我國(guó)空間鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展與應(yīng)用

吳紀(jì)達(dá) 王廣振 王彥偉 何緒家（1山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590）(2山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590）

我國(guó)空間鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展與應(yīng)用

吳紀(jì)達(dá) 王廣振 王彥偉 何緒家
（1山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590）
(2山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590）

本文簡(jiǎn)要闡述了近年來(lái)空間鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用方面的進(jìn)展情況?？臻g鋼結(jié)構(gòu)分為空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)與張拉結(jié)構(gòu)兩大類(lèi)，文中分別就網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、張拉結(jié)構(gòu)各自的發(fā)展特點(diǎn)予以論述，介紹了一些有代表性的工程實(shí)例，最后討論了空間鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展動(dòng)向，并對(duì)未來(lái)空間鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用進(jìn)行了展望。

空間鋼結(jié)構(gòu)；網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)；張拉結(jié)構(gòu)；發(fā)展與應(yīng)用

一、概述

空間結(jié)構(gòu)可以看作平面結(jié)構(gòu)的深化和擴(kuò)展，空間結(jié)構(gòu)在十九世紀(jì)迅速發(fā)展。從早期的混凝土薄殼到近期的膜結(jié)構(gòu),空間結(jié)構(gòu)都以受力性能好、形式美觀(guān)和施工方便而受到人們的歡迎，應(yīng)用在大跨度、大空間的體育場(chǎng)館、會(huì)展中心、文化設(shè)施、交通樞紐乃至工業(yè)廠(chǎng)房等建設(shè)中。

空間鋼結(jié)構(gòu)是一種仿生結(jié)構(gòu),具有自重輕、復(fù)雜性、多樣性、空間大、經(jīng)濟(jì)性和藝術(shù)性等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)使空間鋼結(jié)構(gòu)有了更高的應(yīng)用價(jià)值和美好的發(fā)展前景，空間鋼結(jié)構(gòu)展示著輕盈優(yōu)美的造型，為人類(lèi)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(mén)的引導(dǎo)支持、設(shè)計(jì)方案水平的提高、設(shè)計(jì)軟件的開(kāi)發(fā)、制作和安裝水平的提高、加工和試驗(yàn)設(shè)備的改進(jìn)、文化和體育事業(yè)的發(fā)展等都促進(jìn)了空間鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展。

空間鋼結(jié)構(gòu)通常包括空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和張拉結(jié)構(gòu)兩大類(lèi)，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)包括網(wǎng)架與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是當(dāng)前我國(guó)大、中跨建筑中用的最為廣泛的一類(lèi)空間結(jié)構(gòu)，具有受力合理、計(jì)算簡(jiǎn)便、剛度大、材料省、桿件單一、制作安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。張拉結(jié)構(gòu)包括懸索與膜結(jié)構(gòu)，它們共同的特點(diǎn)是構(gòu)件只能受拉。

二、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是平板網(wǎng)架的簡(jiǎn)稱(chēng)。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)近半世紀(jì)的研究、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，已成為建筑物屋蓋中最普遍的一種結(jié)構(gòu)形式。網(wǎng)架是由桿件按一定規(guī)律組成的結(jié)構(gòu)，大多數(shù)為高次超靜定結(jié)構(gòu)。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的形式主要包括：平面桁架系組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、四角錐體組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、三角錐體組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、六角錐體組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。網(wǎng)架具有多向傳力的性能，主要技術(shù)特點(diǎn)是重量輕、剛度大、抗震性能好；施工安裝簡(jiǎn)便；網(wǎng)架桿件和節(jié)點(diǎn)便于定型化、商品化,可在工廠(chǎng)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(shè)備；網(wǎng)架的建筑造型輕巧、美觀(guān)、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(chǎng)房的形式也發(fā)生了劇烈的變化，以滿(mǎn)足不同生產(chǎn)工藝與使用要求。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)以大柱網(wǎng)、大跨度的特點(diǎn)，有效地取代了過(guò)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(jié)構(gòu)

當(dāng)網(wǎng)格為平板型時(shí)為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，當(dāng)網(wǎng)格為曲面形狀并具有殼體的結(jié)構(gòu)特性時(shí)即為網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，并分為單層和雙層兩大類(lèi)。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)兼有桿系結(jié)構(gòu)和薄殼結(jié)構(gòu)的主要特性，在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)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(yīng)力峰值較小，這點(diǎn)與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的上下弦工作的原理有所不同。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是典型的空間結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的剛度大、跨越能力大，合理的曲面可以使結(jié)構(gòu)力流均勻，其結(jié)構(gòu)變形小，穩(wěn)定性高，節(jié)省材料。小型構(gòu)件和連接節(jié)點(diǎn)都可以預(yù)制，通過(guò)小型構(gòu)件組裝成空間；網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)安裝較為簡(jiǎn)便，綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好，造型豐富多彩。

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)應(yīng)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(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是外形變化多，桿件可以組成任意形狀的曲面，并能充分滿(mǎn)足建筑外形及功能方面的要求。在建筑平面上可以適應(yīng)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(jié)構(gòu)的優(yōu)美建筑造型，設(shè)計(jì)師可以對(duì)建筑平面和外形進(jìn)行充分的自由創(chuàng)作。對(duì)于薄殼結(jié)構(gòu)與網(wǎng)格結(jié)構(gòu)所不能實(shí)現(xiàn)的形態(tài)，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)幾乎都可以實(shí)現(xiàn)。在形態(tài)方面，既能表現(xiàn)靜態(tài)美，又能通過(guò)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(dòng)態(tài)美。另外，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)呈曲面形狀，自然地形成了排水功能。

四、張拉結(jié)構(gòu)

張拉結(jié)構(gòu)包括懸索與膜結(jié)構(gòu)，它們共同的特點(diǎn)是構(gòu)件只能受拉。

懸索結(jié)構(gòu)是由懸掛在邊緣構(gòu)件或支撐結(jié)構(gòu)上的一系列高強(qiáng)度鋼索所組成的一種張拉結(jié)構(gòu)。隨著支撐結(jié)構(gòu)與鋼索布置規(guī)律的不同，可以構(gòu)成多種結(jié)構(gòu)體系的懸索結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)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(diào)整幾何外形，對(duì)鋼索施加預(yù)應(yīng)力等措施來(lái)增強(qiáng)其承載力。懸索結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)是僅通過(guò)索的軸向拉伸來(lái)抵抗外荷載的作用，結(jié)構(gòu)中不出現(xiàn)彎矩和剪力效應(yīng)，可充分利用鋼材的強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)受力合理；懸索結(jié)構(gòu)形式多樣，適應(yīng)性強(qiáng)，布置靈活，造型美觀(guān)；由于鋼索的自重很小，施工便捷，施工設(shè)施簡(jiǎn)單。但是，懸索結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)是用高強(qiáng)度柔性薄膜材料形成既承重又圍護(hù)的曲線(xiàn)形空間結(jié)構(gòu)。其依靠膜自身的張拉應(yīng)力與支撐桿和拉索共同構(gòu)成機(jī)構(gòu)體系。同懸索結(jié)構(gòu)類(lèi)似，膜結(jié)構(gòu)依靠具有曲率的外形與施加預(yù)應(yīng)力來(lái)承重。膜結(jié)構(gòu)是由多種薄膜材料及加強(qiáng)構(gòu)件(鋼架、鋼柱或鋼索)通過(guò)一定方式使其內(nèi)部產(chǎn)生一定的預(yù)張應(yīng)力，將膜結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)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(jiǎn)便，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和較高的安全性。

五、空間鋼結(jié)構(gòu)的展望

中國(guó)突飛猛進(jìn)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)為空間鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了優(yōu)越的條件。常用于體育館、會(huì)展中心、車(chē)站、機(jī)場(chǎng)、倉(cāng)庫(kù)等建筑，隨著建筑科學(xué)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越需要大量具有新穎功能、形式多樣的建筑，這也需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究更高的要求。

從空間鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看,跨度將越來(lái)越大，建筑形式也會(huì)更富于變化，這就要求大力開(kāi)展形體設(shè)計(jì)的研究，加大形式的創(chuàng)新。

鋼材仍將是主要的材料，它的強(qiáng)度和性能將得到進(jìn)一步提高,尤其是防火和抗腐蝕的性能。通過(guò)不斷的試驗(yàn)研究，生產(chǎn)出強(qiáng)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(wèn)題。

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)正確合理地運(yùn)用不同的計(jì)算理論和設(shè)計(jì)方法，通過(guò)精確的分析，得出較高的性能和新穎的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須考慮的指標(biāo)，從而不斷推動(dòng)空間鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展和應(yīng)用。

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1007-6344（2016）04-0261-01