空間結構新分類,實現(xiàn)大跨度鋼屋蓋輕量化

        作者:王仕統(tǒng)    
        時間:2009-12-22 20:26:03 [收藏]
        鋼結構行業(yè)包括設計與施工(制造、安裝)。設計的好壞,直接關系到節(jié)能和施工的艱難程度。改革開放以來,我國鋼結構被迫自主創(chuàng)新:高強鋼(Q460)厚板(130mm)的焊接和重件(600t~800t)吊裝技術等都取得了巨大成功
          鋼結構行業(yè)包括設計與施工(制造、安裝)。設計的好壞,直接關系到節(jié)能和施工的艱難程度。改革開放以來,我國鋼結構被迫自主創(chuàng)新:高強鋼(Q460)厚板(130mm)的焊接和重件(600t~800t)吊裝技術等都取得了巨大成功。為此,我們必須首先向鋼結構施工戰(zhàn)線上的工程技術人員和工人們的艱辛勞動表示崇高的敬意!說明中國人民是一個“一不怕苦,二不怕死”的民族,中國人沒有干不了的事情!但是也必須清楚的看到,當前,我國大跨度輕屋面鋼屋蓋的重量也實在太笨重了,一是說明建筑工程設計人員的設計素質有待提高,二是說明建筑、結構的方案選擇有問題,不滿足力學、結構原理。本文提出的空間結構新分類,就試圖談談這個問題。
          1. 一、二、三維結構傳力體系
          圖1所示最熟悉RC結構的一、二、三維結構傳力體系??梢?,梁、板為彎矩結構(Moment-Resisting Structures),殼體主要為軸力結構(Axial Force-Resisting Structures)——屋蓋空間結構。由圖1c所示,雖然扁殼的跨度為梁、板結構的10倍,然而,扁殼的厚度h仍比梁、板厚度小得多??梢姡萆w空間結構是一種由于形狀而產生效益的結構,因此它又叫形效結構(Formative Structures)。自然界中的生物為生存而斗爭,創(chuàng)造了許許多多安全、輕巧、適用、美觀的空間結構,如貝殼——薄殼結構(圖2a);蜂?——網(wǎng)格結構(圖2b);蜘蛛網(wǎng)——索網(wǎng)結構(圖2c);肥皂泡——充氣結構(圖2d)等。因此,屋蓋空間結構又被稱為仿生結構(Bionics)??上攵羯锝Y構笨重之極,不減肥,如何生存?!


          由于空間結構的科技含量較高,在進行結構分析和設計時,要求結構工程師具有比一般結構分析更高的力學、數(shù)學功底。世界各國對屋蓋空間結構的研究和發(fā)展極為重視,如世界奧運會、國際博覽會、大會 堂和飛機庫等大跨度屋蓋,都力爭采用屋蓋空間結構,展示該國先進的科學技術。隨著現(xiàn)代鋼材和現(xiàn)代計算技術的高新化、社會生活和生產的不斷進步,唯有屋蓋空間結構才能實現(xiàn)結構用料最少,輕盈地跨越大空間,可以說,屋蓋空間結構的研究和應用水平是衡量一個國家建筑科技水平高低的重要標志之一。
          由上可見,屋蓋空間結構具有三大特點——曲面空間狀(有封閉邊緣構件)、三維軸向傳力、用料很經(jīng)濟。圖3所示六個屋蓋空間結構,其中圖3a、b所示兩個 RC薄殼屋蓋:北京網(wǎng)球館和法國巴黎國家工業(yè)技術展覽中心(1959)。它們的跨厚比L / h比雞蛋殼的 =40mm/0.4mm=100倍還要大得多,說明人類大腦智慧的巨大創(chuàng)造力。圖3c所示,世界第一個具有現(xiàn)代競技的大跨度扭索網(wǎng)結構(1952年),用鋼量30?/?。圖3d、e為準張拉整體體系,即準Tensegrity,它是當今世界公認的大跨度屋蓋空間結構用鋼量最少、科技含量最高的結構之一。

          文獻[4]P267指出:“對于跨度超過100英尺(100×12×0.0254m=30.48m)的結構,用拱、懸索和薄殼等形式的曲線型構件所構成的結構體系往往要比較經(jīng)濟”。作者認為:大跨度輕屋面屋蓋的結構方案應首選屋蓋空間結構。然而,北京中軸線的三個大跨度屋蓋結構——鳥巢“Bride’s Nest”(無序就是藝術)、國家體育館和“水立方”(水泡理論),均未采用屋蓋空間結構(軸力結構)。它們的結構形式如圖4所示。
          國家游泳中心“水立方”[5](The National Swimming Center “Water Cube”,澳大利亞PTW建筑事務所中標,圖4c)。立方尺寸:176.5389m×176.5389m×29.3786m其中:比賽大廳平面:126m×117m,屋蓋厚度: =7.211m (與平板網(wǎng)架的厚度取值一致:h=(117m/18~117m/15=6.5m-7.8m),墻體厚度3.472m和5.876m。根據(jù)Kelvin“泡沫”(“Foam”)理論命題:將三維空間分為若干小部分,要求每個小部分的體積相同,且接觸面積最小,這些小部分應該是什么形狀?“水立方”由6個14面體和2個12面體合成的基本單元體,經(jīng)旋轉、切割等復雜計算后成為屋蓋和墻體結構,這種形而上學的所謂泡沫理論命題與結構原理毫無共同之處,是簡單問題復雜化(設計與施工)的花錢結構,其受力本質仍然是雙向彎曲的平板網(wǎng)架。若按平板網(wǎng)架設計,用“泡沫”單元體裝修,則可節(jié)約大量的鋼材、膜材和施工費用等,且便于單元體折換和清洗。只有這樣,才符合黨的十七大精神:科學發(fā)展、降低消耗、又好又快。文獻[6]認為:最“簡單”的結構往往是一個“最好”的結構,本人對此也有相同的觀點[7]。

          2.結構的演變和屋蓋空間結構的分類(表1、圖6)
          圖5可見,對中、小跨度的屋蓋結構來說,選擇彎矩結構是理所當然的,為了提高結構的承載力和剛度,采用“材料遠離中和軸”原則和“格構化”原則等,是為聰明之舉,即通道1(Path 1)設計大跨度屋蓋結構必須經(jīng)過通道2、3演變,發(fā)揮結構工程師結構選型的力學智慧,選出屋蓋空間結構的最優(yōu)方案(三維軸向短程傳力)。



          3.小結
          鋼結構的三大主要優(yōu)點是:最輕的結構、最好的延性和最短的工期,這些優(yōu)點導致最優(yōu)的結構抗震性能。因此,在大跨度鋼屋蓋和超高層鋼結構中,先進國家大量采用鋼結構,并能基本上實現(xiàn)了以上三個優(yōu)點。為了實現(xiàn)鋼結構的優(yōu)勢,設計水平是個關鍵,而精心設計的第1步就是正確選擇結構方案(概念設計)[11][12],否則,“設計”出來的結構不僅笨重、浪費鋼材、也直接導致十分艱難的施工,造成財力和人力的巨大浪費。設計是硬道理,“硬”設計就沒有道理[7]。硬道理在哪里?就是利用力學準則正確選擇結構方案。選錯方案,優(yōu)化是無用的。因此,本人提出空間結構新分類,并強調:為了實現(xiàn)大跨度屋蓋結構輕量化,必須力爭采用屋蓋空間結構。

          參考文獻
          [1] [日] Masao Saitoh(齋藤公男),Hybrid Form-Resistance Structure,Shell、Membrane and Space Frames, Proceeding IASS Symposium, Osake(大阪),1986,Vol.2.PP.257-264
          [2] 沈世釗、徐崇寶、趙 臣、武 岳,懸索結構設計(第二版),中國建筑工業(yè)出版社,2006年1月
          [3] 劉錫良,現(xiàn)代空間結構,天津大學出版社,2003年6月
          [4] [美]T. Y. Lin(林同炎)、S. D. Stotesbury(斯多臺斯伯利)著,高立人、方鄂華、錢稼茹譯,結構概念和體系(第二版),Structural Concepts and Systems for Architects and Engineers(Second Edition, 1988),中國建筑工業(yè)出版社,1999年
          [5] 傅學怡、顧 磊、楊先橋、余衛(wèi)江,國家游泳中心“水立方”結構設計優(yōu)化,建筑結構學報,2005年第6期
          [6] 錢若軍、楊聯(lián)萍,張力結構的分析、設計與施工,東南大學出版社,2003年9月
          [7] 中國工程院土木水利與建筑學部、中國土木工程學會、中國建筑學會,我國大型建筑工程設計的發(fā)展方向,工程科技論壇文集,2005年5月27日北京
          [8] 董石麟、陳興剛,鳥巢形網(wǎng)架的構形、受力特性和簡化計算方法,建筑結構,2003年第10期
          [9] 范 重、劉先明、范學偉、胡天兵、王 ?,國家體育場鋼結構設計中的優(yōu)化技術,第五屆全國現(xiàn)代結構工程學術研討會(工業(yè)建筑,2005年增刊)
          [10]楊 郡、王 更、成會斌、崔 嵬、秦 杰,國家體育館雙向張弦鋼屋蓋施工技術,施工技術,2006年11月第35卷增刊
          [11]王仕統(tǒng),淺談鋼結構的精心設計(特邀報告),第三屆全國現(xiàn)代結構工程學術研討會論文集(工業(yè)建筑2003年增刊)
          [12]王仕統(tǒng),衡量大跨度空間結構優(yōu)劣的五個指標,空間結構,2003年3月第1期
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