建筑工程新結(jié)構(gòu)體系探究

孫義 熊衛(wèi)

摘 ?要：現(xiàn)階段，隨著社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也有了很大的進(jìn)步。建筑行業(yè)的不斷發(fā)展以及建筑技術(shù)的逐步提高，進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，人們對(duì)建筑結(jié)構(gòu)、建筑設(shè)計(jì)以及建筑質(zhì)量的要求越來(lái)越高，從而提出了一系列新的結(jié)構(gòu)體系。本文結(jié)合當(dāng)代建筑工程的實(shí)際發(fā)展情況，介紹了目前建筑工程應(yīng)用最多的幾種新型結(jié)構(gòu)體系。

關(guān)鍵詞：建筑工程;新結(jié)構(gòu)體系;探究

引言

近年來(lái)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，使人們對(duì)建筑的要求也隨之提高，當(dāng)前建筑物多以混凝土材料為主，這就導(dǎo)致裂縫問(wèn)題無(wú)法避免，從而影響到建筑物結(jié)構(gòu)的承載力，一旦裂縫過(guò)大還會(huì)導(dǎo)致鋼筋生銹，降低結(jié)構(gòu)的耐久性，導(dǎo)致房屋滲漏問(wèn)題發(fā)生，并影響建筑物的美觀性。因此針對(duì)于這類(lèi)建筑物需要采取相應(yīng)的加固措施，以此來(lái)確保其質(zhì)量和安全。

1鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)

20世紀(jì)80年代，我國(guó)引進(jìn)芝加哥的鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)，并將其普遍應(yīng)用于高層建筑當(dāng)中。我國(guó)建設(shè)部和冶金工業(yè)局非常重視鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)的綜合使用效益，從20世紀(jì)末到21世紀(jì)初便一直將其列為重點(diǎn)結(jié)構(gòu)綜合使用，尤其在高層辦公大樓、高層住宅建筑、高校建筑以及醫(yī)院建筑等方面應(yīng)用的最為普遍。如今，鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)形式依然遵循最初的建設(shè)及應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，較多應(yīng)用于我國(guó)高層建筑領(lǐng)域當(dāng)中，已經(jīng)成為了當(dāng)前超高層建筑的主要結(jié)構(gòu)材料。據(jù)相關(guān)部門(mén)調(diào)查分析可知：我國(guó)高層建筑采用鋼―混凝土混合結(jié)構(gòu)可以大大提高建筑材料的綜合利用比率，相比全鋼結(jié)構(gòu)的使用周期和施工速度，鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)化了許多，是目前高層建筑建設(shè)中最為有效的工程結(jié)構(gòu)形式。鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)主要由三大部分組合而成，分別是：鋼構(gòu)件、鋼、混凝土組合構(gòu)件，由于各部件各具特點(diǎn)和建筑優(yōu)勢(shì)，因此它們可以組成各種不同的混合結(jié)構(gòu)形式。具體而言，鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)各自具有建筑優(yōu)勢(shì)，鋼結(jié)構(gòu)重量輕、強(qiáng)度好、建筑施工較為簡(jiǎn)便，混凝土結(jié)構(gòu)的剛度大、材料消耗少且防火性能較好，兩種建筑材料各具優(yōu)勢(shì)，將兩者有效結(jié)合才能為我國(guó)高層建筑建設(shè)開(kāi)辟一條全新的發(fā)展道路。簡(jiǎn)言之，與其他材料結(jié)構(gòu)相比，鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是整體性能較好，可以灌筑成為一個(gè)有效的整體;可塑造性強(qiáng)，可以灌筑成為各種尺寸和形狀的結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和防火性能較好，工程造價(jià)和維護(hù)費(fèi)用都相對(duì)較低。然而，在具體建設(shè)過(guò)程中，也需要注意混合結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)和不足之處，鋼構(gòu)件、鋼與混凝土組合構(gòu)件之間的協(xié)作性能還需進(jìn)一步加強(qiáng)和提高，相應(yīng)的控制指標(biāo)還需進(jìn)一步改善和優(yōu)化;由于在室外施工，受天氣、氣候和季節(jié)的影響較大;新舊混凝土融合度較差，加大了后期的修復(fù)難度。

2索張拉結(jié)構(gòu)

20世紀(jì)40年代末期，美國(guó)著名建筑師Fuller利用“拉壓共存”原理首次提出了索張拉整體體系，強(qiáng)調(diào)不連續(xù)的受壓構(gòu)件與連續(xù)的受拉構(gòu)件相互聯(lián)系，是一種高效率的鋼壓桿與預(yù)應(yīng)力鋼索整合結(jié)構(gòu)體系。該結(jié)構(gòu)體系可以通過(guò)減少受壓狀態(tài)而使結(jié)構(gòu)處于連續(xù)的張拉狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)拉桿與壓桿相互聯(lián)系的最佳效應(yīng)。分析建筑物結(jié)構(gòu)的基本受力情況可知，結(jié)構(gòu)的基本受力構(gòu)件由受壓構(gòu)件、受彎構(gòu)件以及受拉構(gòu)件三個(gè)部分組成。具體而言，受壓構(gòu)件需要良好的整體配比，當(dāng)受壓構(gòu)件整體過(guò)長(zhǎng)或者是整體過(guò)細(xì)都不利于有效發(fā)揮構(gòu)件的穩(wěn)定性，構(gòu)件失衡便無(wú)法發(fā)揮自身的使用效益;受彎構(gòu)件的截面應(yīng)力不均勻，往往會(huì)使得構(gòu)件無(wú)法發(fā)揮最大效用;相比而言，只有受拉構(gòu)件的截面應(yīng)力相對(duì)均勻，不會(huì)發(fā)生整體失衡的狀態(tài)。因此，在建筑工程中最大限度地發(fā)揮受拉構(gòu)件的綜合作用，不僅可以提高構(gòu)件的承載力和受壓能力，充分發(fā)揮各種建筑材料的自身強(qiáng)度，還能切實(shí)提高構(gòu)件的使用效率和經(jīng)濟(jì)效能。下面將通過(guò)一個(gè)典型的索張拉結(jié)構(gòu)建筑實(shí)例———上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)，展示該結(jié)構(gòu)的整體特點(diǎn)。20世紀(jì)末上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)正式建成，主要建筑航站樓由主樓和候機(jī)長(zhǎng)廊兩大部分組成，由兩條信道連接，三層結(jié)構(gòu)建成，總面積高達(dá)28萬(wàn)平方米。該工程主要由主樓、高架進(jìn)廳、登機(jī)長(zhǎng)廊三大部分組成，主樓和高架進(jìn)廳為連接3跨，跨度由東向西約為50m和40m，縱向長(zhǎng)度約為410m。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)，航站樓的屋蓋斜挑鋼結(jié)構(gòu)為國(guó)內(nèi)外罕見(jiàn)的結(jié)構(gòu)體系，主要采用了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)兩大結(jié)構(gòu)體系，標(biāo)高12米以下的部分主要采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系，12米以上的大空間覆蓋面積主要采用鋼結(jié)構(gòu)體系，兩種結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)搭配，不但保證了航站樓的穩(wěn)定性，也保證了其較高的經(jīng)濟(jì)效益和使用效率。上海浦東機(jī)場(chǎng)的登機(jī)長(zhǎng)廊跨度約為50m，縱向長(zhǎng)度約為1400m，鋼屋架通過(guò)托架梁支撐在兩側(cè)不同的傾斜鋼柱上，張弦梁的上下弦均為圓弧形結(jié)構(gòu)，其中，下弦為高強(qiáng)鋼索的梭子型鋼屋架結(jié)構(gòu)體系，高端通過(guò)托架梁支撐在傾斜的鋼柱上，低端通過(guò)硂框架支撐在大梁上，通過(guò)縱向穩(wěn)定以及橫向堅(jiān)固措施加強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)建設(shè)，以此確保該工程成為了索張拉結(jié)構(gòu)的經(jīng)典之作。

3索穹頂結(jié)構(gòu)

索穹頂結(jié)構(gòu)來(lái)源于美國(guó)著名設(shè)計(jì)師Fuller的“張拉結(jié)構(gòu)”思想，經(jīng)過(guò)美國(guó)工程師Geiger和Levy的相繼改造，索穹頂結(jié)構(gòu)在不斷發(fā)展中愈加完善，在美國(guó)、韓國(guó)等國(guó)家的體育館建設(shè)中得到了具體的實(shí)踐應(yīng)用。20世紀(jì)80年代，我國(guó)從國(guó)外引進(jìn)索穹頂結(jié)構(gòu)，自從索穹頂結(jié)構(gòu)引入中國(guó)，便以合理的受力、經(jīng)濟(jì)的造價(jià)和簡(jiǎn)便的施工等顯著優(yōu)點(diǎn)贏得了廣大工程師的厚愛(ài)，發(fā)展至今，國(guó)內(nèi)已經(jīng)建成了三個(gè)索穹頂標(biāo)志性工程，索穹頂結(jié)構(gòu)無(wú)疑成為了近年來(lái)炙手可熱的建筑工程研究熱點(diǎn)之一。具體而言，索穹頂結(jié)構(gòu)是效率極高的張力集成體系，主要的構(gòu)件是鋼索，因其利用膜材作為屋面，始終處于張力狀態(tài)的索段構(gòu)成穹頂而得名為索穹頂。索穹頂建筑結(jié)構(gòu)體系將鋼索的強(qiáng)度特性發(fā)揮的淋漓盡致，不但有效避免了柔性結(jié)構(gòu)的松弛狀況，而且整體材料較為輕薄，便于正常建設(shè)與施工，堪稱(chēng)建筑界的“經(jīng)濟(jì)造價(jià)之王”，普遍適用于跨度較大的結(jié)構(gòu)之中。值得一提的是，索穹頂結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力鋼索壓桿少而短，極大提高了建筑鋼材的拉力和預(yù)應(yīng)力。然而，索穹頂結(jié)構(gòu)普遍存在索網(wǎng)平面外剛度不足、容易失穩(wěn)等固有缺點(diǎn)，在建筑過(guò)程中，需要提出進(jìn)一步的完善舉措。下面將通過(guò)一個(gè)典型的索穹頂結(jié)構(gòu)建筑實(shí)例———天津理工大學(xué)體育館，展示該結(jié)構(gòu)的別樣之處。天津理工大學(xué)體育館是第13屆全國(guó)運(yùn)動(dòng)會(huì)的競(jìng)賽場(chǎng)館之一，是國(guó)內(nèi)第一個(gè)跨度超過(guò)100米的長(zhǎng)短軸馬鞍形索穹頂結(jié)構(gòu)，也是目前天津市在施場(chǎng)館中難度最大的一項(xiàng)工程。天津理工大學(xué)體育館是一座綜合性很高的體育場(chǎng)館，該項(xiàng)目用地面積43045m2，項(xiàng)目總建筑面積17100m2，主要由中心場(chǎng)地、訓(xùn)練館及配套用房組成。該場(chǎng)館采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，外墻采用蒸壓加氣混凝土砌塊，屋面采用鋁鎂錳合金板防水屋面、雙層膜結(jié)構(gòu)及花崗石屋面，建筑物的使用年限以及安全系數(shù)都達(dá)到了同類(lèi)建筑物之首。該場(chǎng)館不僅造型獨(dú)特，還兼顧了采光、牢固、實(shí)用等多重功效，體育館的屋蓋采用了膜結(jié)構(gòu)和金屬結(jié)構(gòu)相結(jié)合的建造方式，采用質(zhì)量極佳的上好材料膜，實(shí)現(xiàn)了大跨度建筑材料的完美應(yīng)用，充分保證了場(chǎng)館白天的采光性能。然而，由于屋蓋罩面采用的是異形結(jié)構(gòu)，兩個(gè)坡坡面能夠在一點(diǎn)實(shí)現(xiàn)交匯，在交角處實(shí)現(xiàn)平滑過(guò)渡，才能保證索穹頂結(jié)構(gòu)的良好使用功效，這一建設(shè)特點(diǎn)也加大了施工難度。

結(jié)語(yǔ)

隨著高性能預(yù)應(yīng)力材料的進(jìn)一步發(fā)展以及先進(jìn)建筑理論的合理應(yīng)用，新型、實(shí)用、高效的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系將會(huì)在我國(guó)建筑行業(yè)發(fā)揮越來(lái)越重要的建設(shè)作用，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)高性能預(yù)應(yīng)力建筑結(jié)構(gòu)體系的綜合應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)建筑工程的快速發(fā)展和進(jìn)步。

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