淺談總裝分析對大跨空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性

賈照遠(yuǎn)

摘 要：在傳統(tǒng)方法中，應(yīng)用于大跨空間結(jié)構(gòu)以及上下部結(jié)構(gòu)當(dāng)中的單體設(shè)計(jì)方法，有著很大的安全隱患問題。上部結(jié)構(gòu)剛度對整體結(jié)構(gòu)的作用在傳統(tǒng)方法中并不能得到很好的體現(xiàn)，而且對下部結(jié)構(gòu)有限剛度的效應(yīng)進(jìn)行了不實(shí)際的擴(kuò)大；這種情況下，很多專家分析了在總裝分析整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)傳統(tǒng)計(jì)算方法中可能出現(xiàn)的問題。分析結(jié)果顯示，整體結(jié)構(gòu)總裝分析的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法都能夠讓大跨空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有更加良好的效果。

關(guān)鍵詞：總裝分析；大跨空間；大跨空間結(jié)構(gòu)；空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號：TU393.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-3362（2013）09-0016-02

引言

類似會展中心、劇院還有體育館等大跨度的空間結(jié)構(gòu)，一般都會利用下層的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來支撐上層的大跨空間鋼結(jié)構(gòu)，下層對上層部分有支撐又有效應(yīng)放大作用，而上層能對下層有剛度約束作用，使得整體是一個密不可分的整體。本文著重提出總裝分析設(shè)計(jì)理念，介紹了大跨空間結(jié)構(gòu)的概念、歷史發(fā)展，利用總裝的傳統(tǒng)分析方法，即上下單元結(jié)構(gòu)獨(dú)立分析，將上下層結(jié)構(gòu)作為一個整體進(jìn)行分析。

1 大跨空間結(jié)構(gòu)的概念判斷

大跨空間結(jié)構(gòu)的類型一共有以下幾個：網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)、索膜結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)。在20世紀(jì)60年代時，我國的鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)才剛剛開始有了一定程度的發(fā)展，但是因?yàn)榫窒扌?，并沒有得到推廣應(yīng)用，所以，對其進(jìn)行連續(xù)性倒塌的深入研究，沒有太大意義。

空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)不止有平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，還有網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)和一些特殊形式的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，這種類型的結(jié)構(gòu)通常都是由標(biāo)準(zhǔn)化尺寸、形狀的桿件與節(jié)點(diǎn)體系按照某種規(guī)律進(jìn)行相互連接從而構(gòu)成空間網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。因?yàn)樵谶@樣的結(jié)構(gòu)當(dāng)中，很多桿件交集在一個節(jié)點(diǎn)上，形成高次超靜定結(jié)構(gòu)，所以在某種意義上來說，這種網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的冗余度較高，而且還有一定程度的魯棒性，當(dāng)中很多重要構(gòu)件的初選范圍可集中在容易發(fā)生屈曲失穩(wěn)的受壓桿件和多根重要桿件匯聚處的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上，當(dāng)這種類型的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)直接在柱子上進(jìn)行支撐的時候，完整的支承柱是空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)倒塌設(shè)計(jì)當(dāng)中非常重要的一個環(huán)節(jié)。

2 大跨空間結(jié)構(gòu)的歷史發(fā)展

最近30a，美國、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國家當(dāng)中的各種大跨空間結(jié)構(gòu)都有了很大程度的發(fā)展。隨著越來越多的新建筑采用大跨度空間結(jié)構(gòu)，眾多的新型材料與新興技術(shù)都得到了非常廣泛的應(yīng)用，同樣，這些應(yīng)用也促進(jìn)了更多空間結(jié)構(gòu)形式的出現(xiàn)。從當(dāng)今建筑行業(yè)發(fā)展趨勢及前景來看，大跨度與超大跨度建筑物以及其代表的核心的空間結(jié)構(gòu)技術(shù)地位非凡，已成為評價(jià)一個國家建筑科技發(fā)展水平的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)，成為踏入世界先進(jìn)水平行列的敲門磚。

眾所周知的一些著名建筑就是大跨度建筑，例如，上海世博會、上海八運(yùn)會（1997）等，都是我國建筑科技進(jìn)步的一種直觀表現(xiàn)與強(qiáng)力象征，在國際上造成了很大的影響力。在20世紀(jì)80年代后，我國的各類型大跨空間結(jié)構(gòu)經(jīng)過發(fā)展，已經(jīng)開始進(jìn)入?yún)f(xié)調(diào)階段，相應(yīng)工程呈現(xiàn)穩(wěn)定增長的趨勢，多樣化的結(jié)構(gòu)形式能滿足更多需求，配套理論逐漸完善，未來發(fā)展前景非常廣闊。

形式豐富多彩是許多大跨度空間結(jié)構(gòu)的一個顯著特點(diǎn)，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)形體與作為重要指標(biāo)的受力性能存在著密切的內(nèi)在關(guān)系。所以，理論上認(rèn)為，結(jié)構(gòu)形式的創(chuàng)新進(jìn)步，預(yù)示著大跨空間結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)展。

3 大跨空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新

在20世紀(jì)80年代以前，我國建筑業(yè)發(fā)展較小，懸索結(jié)構(gòu)在建筑業(yè)方面應(yīng)用狹窄，工程師大多比較陌生。1983年設(shè)計(jì)吉林滑冰館時考慮過采用懸索結(jié)構(gòu)，但實(shí)際操作過程中出現(xiàn)了難以解決的問題：柔性的懸索在自然狀態(tài)下不但剛度不夠，而且形狀不好確定，因此只有通過下檔的手段賦予懸索結(jié)構(gòu)一定的形狀和剛度才能達(dá)到建筑物所需要的理想效果。讓懸索體系形狀穩(wěn)定的方式之一是利用兩組相反曲率的索（“承重索”和“張緊索”）相互之間拉緊來組成的預(yù)應(yīng)力雙層索系。吉林滑冰館用的是新型的空間雙層索系方案；它的“承重索”與“張緊索”不在同一個豎直平面內(nèi)，而是相互錯開半個柱距，二者之間通過桁架式檁條和波形拉桿相互聯(lián)系，由此構(gòu)成了全新的建筑造型，還可以非常巧妙的解決了矩形平面懸索屋蓋通常遇到的屋面排水問題。1986年這個全新的結(jié)構(gòu)正式建成，1987年，還被推薦參加在美國舉行的“國際先進(jìn)結(jié)構(gòu)展覽”。

4 大跨空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)傳統(tǒng)計(jì)算方法弊病

傳統(tǒng)計(jì)算方法面對設(shè)計(jì)問題的時候，雖然都可以進(jìn)行計(jì)算，但是也有著很多的安全問題，具體是下面幾個方面：

4.1 對上下兩個部分進(jìn)行分離開來，單獨(dú)分別進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算

上部分的結(jié)構(gòu)是鋼的，在對這樣上面的部分進(jìn)行計(jì)算來參與設(shè)計(jì)時，將上部鋼結(jié)構(gòu)在混凝土結(jié)構(gòu)交界面上的支撐點(diǎn)假設(shè)為固結(jié)或鉸接；在對下面的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算時，也是類似的手段，把上部鋼結(jié)構(gòu)的支座反力作為荷載。采用這樣的方法進(jìn)行計(jì)算，最大的問題就是，下部混凝土結(jié)構(gòu)對上部鋼結(jié)構(gòu)的支承剛度被夸大為無窮大：支座鉸接——平動剛度無窮大，支座剛接——平動、轉(zhuǎn)動剛度無窮大。

4.2 引入下部混凝土結(jié)構(gòu)支座的平動、轉(zhuǎn)動剛度，上部鋼結(jié)構(gòu)支承于一系列彈簧支座

應(yīng)用該方法時，也存在一定的安全隱患，即無法將上部結(jié)構(gòu)剛度對于整體結(jié)構(gòu)所發(fā)揮的作用客觀而完全的反映出來，與此同時，也無法將下部結(jié)構(gòu)有限剛度對于上部結(jié)構(gòu)的那種放大效應(yīng)有效的反映出來，不僅如此，還增加了計(jì)算的難度。

5 總裝分析對大跨空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性

5.1 上下部結(jié)構(gòu)性能分析

不同的機(jī)構(gòu)有著不同的受力效果與變形效果，這樣的情況下，如果采用同樣的方式進(jìn)行計(jì)算，得到的結(jié)果必然存在著非常大的誤差。

通常情況下，將鋼結(jié)構(gòu)置于下部混凝土結(jié)構(gòu)之上，后者結(jié)構(gòu)剛度將表現(xiàn)出有限特性，不僅如此，其材料還面臨多種問題，如收縮問題、變形問題，對于支座而言，還將面臨復(fù)雜受力問題而引起的相關(guān)變形。因此，應(yīng)用總裝分析這一原理和做法所獲得的上部鋼結(jié)構(gòu)，無論在控制內(nèi)力方面，還是在抵御變形方面，均比應(yīng)用單體鋼結(jié)構(gòu)分析這種方法得到的結(jié)論更為準(zhǔn)確和實(shí)用。另外，在單體鋼結(jié)構(gòu)的一系列分析之中，無論是對下部混凝土結(jié)構(gòu)的彈性支承，還是對上部鋼結(jié)構(gòu)振型以及地震作用效應(yīng)放大的影響，均無法進(jìn)行客觀而全面的反映。

在分析下部混凝土結(jié)構(gòu)振型、地震作用的效應(yīng)及其受力等工作的過程中，由于沒有考慮上部鋼結(jié)構(gòu)的地震作用放大效應(yīng)，還有剛度貢獻(xiàn)，所以，最終結(jié)果往往存在一定的誤差。

5.2 地震作用分析

通常情況下，上部鋼結(jié)構(gòu)屋蓋往往位于下部混凝土結(jié)構(gòu)柱、梁頂面之上，如此一來，可實(shí)現(xiàn)對地震效應(yīng)的有效抵抗，當(dāng)?shù)卣鹆樦虏炕炷两Y(jié)構(gòu)向上傳遞并到達(dá)上部鋼結(jié)構(gòu)時，具有十分有效的削弱效果。值得一提的是，地震若直接作用于上部鋼結(jié)構(gòu)高位支座這一位置處，也就是說基礎(chǔ)底面被拉高到鋼結(jié)構(gòu)的高位支承面，那么地震作用效應(yīng)將會受到非常明顯的加強(qiáng)，這對于上部鋼結(jié)構(gòu)的抗震安全性而言是極為不利的。

5.3 連接界面結(jié)構(gòu)構(gòu)件安全

下部結(jié)構(gòu)支座剛度的不均勻性帶來上部結(jié)構(gòu)的受力不均勻，特別是連接構(gòu)件的部分更加明顯。如果采用單體結(jié)構(gòu)分析，這樣的問題就不能得到很好的反應(yīng)，無法預(yù)知的連接界面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的高應(yīng)力，給安全性造成很大的威脅。

6 連接界面構(gòu)件總裝分析

從地震的作用與溫度的作用下，懸索結(jié)構(gòu)和索一膜結(jié)構(gòu)都可以看作是柔性結(jié)構(gòu)體系當(dāng)中張力結(jié)構(gòu)，這決定了連接界面構(gòu)件成分的關(guān)鍵性，因?yàn)槿嵝泽w系的特點(diǎn)決定了這種張力結(jié)構(gòu)本身的自然剛度完全小到可以忽略不計(jì)，不管是幾何形狀還是結(jié)構(gòu)剛度都是通過拉索或膜結(jié)構(gòu)當(dāng)中的預(yù)應(yīng)力來實(shí)現(xiàn)。所以，對于這樣的結(jié)構(gòu)，其中任何一根構(gòu)件，特別是施加預(yù)應(yīng)力的構(gòu)件都是整體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件。與此同時，要在最大程度上保證連接界面構(gòu)件的安全性。

7 結(jié)語

在進(jìn)行了以上的分析之后，我們可以很清楚的看到，對于上下部結(jié)構(gòu)在重力、風(fēng)、地震、溫度等的不同種荷載作用下的效應(yīng)，通過總裝分析能得到較為合理與可靠的結(jié)果，不止是使結(jié)構(gòu)更加安全，在經(jīng)費(fèi)使用方面，也能夠進(jìn)行合理的安排，總裝分析的作用非常重要。在現(xiàn)在高速發(fā)展的社會當(dāng)中，很多大型工程當(dāng)中，都已經(jīng)成功應(yīng)用了全新的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法。

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