大跨度空間結(jié)構(gòu)探析
時間:2015-08-13 04:47:57
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近年來，大跨度空間結(jié)構(gòu)形式豐富多樣，技術(shù)水平也在不斷提高。但是，大跨度建筑投資大、影響因素多，需要對其進行合理的研究決策，以獲得最佳結(jié)構(gòu)方案并節(jié)省投資、提高效率。因此，結(jié)構(gòu)選型問題在大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計中}一分重要。大跨度結(jié)構(gòu)選型，小僅要了解各種結(jié)構(gòu)的分類及特點，熟知相關(guān)結(jié)構(gòu)選型的關(guān)鍵因素，并且能使各因素協(xié)調(diào)統(tǒng)
1.大跨度空間結(jié)構(gòu)的概念
橫向跨越60m以上空間的各類結(jié)構(gòu)可稱為大跨度空間結(jié)構(gòu)。常用的大跨度空間結(jié)構(gòu)形式包括:網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、薄殼結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)等基本空間結(jié)構(gòu)及各類組合空間結(jié)構(gòu)。多運用于影劇院、體育館、展覽館、大會堂、航空港候機大廳等大型公共建筑及大跨度廠房、飛機裝配車問、大型倉庫等工業(yè)建筑。
2.大跨度空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展動態(tài)
21世紀以來，中國文化事業(yè)和體育賽事如火如荼地開展，同時新建了大量體育建筑及文化建筑，因此大跨度空間結(jié)構(gòu)發(fā)展迅速。例如，以北京奧運會、上海世博會等為契機，建造的大型體育場館的建設(shè)規(guī)模和技術(shù)水平在世界上都是領(lǐng)先的，也將成為我國空間結(jié)構(gòu)發(fā)展的里程碑。
3.大跨度空間結(jié)構(gòu)的形式及特點
3.1網(wǎng)架結(jié)構(gòu)
網(wǎng)架是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)。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)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、雙向大柱距車問等建筑的屋蓋。
3.1.1網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的種類
網(wǎng)架結(jié)構(gòu)種類甚多，可按小同的標準對其進行分類。根據(jù)網(wǎng)架本身的構(gòu)造可分為:單層網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、雙層網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、三層網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。根據(jù)組成方式小同，又可將網(wǎng)架分為四大類:交叉析架體系網(wǎng)架、三角錐體系網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、四角錐體系網(wǎng)架、六角錐體系網(wǎng)架。
3.1.2網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的特點
網(wǎng)架結(jié)構(gòu)也是一種常見的大跨度空間結(jié)構(gòu)。它具有剛度大、變形小、應(yīng)力分布均勻、能大幅度地減輕結(jié)構(gòu)自重、抗震性能好和節(jié)省材料等優(yōu)點。木材、鋼筋混凝土或鋼材都可以構(gòu)成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，具有多種多樣的形式，施工簡單，使用靈活方便，可滿足多種形式的建筑平面要求。
3.2薄殼結(jié)構(gòu)
殼，是一種曲面構(gòu)件，它受力較為復(fù)雜，主要通過殼體曲面?zhèn)鬟f(圖1)。薄殼結(jié)構(gòu)就是曲面的薄壁結(jié)構(gòu)，按曲面生成的形式分為筒殼、圓頂薄殼、雙曲扁殼和雙曲拋物面殼等，材料大都采用鋼筋和混凝土。薄殼結(jié)構(gòu)一般多采用鋼筋混凝土整體澆注而成，因而施工中耗用模板和腳手架較多，所需勞動力也較大。隨著高強度鋼材的廣泛使用和新型結(jié)構(gòu)的發(fā)展，薄殼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用近年有所減少。
3.2.1薄殼結(jié)構(gòu)的種類
薄殼結(jié)構(gòu)包括球殼、筒殼、雙曲扁殼和扭殼等多種形式。
3.2.2薄殼結(jié)構(gòu)的特點
殼體能充分利用材料強度，同時又能將承重與圍護兩種功能融合為一。實際工程中還可將空間曲面進行切削與組合，形成造型奇特新穎且能適應(yīng)各種平面的建筑。薄殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是可以把受到的壓力均勻地分散到殼體的各個部分，減少受到的壓力。
3.3網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)
網(wǎng)殼是一種與平板網(wǎng)架類似的空間桿系結(jié)構(gòu)，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)。
3.3.1網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的種類
網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)包括單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、肋環(huán)型索承網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、單層叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)等。
3.3.2網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的特點
網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)具有以下特點:
①網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)兼有桿件結(jié)構(gòu)和薄殼結(jié)構(gòu)的主要特性，受力合理，有較大的剛度，結(jié)構(gòu)變形小，穩(wěn)定性高，節(jié)省材料；
②建筑造型優(yōu)美；
③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；
④桿件單一，工業(yè)化預(yù)制生產(chǎn)，安裝簡便快速，適應(yīng)各種條件下采用的施工工藝，綜合經(jīng)濟指標較好；
⑤由于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)呈曲面形狀，形成了自然排水功能。
3.4膜結(jié)構(gòu)
膜結(jié)構(gòu)是20世紀中期發(fā)展起來的一種新型建筑結(jié)構(gòu)形式，膜結(jié)構(gòu)是由多種高強薄膜材料及加強構(gòu)件(鋼架、鋼柱或鋼索)通過一定方式使其內(nèi)部產(chǎn)生一定的預(yù)張應(yīng)力以形成某種空間形狀，作為覆蓋結(jié)構(gòu)，并能承受一定的外荷載作用的一種空間結(jié)構(gòu)形式。膜結(jié)構(gòu)已逐漸應(yīng)用于體育建筑、商場、展覽中心、交通服務(wù)設(shè)施等大跨度建筑中
3.4.1膜結(jié)構(gòu)的分類
按結(jié)構(gòu)可分為:支承式膜結(jié)構(gòu)、張拉式膜結(jié)構(gòu)、充氣式膜結(jié)構(gòu)。按支承條件分為:柔性支承結(jié)構(gòu)體系、剛性支承結(jié)構(gòu)體系、混合支承結(jié)構(gòu)體系
3.4.2膜結(jié)構(gòu)的特點
膜結(jié)構(gòu)具有以下特點:
①建筑造型優(yōu)美:②環(huán)保性:③透光性:④自清潔性: ⑤隔熱性⑥跨度丸⑦防火性與抗震性⑧施工周期短;⑨耐久性較差。
3.5懸索結(jié)構(gòu)
懸索結(jié)構(gòu)是以一系列受拉的索作為主要受力構(gòu)件，并將其按一定規(guī)律排列組成各種形式的體系后，懸掛到相應(yīng)的支承結(jié)構(gòu)上。懸索結(jié)構(gòu)通過索的軸向拉伸來抵抗外荷載作用，它可以最充分地利用材料的強度，大大減輕結(jié)構(gòu)自重，使得其在保證經(jīng)濟性的情況下具有較大的跨度。其代表建筑為日本東京代代木國立綜合體育館。
懸索結(jié)構(gòu)按受力狀態(tài)分成平面結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)。
平面懸索結(jié)構(gòu)，多用于懸索橋和架空管道。按結(jié)構(gòu)形式分為:①單層懸索結(jié)構(gòu);②加勁式單層懸索結(jié)構(gòu);③雙層懸索結(jié)構(gòu)。
空間懸索結(jié)構(gòu)，多用于大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)中。按結(jié)構(gòu)形式分為:①圓形單層懸索結(jié)構(gòu);②圓形雙層懸索結(jié)構(gòu);③雙向正交索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。
除上述懸索結(jié)構(gòu)外，工程中還常用斜拉索結(jié)構(gòu)，如斜拉橋和斜拉索屋蓋。
