連系，構成索桁架，其工作機理與預應力索網有類似之處。雙層索系的布置也有平行布置、輻射式布置和網狀布置三種形式。平行布置的雙層索系多用于矩形、多邊形建筑平面，并可用于單跨、兩跨及兩跨以上。輻射及網狀布置形式適用于圓形或橢圓形建筑平面。

（3）索網結構：索網結構通常由兩組相互正交、曲率相反的鋼索直接交疊組成，形成負高斯曲率的曲面，又稱為鞍形索網。索網結構的成功與否取決于預應力作用下索系邊緣支承結構能否形成自平衡體系。索網結構效率高，經濟性能佳，極大推動了張力結構的發展和應用，并且發展和演變了很多其他結構型式，如帳篷結構和膜結構。

（4）張弦梁結構：張弦梁結構是最近幾年發展起來的大跨度鋼結構，用于屋蓋結構、樓層結構及墻體結構。張弦梁結構使壓彎構件和抗拉構件取長補短，協同工作，成為受力合理、制造運輸方便、施工簡單的自平衡體系，是具有良好的應用價值和前景的新型屋面結構。

（5）組合懸索結構：滿足建筑功能和建筑造型的需要，將兩個或兩個以上的懸索體系（索網、單層索系、雙層索系等）和強大的中間支承結構組合在一起，可形成形式各異的組合懸索結構。中央的支承結構負擔很重，因此多采用剛度大、受力合理的拱、剛架、索拱體系等結構形式，個別的也有采用由粗大的鋼纜繩組成的鋼索。適用于各種跨度的屋面結構體系和不同幾何外形的屋面形式。

（6）斜拉結構：斜拉結構是由單索體系發展而來的，可以看做是一種采用自成體系的剛性結構來處理單索的穩定問題。最初斜拉結構用于斜拉橋，在以后的發展中又出現了斜拉梁、板結構、斜拉桁架協同工作，并發展了各自結構上的優勢。

1.3.2張力集成體系

張力集成體系由一系列集成單元組成，最大的優點是張力集成。常見的空間結構如網架是由一些基本結構單元組成，這些單元由鉸接桿或剛接桿構成，但集成單元是由桿元和索元構成，是一種功能元件的組合和集成。張力集成體系的基本特點是最大限度地處于連續張力狀態，而壓桿只是極少數的桿件。目前工程中的應用主要是索穹頂結構和平板型張力集成體系（索網架）。

結語：

我國大跨度空間結構的基礎原來比較薄弱，但隨著國家經濟實力的增強和社會發展的需要，近十余年來也取得了比較迅猛的進步，期待未來卓越的發展！