論大跨度建筑結(jié)構(gòu)形式與設(shè)計(jì)

趙 宇

(山西省煤炭建設(shè)監(jiān)理有限公司，山西太原 030006)

0 引言

大跨度建筑的靈魂都是基于力學(xué)的原理和自然的靈感，如喬木樹冠、貝殼等，存在于自然界的許多事物，都為人類的創(chuàng)造提供了范本。大跨度結(jié)構(gòu)的建筑樣式繁多，如穹頂結(jié)構(gòu)、張拉結(jié)構(gòu)、卡斯藤結(jié)構(gòu)、樹狀結(jié)構(gòu)、開合結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)等。人們不再滿足設(shè)計(jì)簡單的建筑，而是逐漸往受力更大、跨度更大、空間利用更合理、更加美觀等方向發(fā)展。人們對建筑空間結(jié)構(gòu)要求的變化，其實(shí)反映的是人類建筑的發(fā)展，只有將精確的計(jì)算和新穎的設(shè)計(jì)相互結(jié)合，所建造的建筑才能滿足人們需求。

1 剛架結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)

剛架結(jié)構(gòu)可以根據(jù)其不同的特點(diǎn)分為三種:無鉸剛架、兩鉸剛架、三鉸剛架。前兩種屬于超靜定結(jié)構(gòu)，剛架的結(jié)構(gòu)剛度比較大，但若是地基條件比較差，產(chǎn)生不均勻沉降時(shí)，剛架結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生附加內(nèi)力。而三鉸剛架則與之相反，屬于靜定結(jié)構(gòu)，當(dāng)其處于條件較差的地基環(huán)境時(shí)，剛架不會產(chǎn)生附加內(nèi)力。但是三鉸剛架的剛度卻不如前兩種結(jié)構(gòu)好，所以三鉸剛架一般被跨度較小的建筑采用，無鉸剛架和兩鉸剛架則用于跨度比較大的建筑結(jié)構(gòu)，可以形成高低跨、懸挑跨、多跨和單跨等風(fēng)格不一的建筑外形。

剛架是指柱和橫梁整體連接的結(jié)構(gòu)，介于柱和橫梁都是剛性節(jié)點(diǎn)，同時(shí)在豎向荷載的作用下，柱體對橫梁有一定的約束作用，從而能夠減少橫梁的跨中彎矩。同樣橫梁對柱體的約束力可以減少柱內(nèi)的彎矩。剛架通常較為輕巧，也可以節(jié)約水泥和鋼材等。大部分剛架都能在建筑中得到合理地應(yīng)用，并且可以增加結(jié)構(gòu)下面的空間。剛架結(jié)構(gòu)在屋頂上應(yīng)用，可使建筑輪廓多樣變化，制作也非常方便，所建成的大跨度建筑也是輕巧、美觀，在生活中的應(yīng)用十分廣泛，如禮堂、體育館等需要大空間體積的建筑。同時(shí)剛架結(jié)構(gòu)也可以在工業(yè)建筑中發(fā)揮它的作用。

2 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)主要有雙曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、雙曲拋物面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、圓柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)等。一般情況下，這類結(jié)構(gòu)大都是由輕質(zhì)、高強(qiáng)度的材料建成，從而可以大幅度減少它的剖面尺寸。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是一種類似平板網(wǎng)架空間的桿系結(jié)構(gòu)體系。在施工建設(shè)的過程中，采用桿件作為主要的受力基礎(chǔ)，依照一定的規(guī)矩進(jìn)行排列組合，繼而形成具備一定結(jié)構(gòu)的構(gòu)架。這種結(jié)構(gòu)具有壓力感強(qiáng)、傳力性能好等特點(diǎn)，其是有殼體和桿系的完美結(jié)合。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)很容易在荷載的壓力下導(dǎo)致變形從而失去其穩(wěn)定性，最終遭到破壞。目前這一結(jié)構(gòu)形式得到人們很大的關(guān)注，有著極大的市場需求和發(fā)展前景。

3 拱形結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)

拱形結(jié)構(gòu)在中國的歷史上由來已久，有趙州橋等杰出的代表。拱形是呈現(xiàn)出曲面的形狀。拱形結(jié)構(gòu)可以充分地利用材料的韌度和強(qiáng)度，在外力作用下，盡量將拱內(nèi)的彎矩值降到最低，壓力均勻分布，是一次能跨度較大的空間結(jié)構(gòu)。但是為了保持拱形結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需要在拱形建筑下設(shè)置堅(jiān)固的支座來抵消結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的橫向推力。通常會在拱形結(jié)構(gòu)的兩側(cè)建立兩道后墻來支撐結(jié)構(gòu)。也正是因?yàn)楣靶谓Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用抗壓力性能較好的材料進(jìn)行施工。在我國古代多采用磚石等材料，而現(xiàn)代建筑中用混凝土和鋼材代替了磚石，將拱形結(jié)構(gòu)的跨度提高到了百米以上的長度。

拱形結(jié)構(gòu)的矢高對建筑的輪廓有較大影響。矢高較小的拱形結(jié)構(gòu)，多是扁平狀的，起伏變化較小，但是拱身的軸力和水平方向的推力較大，相反矢高較大的拱形結(jié)構(gòu)多是立體狀的，起伏變化較大，而水平方向的推力和軸力較小，施工起來消耗的材料很多，拱形內(nèi)部空間較大，所以要綜合考慮建筑的要求、耗材、防水結(jié)構(gòu)等方面，可以設(shè)計(jì)單高低跨、多跨、單跨等不同的造型，建造出實(shí)用美觀的建筑。此外，還可以在拱形的兩側(cè)建立框架來抵消水平方向的推力，框架要有相應(yīng)的剛度以保證框架和拱腳之間不會產(chǎn)生傾斜或水平位移。

4 懸索結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)

懸索結(jié)構(gòu)按照索的層數(shù)和布置防線不同分為以下幾種:預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)結(jié)構(gòu)、輻射式預(yù)應(yīng)力懸索結(jié)構(gòu)、輻射式單層懸索結(jié)構(gòu)、單向雙層預(yù)應(yīng)力懸索結(jié)構(gòu)、單向單層懸索結(jié)構(gòu)、單向雙層預(yù)應(yīng)力懸索結(jié)構(gòu)、雙向單層懸索結(jié)構(gòu)等等。懸索結(jié)構(gòu)是用能承受拉力的索作為基本承重元件，并參照一定的規(guī)律組合而成的結(jié)構(gòu)。懸索結(jié)構(gòu)中的鋼索多采用高強(qiáng)度的鋼絲合成的平行鋼絞線、鋼絲束和鋼纜繩等，同時(shí)也可以采用型鋼、鋼板、圓鋼或者帶鋼等材料構(gòu)建結(jié)構(gòu)。懸索結(jié)構(gòu)與支撐系統(tǒng)和屋面系統(tǒng)共同構(gòu)成懸索屋蓋。

懸索結(jié)構(gòu)僅僅是利用索的軸向拉伸來抵御荷載的作用力，使用中可以充分地利用鋼材的強(qiáng)度和韌度，不會出現(xiàn)剪刀效應(yīng)和彎矩現(xiàn)象。懸索結(jié)構(gòu)的布置靈活多樣，可以適用于多種建筑結(jié)構(gòu)，得到眾多設(shè)計(jì)師的喜愛。

5 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)

網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，顧名思義是將桿件材料參照一定的形式將節(jié)點(diǎn)連接起來所形成的一種新型的空間結(jié)構(gòu)。它具有剛度大、重量小、受力性能好、抗震等優(yōu)勢。將網(wǎng)格結(jié)構(gòu)使用在體育場館、展覽中心等大型建筑物中還會有良好的視覺體驗(yàn)。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)分類包括兩向錐體的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、三角錐體的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、四角錐體網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、六角錐體網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。詳情見表1。

網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在一些大型的建筑工程中使用的最多，穩(wěn)定性好、傳力途徑便利、質(zhì)量高、效率高、使用靈活方便、易于裝飾等是它所具備的競爭力，但同時(shí)也有一定的不足之處，如節(jié)點(diǎn)處的桿件多，制作流程十分復(fù)雜，其優(yōu)勢并不能滿足設(shè)計(jì)中的要求。

表1 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的種類、特點(diǎn)分析表

6 薄殼結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)

薄殼結(jié)構(gòu)按照使用的材料可以分為混凝土薄殼、鋼薄殼、復(fù)合材料薄殼、磚薄殼等;按照曲面的形成可以分為移動殼和旋轉(zhuǎn)殼。殼體的結(jié)構(gòu)具備了十分優(yōu)秀的承載能力，能夠以較薄的厚度承載較大的荷載壓力，主要是因?yàn)闅んw合理的幾何形狀，充分發(fā)揮了材料的剛度和強(qiáng)度，來承受壓力。正是這個(gè)原因使得薄殼結(jié)構(gòu)成為一種剛度較大、節(jié)約建筑資源、經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)形式，從而獲得了設(shè)計(jì)師的青睞。

7 桁架結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)

桁架結(jié)構(gòu)也是由桿件形成的一種建筑結(jié)構(gòu)，因此桁架結(jié)構(gòu)的受力比較均勻，充分利用材料的強(qiáng)度。與梁結(jié)構(gòu)相比較，桁架結(jié)構(gòu)的軸向力即為桿件內(nèi)力，然而梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力是彎矩，受力也不能均勻分布，因此，桁架結(jié)構(gòu)比梁結(jié)構(gòu)更加合理科學(xué)。桁架結(jié)構(gòu)適用于大型商場、菜市場等建筑，通常是采取的矩形的平面形式，統(tǒng)一規(guī)格，減小結(jié)構(gòu)材料的損耗和自重，增加跨度，利于施工的安排。

8 結(jié)語

近些年來的建筑水平迅速提高，許多大跨度建筑已經(jīng)融入了人們的生活當(dāng)中，給城市景觀增色不少。新型的材料和新穎的技術(shù)更新?lián)Q代的速度明顯提高，一種技術(shù)往往還沒有趨于成熟，就很快被淘汰了。人們對建筑的創(chuàng)新意識與日俱增，其中建筑結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新占據(jù)了主要的地位。大跨度結(jié)構(gòu)建筑在各方面設(shè)計(jì)的更加合理、完善，建筑行業(yè)得到了空前的發(fā)展。我國正在這方面努力跟上世界的步伐，需要建筑行業(yè)的從業(yè)人員提高自身水平，學(xué)習(xí)國內(nèi)外的建筑設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，從而能建造出帶有中國色彩的大跨度建筑。

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