大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式淺析

常汝銅

【摘要】大跨空間鋼結(jié)構(gòu)是目前發(fā)展最快的結(jié)構(gòu)類型，本文通過對大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)幾種主要形式：網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、空間網(wǎng)殼、張力結(jié)構(gòu)的分析和討論，通過幾個大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的工程實例，討論大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)各種結(jié)構(gòu)形式力學(xué)模型以及優(yōu)缺點。

【關(guān)鍵詞】大跨度；空間網(wǎng)架；張力結(jié)構(gòu)；膜結(jié)構(gòu)

空間結(jié)構(gòu)是指具有不宜分解為平面結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。其主要的結(jié)構(gòu)類型有：平面網(wǎng)架、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)和張力結(jié)構(gòu)。世界各國為大跨度空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展投入了大量的研究經(jīng)費。這些研究工作為各國大跨度建筑的蓬勃發(fā)展奠定了堅實的理論基礎(chǔ)和技術(shù)條件。

1、結(jié)構(gòu)形式

1.1網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

由多根桿件按照一定的網(wǎng)格形式通過節(jié)點連結(jié)而成的空間結(jié)構(gòu)，具有空間受力、重量輕、剛度大、抗震性能好等優(yōu)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(jié)點上的桿件數(shù)量較多，制作安裝較平面結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

1.2網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是一種與平板網(wǎng)架類似的空間桿系結(jié)構(gòu)，系以桿件為基礎(chǔ)，按一定規(guī)律組成網(wǎng)格，按殼體結(jié)構(gòu)布置的空間構(gòu)架，它兼具桿系和殼體的性質(zhì)。其傳力特點主要是通過殼內(nèi)兩個方向的拉力、壓力或剪力逐點傳力。

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)主要應(yīng)對使用階段的外荷載（包括豎向和水平向）進行內(nèi)力和位移計算，對單層網(wǎng)殼通常要進行穩(wěn)定性計算，并據(jù)此進行桿件設(shè)計。此外，對地震、溫度變化、支座沉降及施工安裝荷載，應(yīng)根據(jù)具體情況進行內(nèi)力、位移計算。

1.2.1強度、剛度分析

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移可按彈性階段進行計算。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)根據(jù)網(wǎng)殼類型、節(jié)點構(gòu)造，設(shè)計階段可分別選用不同的方法進行內(nèi)力、位移計算：雙層網(wǎng)殼宜采用空間桿系有限元法進行計算；單層網(wǎng)殼宜采用空間梁系有限元法進行計算；對單、雙層網(wǎng)殼在進行方案選擇和初步設(shè)計時可采用擬殼分析法進行估算。

1.2.2穩(wěn)定性分析

網(wǎng)殼的穩(wěn)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(wǎng)殼穩(wěn)定性時，一般采用空間桿系非線性有限元法，關(guān)鍵是臨界荷載的確定。單層網(wǎng)殼宜采用空間梁系有限元法進行計算。

1.2.3抗震分析

設(shè)防烈度為7度的地區(qū)，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)可不進行豎向抗震計算，但必須進行水平抗震計算。在設(shè)防烈度為8度、9度地區(qū)必須進行網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)水平與豎向抗震計算。

1.3張力結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)就是所謂的剛性結(jié)構(gòu)。而張力結(jié)構(gòu)則不然，它是主要從滿足一定拓撲關(guān)系的幾何構(gòu)造中通過預(yù)應(yīng)力過程來獲取剛度，從而使結(jié)構(gòu)具有承載能力。由此可見，張力結(jié)構(gòu)要求設(shè)計，分析與施工緊密配合，這點也是和傳統(tǒng)剛性結(jié)構(gòu)有所區(qū)別的。張力結(jié)構(gòu)體系最重要的環(huán)節(jié)就是預(yù)應(yīng)力過程。因此，在張力結(jié)構(gòu)中，預(yù)應(yīng)力過程與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的某個或者某部分構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力張拉過程有很大的區(qū)別。

1.3.1懸索結(jié)構(gòu)

懸索結(jié)構(gòu)按受力特點，一般可分成單層懸索體系、雙層懸索體系、索網(wǎng)結(jié)構(gòu)、張弦梁、組合懸索結(jié)構(gòu)及斜拉結(jié)構(gòu)等類型。

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

（2）雙層懸索體系：雙層懸索結(jié)構(gòu)由下凹的承重索、上凸的穩(wěn)定索及它們之間的連系桿組成。每對承重索和穩(wěn)定索一般位于同一豎平面內(nèi)，二者之間通過受拉鋼索或受壓撐桿連系，構(gòu)成索桁架，其工作機理與預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)狀布置形式適用于圓形或橢圓形建筑平面。

（3）索網(wǎng)結(jié)構(gòu)：索網(wǎng)結(jié)構(gòu)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(wǎng)。索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的成功與否取決于預(yù)應(yīng)力作用下索系邊緣支承結(jié)構(gòu)能否形成自平衡體系。索網(wǎng)結(jié)構(gòu)效率高，經(jīng)濟性能佳，極大推動了張力結(jié)構(gòu)的發(fā)展和應(yīng)用，并且發(fā)展和演變了很多其他結(jié)構(gòu)型式，如帳篷結(jié)構(gòu)和膜結(jié)構(gòu)。

（4）張弦梁結(jié)構(gòu)：張弦梁結(jié)構(gòu)是最近幾年發(fā)展起來的大跨度鋼結(jié)構(gòu)，用于屋蓋結(jié)構(gòu)、樓層結(jié)構(gòu)及墻體結(jié)構(gòu)。張弦梁結(jié)構(gòu)使壓彎構(gòu)件和抗拉構(gòu)件取長補短，協(xié)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(yīng)用價值和前景的新型屋面結(jié)構(gòu)。

（5）組合懸索結(jié)構(gòu)：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(wǎng)、單層索系、雙層索系等）和強大的中間支承結(jié)構(gòu)組合在一起，可形成形式各異的組合懸索結(jié)構(gòu)。中央的支承結(jié)構(gòu)負擔(dān)很重，因此多采用剛度大、受力合理的拱、剛架、索拱體系等結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系和不同幾何外形的屋面形式。

（6）斜拉結(jié)構(gòu)：斜拉結(jié)構(gòu)是由單索體系發(fā)展而來的，可以看做是一種采用自成體系的剛性結(jié)構(gòu)來處理單索的穩(wěn)定問題。最初斜拉結(jié)構(gòu)用于斜拉橋，在以后的發(fā)展中又出現(xiàn)了斜拉梁、板結(jié)構(gòu)、斜拉桁架協(xié)同工作，并發(fā)展了各自結(jié)構(gòu)上的優(yōu)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(yōu)點是張力集成。常見的空間結(jié)構(gòu)如網(wǎng)架是由一些基本結(jié)構(gòu)單元組成，這些單元由鉸接桿或剛接桿構(gòu)成，但集成單元是由桿元和索元構(gòu)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(xù)張力狀態(tài)，而壓桿只是極少數(shù)的桿件。目前工程中的應(yīng)用主要是索穹頂結(jié)構(gòu)和平板型張力集成體系（索網(wǎng)架）。

結(jié)語：

我國大跨度空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)原來比較薄弱，但隨著國家經(jīng)濟實力的增強和社會發(fā)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(fā)展！