大跨度空间结构的主要形式及特点_郝飞

大跨度空间结构的主要形式及特点

郝　飞

(内蒙古铁道勘察设计院有限公司, 内蒙古呼和浩特　010050)

　　摘　要:大跨度空间结构在体育场馆、会展中心、影剧院、大型商场、工厂车间等建筑中应用广泛。本文就大跨度空间结构的形式主要包括网架结构、网壳结构、悬索结构、膜结构、薄壳结构等五大空间结构及各类组合空间结构做简单介绍。

关键词:大跨度; 空间结构　　中图分类号:T U 393. 3　　文献标识码:A 　　文章编号:1006—7981(2011) 03—0082—02　　现代大跨度空间结构的发展虽然起步较晚, 但由于其特殊的优越性和挑战性, 在世界各国发展十分迅速。进入21世纪后, 我国大跨度空间结构建设在数量、跨度、型式等方面都有了较大的进展。伴随着我国基础设施建设正进入一个新的发展高潮的同时, 也对大跨度空间结构的建筑技术水平提出了更高的要求。其结构形式主要包括网架结构、网壳结构、悬索结构、膜结构、薄壳结构等五大空间结构及各类组合空间结构。形态各异的空间结构在体育场馆、会展中心、影剧院、大型商场、工厂车间等建筑中得到了广泛的应用。1　网架结构

由多根杆件按照一定的网格形式通过节点连结而成的高次超静定空间结构体系, 其中双层或多层平板形网格结构称为网架结构或网架。它通常是采用钢管或型钢材料制作而成。目前中国的网架结构绝大部分采用板型网架结构。1. 1　网架结构的形式1. 1. 1　平面桁架系组成的网架结构。主要有:两向正交正放网架、两向斜交斜放网架、两向正交斜放网架、三向网架等型式。1. 1. 2　四角锥体组成的网架结构。主要有:正放四角锥网架、斜放四角锥网架、正放抽空四角锥网架、棋盘形四角锥网架、星型四角锥网架、单向折线型网架等型式。1. 1. 3　三角锥组成的网架结构。主要有:三角锥网架、抽空三角锥网架(分Ⅰ型和Ⅱ型) 、蜂窝形三角锥网架等型式。1. 1. 4　六角锥体组成的网架结构。主要形式有:正六角锥网架。1. 2　网架结构的主要特点

空间工作, 传力途径简捷; 重量轻、刚度大、抗震性能好; 施工安装简便; 网架杆件和节点便于定型化、商品化、可在工厂中批量生产, 有利于提高生产效率; 网架的平面布置灵活, 屋盖平整, 有利于吊顶、安装管道和设备; 网架的建筑造型轻巧、美观、大方, 便于建筑处理和装饰。

2　网壳结构

曲面形网格结构称为网壳结构, 有单层网壳和双层网壳之分。网壳的用材主要有钢网壳、木网壳、钢筋混凝土网壳等。2. 1　网壳结构的形式

主要有球面网壳、双曲面网壳、圆柱面网壳、双曲抛物面网壳等。2. 2　网壳结构主要特点

网壳结构兼具杆系和壳体的性质。主要特性是杆件比较单一, 受力比较合理, 其传力特点主要是通过壳内两个方向的拉力、压力或剪力逐点传力; 结构的刚度大、跨越能力大; 可以用小型构件组装成大型空间, 小型构件和连接节点可以在工厂预制; 安装简便, 不需大型机具设备, 综合经济指标较好; 造型丰富多彩, 不论是建筑平面还是空间曲面外形, 都可根据创作要求任意选取, 是一种国内外颇受关注、有广阔发展前景的空间结构。3　膜结构

薄膜结构也称为织物结构, 是20世纪中叶发展起来的一种新型大跨度空间结构形式。它以性能优良的柔软织物为材料, 由膜内空气压力支承膜面, 或利用柔性钢索或刚性支承结构使膜产生一定的预张力, 从而形成具有一定刚度、能够覆盖大空间的结构体系。3. 1　膜结构的主要形式

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10mm ～30m m 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. 张拉摸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。3. 2　膜结构主要特点

重量轻、强度高、防火难燃、自洁性好, 不受紫外线影响、抗疲劳、耐扭曲、耐老化、使用寿命长。具有高透光率, 热吸收量很少。正是因为这种跨时代的膜材料的发明, 使膜结构建筑成为现代化的永久性建筑。

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4　悬索结构

悬索结构是以能受拉的索作为基本承重构件, 并将索按照一定规律布置所构成的一类结构体系, 悬索屋盖结构通常由悬索系统, 屋面系统和支撑系统三部分构成。用于悬索结构的钢索大多采用由高强钢丝组成的平行钢丝束, 钢绞线或钢缆绳等, 也可采用圆钢、型钢、带钢或钢板等材料。4. 1　悬索结构形式

悬索结构按索的布置方向和层数分为:单向单层悬索结构; 辐射式单层悬索结构; 双向单层悬索结构; 单向双层预应力悬索结构; 辐射式预应力悬索结构; 双向双层预应力悬索结构; 预应力索网结构等。4. 2　悬索结构的特点

悬索结构的受力特点是仅通过索的轴向拉伸来抵抗外荷载的作用, 结构中不出现弯距和剪力效应, 可充分利用钢材的强度; 悬索结构形式多样, 布置灵活, 并能适应多种建筑平面; 由于钢索的自重很小, 屋盖结构较轻, 安装不需要大型起重设备。在各种形式的悬索结构中, 索的边缘构件及地锚的合理性和可靠性具有极其重要的意义, 在一定程度上决定着结构的技术经济指标和安全。但悬索结构的分析设计理论与常规结构相比, 比较复杂, 限制了它的广泛应用。5　薄壳结构

建筑工程中的壳体结构多属薄壳结构(学术上把满足t /R ≤1/20的壳体定义为薄壳) 。5. 1　薄壳结构的形式

薄壳结构按曲面形成可分为旋转壳与移动壳; 按建造材料分为钢筋混凝土薄壳、砖薄壳、钢薄壳和复合材料薄壳等。5. 2　薄壳结构的特点

从外观看, 这些薄壳结构有的像半球形, 有的像圆球形, 有的像不规则但非常美观的弧形。尽管它们形态各异, 却都有着共同的力学特征。薄壳结构在受到外力的作用时, 能够把力沿着整个壳体表面向四周均匀传递, 使壳体上单位面积受的力并不大。更为重要的是, 在壳体上不存在作用力集中于一个地方的情况。建筑物垮塌不是建筑物每一处都承受不住力了, 而往往是有一处不能承受重压而导致整个建筑物垮掉, 所以, 薄壳结构这个特点很重要。同时, 壳体结构具有十分良好的承载性能, 能以很小的厚度承受相当大的荷载。壳体结构的强度和刚度主要是利用了其几何形状的合理性, 以材料直接受压来代替弯曲内力, 从而充分发挥材料的潜力。因此壳体结

构是一种强度高、刚度大、材料省的即经济又合理的

结构形式。

除以上几种空间结构外, 还有组合网架结构、预应力网格结构、管桁结构、张弦梁结构、点连接玻璃幕墙支承结构、索穹顶结构等几种常用空间结构, 都有自身的特点和实用范围。例如2008年奥运会国家体育馆屋顶结构采用了双向张弦结构, 是世界上跨度最大的双向张弦结构; 点连接式玻璃幕墙支承结构能利用玻璃的透明特性追求建筑物内外空间的沟通和融合, 人们可以透过玻璃清楚地看到支承玻璃面板的整个结构系统, 使这种结构系统不仅起到支承作用, 而且具有很强的结构表现功能; 索穹顶结构则完全体现了美国建筑大师f uller 关于“压杆的孤岛存在于拉杆的海洋中”的思想, 即在结构中尽可能地减少受压状态而使结构处于连续的张力状态, 是由连续的拉索和不连续的压杆组成的一各受力合理、结构效率极高的结构体系。6　结束语

大跨度空间结构一般是比较重要的公共建筑, 如发生破坏, 造成的物质损失大、社会影响也大。目前有关大跨度空间结构的防灾、减震还有很多问题尚未解决, 例如大跨结构特别是柔性大跨结构的风振响应、强震下结构的抗倒塌能力以及大跨结构的减震(振) 方法、措施和可实施性等方面的问题都还需深入研究, 同时大跨结构的减震(振) 工程实践也应尽快开展。所以, 空间结构设计应正确合理地运用不同的计算理论和程序方法进行精确的分析, 同时在空间结构的形体设计中不能只注重美观, 还必须注重结构空间受力的合理性和工程成本等因素。建筑结构技术应该向着跨度更大、更轻的方向发展, 应该在满足建筑艺术的要求下使结构体系更合理、更经济、更美观。

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[4]　钢结构设计规范. (GB50017-2003) . [5]　钢结构工程施工质量验收规范. (GB50205-2001) . [6]　建筑抗震设计规范. (GB 50011-2001) , 2008.

Long -Span Spa ce Structure and C haracteristics of the Main F orms of

H AO Fei

(Inner Mo ngo lia Railw ay Surv ey And Desig n Instit ute Co , Lt d, Hohhot 010050, China) Abstra ct :Lo ng -span spa tial st ructures i n spo rt s stadi um s, conv ention cent ers, thea ters, sho ppi ng m alls, f act ory flo or, etc. widely used i n constructi on. In this paper, the f orm of long-span spa tial st ruc-tures i nclude g ri d st ructures, shel l st ruct ures, cable structures, m em brane st ruct ures, shell structure of the fiv e spatial structure and spa ti al st ruct ure o f v arious t ypes of combi na tions to do a brief int ro duction.