大跨空间结构的分类及发展特征

第15卷第4期平顶山工学院学报V ol. 15N o. 4

　　　　　　　　　　　　

2006年7月Journal of Pingdingshan Institute of T echnology Jul. 2006

文章编号:1671-9662(2006) 04-0008-03

大跨空间结构的分类及发展特征

李国范

1,2

(1. 华中科技大学土木学院, 湖北武汉430074;2. 平顶山工学院土木系, 河南平顶山467001)

摘　要:　大跨空间结构是目前发展最快的结构类型。。、折叠结关键词:　大跨空间结构; 建筑; 发展中图分类号:　T U359:A

0　引言

设想到工程实践大约经历了以下几个阶段:想象和几何学、拓扑和图形分析、力学分析及试验研究。其中力学分析包括找形、自应力准则、工作机理和外力作用下的性能等。张拉整体结构的几何形状同时依赖于构件的初始几何形状、关联结构(拓扑) 及形成一定刚度的自应力的存在。另外这种结构在外力作用下的变形(与自应力的效果不同) 也提出了其它结构问题, 首先它属于临界类体系, 结构在外荷载过程中刚度不断发生变化, 传力途径也就随之改变; 其次这种结构只能在考虑了几何非线性甚至材料非线性时才能分析。

1. 2　膜结构

　　, 任何结构物本质上都是空间性质的, 空间结构的卓越工作性能不仅仅表现在三维受力, 而且还由于它们通过合理的曲面形体来有效抵抗外荷载的作用。当跨度增大时, 空间结构就愈能显示出它们优异的技术经济性能。事实上, 当跨度达到一定程度后, 一般平面结构往往已难于成为合理的选择。从国内外工程实践来看, 大跨度建筑多数采用各种形式的空间结构体系。　　由于经济和文化发展的需要, 人们还在不断追求覆盖更大的空间, 大跨空间结构成为最近三十多年来发展最快的结构形式。大跨度和超大跨度建筑物及作为其核心的空间结构技术的发展状况已成为代表一个国家建筑科技水平的重要标志之一。大跨空间结构的类型和形式十分丰富多彩, 习惯上分为如下这些类型:钢筋混凝土薄壳结构; 平板网架结构; 网壳结构; 悬索结构; 膜结构和索-膜结构; 近年来国外用的较多的“索穹顶”实际上也是一种特殊形式的索

-膜结构; 混合结构通常是柔性构件和刚性构件的联合应

　　膜结构是20世纪中期发展起来的一种新型建筑结构形式, 是由多种高强薄膜材料及加强构件(钢架、钢柱或钢索) 通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状, 作为覆盖结构, 并能承受一定的外荷载作用的一种空间结构形式。膜结构可分为充气膜结构和张拉膜结构两大类。充气膜结构是靠室内不断充气, 使室内外产生一定压力差(一般在10～30mm 水柱之间) , 室内外的压力差使屋盖膜布受到一定的向上的浮力, 从而实现较大的跨度。张拉膜结构则通过柱及钢架支承或钢索张拉成型, 其造型非常优美灵活。

　　膜结构的设计主要包括体形设计、初始平衡形状分析、荷载分析、裁剪分析等四大问题。通过体形设计确定建筑平面形状尺寸、三维造型、净空体量, 确定各控制点的坐标、结构形式, 选用膜材和施工方案。初始平衡形状分析就是

所谓的找形分析。由于膜材料本身没有抗压和抗弯刚度, 抗剪强度也很差, 因此其刚度和稳定性需要靠膜曲面的曲率变化和其中预张应力来提高, 对膜结构而言, 任何时候不存在无应力状态, 因此膜曲面形状最终必须满足在一定边界条件、一定预应力条件下的力学平衡, 并以此为基准进行

用。

1　大跨空间结构的分类1. 1　张拉整体结构

　　“张拉整体”概念是美国著名建筑师富勒的发明, 它是“张拉”和“整体”的缩合。张拉整体结构可定义为一组不连续的受压构件与一套连续的受拉单元组成的自支承、自应力的空间网格结构。这种结构的刚度由受拉和受压单元之间的平衡预应力提供, 在施加预应力之前, 结构几乎没有刚度, 并且初始预应力的大小对结构的外形和结构的刚度起着决定性作用。由于张拉整体结构固有的符合自然规律的特点, 最大限度地利用了材料和截面的特性, 可以用尽量少的钢材建造超大跨度建筑。

　　对于张拉整体结构的研究开始于40多年前, 从最初的收稿日期:2006-03-16

作者简介:李国范(1965-) , 男, 河南舞钢人, 华中科技大学土木学院在读研究生, 平顶山工学院土木工程系讲师。

第15卷第4期　　　　　　　　　　　李国范:大跨空间结构的分类及发展特征　　　　　　　　　　　　　　　9荷载分析和裁剪分析。

1. 3　开合结构

度的杆件代替拉索。整个玻璃幕仍然是由若干块玻璃拼成, 只是玻璃之间不再通过金属框架连接, 而是由位于平面外的专用连接件直接对接, 连接件与玻璃幕之间可以栓接也可以粘接[3,4,5]。

2　大跨空间结构的发展特征2. 1　结构形式的灵活多变

　　开合结构的出现与人类体育事业的发展密切相关, 是当代人类物质文化生活水平发展到相当程度, 人们对体育比赛场馆功能要求日益完美的结果。带有屋顶的运动场并非剧场, 人们还是憧憬着大自然的天空, 大自然的阳光, 大自然的和风, 如果条件允许, 敞开式运动场是受观众和运动员欢迎的, 因此开合式屋盖结构应运而生。

　　与固定式屋盖相比开合屋盖在技术上有很多特殊的问题必须慎重对待, 如在结构形状不断改变的条件下设计荷载尤其是风荷载以及结构运动产生的冲击效应的评估与选择, 屋盖走行部分及轨道设计, 屋盖运行故障检测及排除措施, 屋盖的监控与安全保障系统设置等。为了经济安全动结构构造应简单并尽量轻型化; 少冲击力。

1. 4　折叠结构

　　结构形式的多样化应该是空间结构最突出的优点之一。空间结构能以其丰富的外形来满足使用功能与建筑造型的要求, 象澳大利亚悉尼歌剧院类似贝壳的壳体屋盖至今还是空间结构优异形式的典范。对于壳体的几种基本形式, 、就可以完全改变原来。对于, , 另一方面在, , 预计今后还会有更大的发展, 使空间结构的造型更趋丰富多彩。

杂交结构的兴起　　、。2. 2　

“杂交”结构相对说来是一个比较新的名词, 是指不同依据不同的标准折叠结构有着不同的类型划分:按照折叠　　结构组成单元的类型可分为杆系单元、板系单元, 而杆系单元又可再分为剪式单元及伸缩式单元; 根据结构展开成型后的稳定平衡方式可分为结构几何自锁式、结构构件自锁及结构外加锁式; 根据结构组成是否采用索单元可分为刚性结构及柔性结构; 根据结构展开过程的驱动方式可分为液压(气压) 传动方式、电动方式、节点预压弹簧驱动方式等。

　　折叠结构根据其在展开过程中所表现的运动特性可分为两大类:一类是各部分运动为刚体运动, 称其为多刚体体系, 它的运动描述及内力分析比较容易解决; 另一类则是部件在空间中经历着大的刚性运动的同时, 还存在自身的变形运动, 表现出刚性运动与变形运动互相影响, 强烈耦合的特征。折叠结构的节点必须能够保证杆件在展开过程中运动自如, 杆件与节点连接处没有较大摩擦或易于弯曲的变形; 在结构收纳状态时能够保证杆件成紧密捆状, 以便储存; 并有足够的强度来承受杆件的拉压及局部的弯、剪、摩擦等各种作用。

1. 5　玻璃结构

类型结构的组合而形成一种新的结构体系, 以有别于采用不同材料而组成的“组合”结构(例如组合网架) 。杂交结构的优点是充分利用某种类型结构的长处来避免或抵消另一种与之组合的结构的短处, 从而改进了整个结构体系的受力性能。横向加劲单曲悬索结构就是一种桁架与单向索组合而成的杂交结构体系。一般单曲悬索的刚度都比较差, 尤其在不对称荷载下易发生机构性位移。如果将作为横向加劲构件的桁架与索垂直相交并设置于索之上, 然后对桁架端部的支座下压、产生强迫位移使结构建立预应力, 这样就大大增加了屋盖结构的刚度, 在抵抗不均匀荷载时, 桁架也能有效地分担和传递荷载。因此, 在整个结构体系中, 柔性的索可以充分发挥其高强度钢材的作用来承受主要荷载, 而刚度则通过组合具有抗弯刚度的桁架得到改善。　　在建筑物中有时出于造型或功能的需求, 要求在中间部分凸起, 为此设置了类如拱、

刚架或斜拉索的支承结构, 并与网架或悬索结构组成一种杂交结构。杂交结构的提出, 有时与其说是结构的有机结合, 还不如说是建筑上的需要。采用中间支承的杂交体系悬索屋盖有时不一定经济, 其耗钢量与造价都比较高, 尤其是支承结构的耗钢量往往占屋盖总耗钢量的1/2至3/4。因此, 杂交结构还是一个新课题, 有待于进一步的探索与实践。

2. 3　高强轻质材料的发展

　　玻璃在力学性能上有点象混凝土, 是一种脆性材料, 抗压性能好、抗拉性能差, 应力应变关系表现为线性, 玻璃的热膨胀系数与钢材的相近, 这使得钢材和玻璃能够用于同一结构, 发挥各自特长。玻璃的耐腐蚀性能很强, 可抵抗强酸的侵蚀, 因此利用玻璃来实现建筑物更亮、更轻、更美的高科技效果, 增强城市的现代化气息。

　　由于力学上的局限性, 耐压不宜折, 对平面外的变形非常敏感。为了保证结构中的玻璃处于受压状态, 这使人想到了张拉整体体系, 张拉整体中的杆件就是纯受压的。这样在张拉整体思想的基础上, 产生了张拉整体无框架玻璃幕结构。这种结构用玻璃板代替了张拉整体体系中的压杆, 为增强整个结构的刚度, 减小结构的变形, 用有一定刚

　　空间结构采用的材料多种多样, 如钢、混凝土、铝、木、塑料等。近年来, 还开发与应用了人工合成材料, 不但强度高, 重量也更轻。特别是由某种纤维与结合物组成的复合材料, 性能更佳。最常见的是玻璃丝增强树酯(俗称玻璃钢) 和碳纤维或阿拉密德。复合材料最大的优点是重量轻, 因而单位密度的强度指标都很优越, 如碳纤维或阿拉密德都是钢丝的四倍, 目前复合材料已成功地用在修建连续体的壳体与折板上。它也可以用来制作索、棒、与管。

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　　另一种高强轻质材料是建筑织物, 它的出现使膜结构步入永久性建筑的行列。建筑织物需要一个强度较高的基材, 目前常用的有聚酯和玻璃纤维织物, 表面涂敷防护性能好的涂层如聚氯乙烯、聚四氟乙烯或有机硅树酯等。这种新型材料不但能承重而且起围护作用, 它最大的优点是重自洁、透光方面都具有良好的性能。

2. 4　空间结构应用范围的扩展

　　空间结构的形态呈三维状态, 在荷载作用下具有三维受力特性并呈空间工作的结构。目前空间结构向着轻量、大跨方向发展, 这种发展趋势要求必须千方百计降低结构自重, 降低结构自重的途径一方面是研制运用轻质高强的新型建筑材料, 另一方面是研究开发合理的结构形式。结件, 这样膜、索、杆结合使用, 形成杂交结构, 可望实现理想的轻量大跨结构。参考文献

[1]Z.S. M okwski :Space S tructure -Review of Development in Last S pece I London ,1993.

[2]. [J], 哈尔

量特轻, 使结构自重起了革命性的变化, 此外在耐久、防火、构受拉部位采用膜材或钢索, 受压部分采用钢或铝合金构

　　近十年来, 空间结构是建筑结构中最为重要、也是最活跃的发展领域之一。从结构形式来说, 从网架、网壳到膜结构。从材料来说, 从天然材料到人工合成材料; 从计算分析来说, 从静力到动力、从线性到非线性。在原有的体系上, 不论是设计或施工都走向成熟, 用范围。

　　与改善。因此, 。首先可拆卸的。例如人们已不满足于封闭的体育场地, 而希望当天晴时屋盖能打开成为一个露天体育场, 当阴雨或寒冷天气时又能闭合成为一个室内体育场。其次是从大型到巨型结构, 即跨度从一二百米发展到上千米、覆盖面积达几平方公里

[6,7]

(2) :11-15.

]. 一种新型空间结构-张拉整体结构体

系[J].土木工程学报, 1995(4) :17-20.

[4]刘锡良, 朱海涛. 一种新型空间结构-折叠结构体系[A].工程力学(增刊) [C], 1996:20-23.

[5]刘锡良. 大跨度开合空间结构[A ].工程力学(增刊)

[C],1996(7-10) .

[6]董石麟, 姚　谏. 中国网壳结构的发展与应用[A ].第六

届空间结构学术会议论文集[C],1992:34-36.

[7]蓝　天, 郭　璐. 膜结构在大跨度建筑中的应用[J].建

。

3　结论筑结构2004(7) :28-30.

Sorts and development characteristics

of long -span space structure

LI G uo 2fan

1,2

(1. Huazhong Univer sity o f Science and Technology , Wuhan 430074, China ; 2. Pingdingshan Institute o f Technology , Pingdingshan 467001China )

Abstract :Long -span space structure is the m ost quickly developed s ort of structure at present. Long -span space structure and its de 2velopment condition and the space structure techniques as its central techniques are one of the im portant marks representing a country ’s level of architectural technique. The tensile body structure , film structure , on -off structure , folding structure

as well as glass structure and s o on are the development directions for m odern space structure. K ey w ords :long-span space structure ; architecture ; development