大跨度空間結(jié)構(gòu)模型的制作與設(shè)計(jì)

吳慶 劉佳尉 覃棋清 陳芃均 顏喜林

上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院 上海 201600

1 大跨度空間建筑的發(fā)展

隨著科技水平的提高，我國空間結(jié)構(gòu)理論分析近年來得到了長足的發(fā)展，計(jì)算方法由連續(xù)化分析到離散化分析，由近似計(jì)算到精確分析，由等效靜力分析到直接動(dòng)力分析，由線性分析到非線性分析。研究方法向理論、試驗(yàn)與大量計(jì)算機(jī)分析相結(jié)合的方向發(fā)展。

1.1 研究手段的進(jìn)展

結(jié)合具體工程進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，其中包括了懸索、網(wǎng)架、網(wǎng)殼、組合結(jié)構(gòu)和張拉整體等各類空間結(jié)構(gòu)。編制了大量的計(jì)算程序?qū)Ω黝惪臻g結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行計(jì)算分析，揭示了各種新型結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性與地震反應(yīng)特點(diǎn)及隨參數(shù)變化的規(guī)律。給出了各類空間結(jié)構(gòu)的響應(yīng)規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算分析值基本得到相互驗(yàn)證，新的研究成果使得新結(jié)構(gòu)、新體系層出不窮，極大地豐富了空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，進(jìn)一步展示了我國建筑科技水平的不斷提高。

1.2 計(jì)算理論的進(jìn)展

空間結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論由彈性分析到彈塑性地震響應(yīng)分析，在多遇地震作用下按彈性階段進(jìn)行計(jì)算的同時(shí)，還要防止結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下倒塌并考慮到設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性對結(jié)構(gòu)彈塑性進(jìn)行分析。利用圓桿截面空間梁系彈塑性本構(gòu)關(guān)系，結(jié)合分割有限元法，編制了空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)彈塑性地震響應(yīng)時(shí)程分析程序，給出了單層球面與單層柱面網(wǎng)殼彈塑性響應(yīng)規(guī)律和斜拉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)彈塑性響應(yīng)規(guī)律，推導(dǎo)出了單元彈塑性剛度矩陣，研究了雙層與單層柱面網(wǎng)殼彈塑性反應(yīng)隨參數(shù)變化的情況。對柔性結(jié)構(gòu)全面考慮了幾何非線性的影響，使得計(jì)算精度得到極大的提高，計(jì)算理論不斷完善。

1.3 結(jié)構(gòu)抗震分析理論的進(jìn)展

大跨度空間結(jié)構(gòu)抗震分析從單維地震反應(yīng)分析發(fā)展到多維地震反應(yīng)分析。由于地震時(shí)地面運(yùn)動(dòng)是多維的，同時(shí)各方向地震動(dòng)引起的地震響應(yīng)一般為同數(shù)量級的，因此為更真實(shí)地掌握結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，進(jìn)行多維地震反應(yīng)分析頗為必要的。地震動(dòng)有六維分量，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式盡量保證了均勻?qū)ΨQ，同時(shí)計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)分量將帶來過大的計(jì)算土作量，目前研究的震動(dòng)以三個(gè)平動(dòng)分量輸入為主，為考慮三維地震輸入，空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)曾用時(shí)程法進(jìn)行確定分析。近年來，北京工業(yè)大學(xué)引用了林家浩等提出的單維虛擬激勵(lì)法推導(dǎo)出網(wǎng)格結(jié)構(gòu)多維地震輸入的虛擬激勵(lì)隨機(jī)分析方法，編制了相應(yīng)程序，并提出了隨機(jī)參數(shù)取法，用此程序?qū)螌?、雙層柱面網(wǎng)殼、球面網(wǎng)殼進(jìn)行了系統(tǒng)的多維地震反應(yīng)分析，得出了一些有益的結(jié)論。

1.4 空間結(jié)構(gòu)隔震、控震分析

結(jié)構(gòu)震動(dòng)控制包括基礎(chǔ)隔震、被動(dòng)控制、主動(dòng)和半主動(dòng)控制及近年來提出的智能控制。有關(guān)土建結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制研究與應(yīng)用約有30年的歷史。我國空間結(jié)構(gòu)中采用橡膠支座隔震已相當(dāng)普及，但在空間結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制方面尚處于起步研究階段，現(xiàn)已取得了一些可喜的科研成果。在基礎(chǔ)隔震方面，同濟(jì)大學(xué)、浙江大學(xué)等單位給出了各種支座的隔震性能、設(shè)計(jì)計(jì)算方法，浙江大學(xué)提出了適合于網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的黏彈性阻尼材料代替橡膠支座；在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)控制方面，哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出了多個(gè)TMD調(diào)頻質(zhì)量阻尼器的MTMD系統(tǒng)，建立了隨機(jī)振動(dòng)計(jì)算模型，采用傳遞函數(shù)算法和非線性數(shù)學(xué)規(guī)劃方法確定其最優(yōu)控制參數(shù)，并針對各類單層網(wǎng)殼進(jìn)行了振動(dòng)控制分析，設(shè)計(jì)了黏滯阻尼器，安裝在網(wǎng)殼上進(jìn)行地震模擬震動(dòng)臺試驗(yàn)，得出了相關(guān)結(jié)論。北京工業(yè)大學(xué)對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了半主動(dòng)控制研究，提出將半主動(dòng)控制器做成變剛度變阻尼桿件以替代網(wǎng)殼桿件的方法，并給出了控制桿件的最優(yōu)布置準(zhǔn)則。蘭州理工大學(xué)提出采用約束屈曲支撐（BRB）代替部分網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)桿件的做法，利用通用有限元軟件ANSYS對這種新型結(jié)構(gòu)體系的各種形式進(jìn)行分析，尋找約束屈曲支撐在整體結(jié)構(gòu)中的最優(yōu)布置和影響規(guī)律，在參數(shù)分析的基礎(chǔ)上，探索網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)減震體系的減震機(jī)理與變化規(guī)律，分析結(jié)構(gòu)減震控制的關(guān)鍵因素[1]。

2 大跨度空間建筑概要

大跨度建筑通常是指跨度在30m以上的建筑（混凝土），2003版鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范8.6.1條規(guī)定跨度60m以上的結(jié)構(gòu)為大跨度結(jié)構(gòu)。主要用于民用建筑的影劇院、體育場館、展覽館、大會(huì)堂、航空港以及其他大型公共建筑。在工業(yè)建筑中則主要用于飛機(jī)裝配車間、飛機(jī)庫和其他大跨度廠房。大跨度建筑的歷史悠久，但要說興起，也只是近幾百年內(nèi)才迅速發(fā)展起來的，相較于傳統(tǒng)的建筑，大跨度建筑物的發(fā)展歷史較為短暫。大跨度建筑迅速發(fā)展的原因，一方面是由于社會(huì)發(fā)展使建筑功能愈來愈復(fù)雜，需要建造高大的建筑空間來滿足群眾集會(huì)、舉行大型的文藝體育表演、舉辦盛大的各種博覽會(huì)等；另一方面則是新材料、新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)的出現(xiàn)，促進(jìn)了大跨度建筑的進(jìn)步。一是需要，二是可能，兩者相輔相成，相互促進(jìn)，缺一不可。19世紀(jì)后半期以來，鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在建筑上的廣泛應(yīng)用，使大跨度建筑有了很快的發(fā)展，特別是近幾十年來新品種的鋼材和水泥在強(qiáng)度方面有了很大的提高，各種輕質(zhì)高強(qiáng)材料、新型化學(xué)材料、高效能防水材料、高效能絕熱材料的出現(xiàn)，為建造各種新型的大跨度結(jié)構(gòu)和各種造型新穎的大跨度建筑創(chuàng)造了更有利的物質(zhì)技術(shù)條件。大跨度建筑多為公共建筑，人流集中，占地面積大，從總體規(guī)劃，個(gè)體設(shè)計(jì)到構(gòu)造技術(shù)都提出了許多新的研究課題，需要許多建筑工作者去探究。這也是我們制作和設(shè)計(jì)大跨度結(jié)構(gòu)模型的原因[2]。

3 大跨度空間結(jié)構(gòu)類型

3.1 折板屋頂結(jié)構(gòu)

一種由許多塊鋼筋混凝土板連接成波折形的整體薄壁折板屋頂結(jié)構(gòu)。這種折板也可作為垂直構(gòu)件的墻體或其他承重構(gòu)件使用。折板屋頂結(jié)構(gòu)組合形式有單坡和多坡，單跨和多跨，平行折板和復(fù)式折板等，能適應(yīng)不同建筑平面的需要。常用的截面形狀有V形和梯形，板厚一般為5～10cm，最薄的預(yù)制預(yù)應(yīng)力板的厚度為3cm?？缍葹?～40m，波折寬度一般不大于12m，現(xiàn)澆折板波折的傾角不大于30°；坡度大時(shí)須采用雙面模板或噴射法施工。折板可分為有邊梁和無邊梁兩種。無邊梁折板由若干等厚度的平板和橫隔板組成，V形折板是無邊梁折板的一種常見形式。有邊梁折板由板、邊梁、橫隔板等組成，一般為現(xiàn)澆。他按照應(yīng)力變化的規(guī)律，將折板截面由兩端向跨中逐漸增大，使大廳屋頂?shù)耐庑胃挥许嵚筛小?/p>

3.2 殼體屋頂結(jié)構(gòu)

用鋼筋混凝土建造的大空間殼體屋頂結(jié)構(gòu)。殼體形式有圓筒形、球形扁殼，劈錐形扁殼和各種單曲、雙曲拋物面、扭曲面等形式。美國在40年代建造的蘭伯特圣路易市航空港候機(jī)室，由三組厚11.5cm的現(xiàn)澆鋼筋混凝土殼體組成，每組是兩個(gè)圓柱形曲面殼體正交，并切割成八角形平面狀，相接處設(shè)置采光帶。兩個(gè)圓柱形曲面相交線做成突出于曲面上的交叉拱，既增加了殼體強(qiáng)度，又把荷載傳至支座。支座為鉸接點(diǎn)，殼體邊緣加厚，有加勁肋，向上卷起，使殼體交叉拱的建筑造型簡潔別致。

3.3 網(wǎng)架屋頂結(jié)構(gòu)

使用比較普遍的一種大跨度屋頂結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，空間剛度大，防震性能好。網(wǎng)構(gòu)架高度較小，能利用較小桿形構(gòu)件拼裝成大跨度的建筑，有效地利用建筑空間。適合工業(yè)化生產(chǎn)的大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，外形可分為平板型網(wǎng)架和殼形網(wǎng)架兩類，能適應(yīng)圓形、方形、多邊形等多種平面形狀。平板型網(wǎng)架多為雙層，殼形網(wǎng)架有單層和雙層之分，并有單曲線、雙曲線等屋頂形式。

3.4 懸索屋頂結(jié)構(gòu)

由鋼索網(wǎng)、邊緣構(gòu)件和下部支承構(gòu)件三部分組成的大跨度屋頂結(jié)構(gòu)，如1961年建成的北京工人體育館，直徑為94m。國際上較早的懸索結(jié)構(gòu)是1953～1954年建成的美國羅利市的牲畜館，它是一個(gè)雙曲馬鞍形懸索結(jié)構(gòu)。1958～1962年E.沙里寧設(shè)計(jì)建造的美國華盛頓杜勒斯國際機(jī)場候機(jī)樓是有名的實(shí)例。候機(jī)樓寬45.6m，長182.5m，上下兩層，屋頂每隔3m有一對直徑2.5cm的鋼索懸掛在前后兩排的柱頂上。在懸索結(jié)構(gòu)上部鋪設(shè)預(yù)制鋼筋混凝土板構(gòu)成屋面，建筑造型輕盈明快。

3.5 充氣屋頂結(jié)構(gòu)

用尼龍薄膜、人造纖維表面敷涂料等作材料，通過充氣構(gòu)筑成的大跨度屋頂結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)安裝、拆裝都很方便[3]。

4 制作和設(shè)計(jì)大跨度空間結(jié)構(gòu)模型過程

大跨度建筑結(jié)構(gòu)主要包括網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，懸索結(jié)構(gòu)，桁架結(jié)構(gòu)，膜結(jié)構(gòu)和薄殼結(jié)構(gòu)等基本空間結(jié)構(gòu)及各類組合空間結(jié)構(gòu)。我們采取的是殼體結(jié)構(gòu)，因?yàn)橐话愣?，用輕質(zhì)高強(qiáng)度材料做成的結(jié)構(gòu)在荷載作用下容易因變形而失去穩(wěn)定并導(dǎo)致最后的破壞，但是殼體結(jié)構(gòu)政治因?yàn)樗侠淼耐庑?，不僅內(nèi)部應(yīng)力分配及合理又均勻，同時(shí)又可以保持極好的穩(wěn)定性，所以殼體結(jié)構(gòu)盡管厚度極小卻可以覆蓋很大的空間。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)可以承受的跨度之大以及充分發(fā)揮材料的材耗，這些優(yōu)點(diǎn)都非常的適用于大跨度結(jié)構(gòu)，所以我們也將這個(gè)作為我們制作和設(shè)計(jì)的方向。

對于大跨度建筑頂部的制作我們采用由一點(diǎn)發(fā)射的球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)來進(jìn)行均勻荷載。模型材料采用正常的竹條彎曲后即可，但是因?yàn)閺澢笾駰l自身的張力，很難將頂部彎曲后再與支撐架構(gòu)相連接。我們采用了隔板暫時(shí)的加固以及承受竹條彎曲帶來的張力。先將隔板粘接在支撐架構(gòu)上，然后再將竹條彎曲，粘接在支撐結(jié)構(gòu)上，因?yàn)橛袚醢宓淖钃鹾椭沃駰l會(huì)很穩(wěn)定的待在支撐結(jié)構(gòu)上，此時(shí)利用膠水粘接，等到竹條與支撐結(jié)構(gòu)牢固連接后再撤去擋板，如此便可以將頂部結(jié)構(gòu)與支撐結(jié)構(gòu)完美相連。

在支撐結(jié)構(gòu)上我們采用了八邊形的橫向結(jié)構(gòu)，在豎向上是上窄下寬的正常結(jié)構(gòu)。連接頂部的八邊形與底部八邊形比例為1∶1.5。支撐結(jié)構(gòu)的模型寬度在30厘米左右，高度為15cm。這些結(jié)構(gòu)都充分地體現(xiàn)了大跨度對于空間的要求，我們必須充分的利用空間。支撐結(jié)構(gòu)模型材料使用的是普通的木條，每根木條的連接處都撒了少許的木屑用以使膠水加快凝固并且更加的牢固。在上八邊形與下八邊形之間連接著八根承重梁，而每兩根承重梁之間添加了交叉的梁來分擔(dān)城中以及使承重結(jié)構(gòu)更加的穩(wěn)定。

我們對于模型的預(yù)期是能夠在承受一定豎向重力（模擬現(xiàn)實(shí)中大跨度建筑的自重）的同時(shí)，可以較好的抵抗橫向加載（模擬地震抖動(dòng)，強(qiáng)風(fēng)，海嘯等災(zāi)害）。在之前制作的模型中，有將頂部的球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)換成其他結(jié)構(gòu)或者在支撐結(jié)構(gòu)中不加入交叉梁，將這些模型與現(xiàn)在制作的模型進(jìn)行加載，得到的結(jié)果是：所有模型對于承受豎向的力都表現(xiàn)得很優(yōu)異，這說明大跨度建筑并不是很需要特別關(guān)照自身材料的承重問題，而在承受一定豎向力的同時(shí)，進(jìn)行橫向抖動(dòng)的加載，大多數(shù)模型都表現(xiàn)不佳，模型都有明顯的晃動(dòng)以及崩潰的表現(xiàn)，但是球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)作為頂部以及在支撐結(jié)構(gòu)中加入交叉梁后，模型對于橫向力的承受能力很高，橫向的加載基本無法讓模型產(chǎn)生抖動(dòng)。

圖1 大跨度空間結(jié)構(gòu)模型圖

5 模型制作心得

制作模型的過程中我獲得了一些制作模型的小技巧，其中之一是在連接頂部結(jié)構(gòu)與支撐結(jié)構(gòu)時(shí)臨時(shí)加入的擋板。我認(rèn)為這個(gè)技巧可以應(yīng)用于模型制作的很多過程中，用以臨時(shí)加固模型某個(gè)部位。另一個(gè)技巧就是木屑，木屑撒在模型連接點(diǎn)在涂上膠水可以讓結(jié)構(gòu)連接的更加牢固，這是在我使用了包括碎紙屑和用砂紙將木棒磨粗糙后對比出來的結(jié)果，直接將木屑撒在上面的效果更好。在思考和制作模型的過程中，我也深刻地了解到了國家建筑工作者的努力和艱辛，這也讓我更加知道了建筑物也反映出了一個(gè)國家的綜合國力水平，所以對于大跨度建筑的研究一刻也不能停，無論是出于物的貢獻(xiàn)還是對于國家的熱愛，我們都應(yīng)該積極地參與進(jìn)來。