关键词：大跨度 空间结构 网架结构 网壳结构
随着科学技术的发展,各学科日益进步,为了满足人们居住环境和社会活动的需要,我们人类需要更宽阔更大的覆盖空间,例如大型购物商场,集会场所,体育场馆,火车站,飞机场等等,要求大跨度,可达几百米甚至更大。然而我们所熟知的平面结构刚架、桁架、梁柱等结构形式都难以满足大跨度的需要,解决这一问题就需要大跨度空间结构。
一、大跨度空间结构的概念
建筑结构的形成体成三维空间状,并具有三维受力特性,呈立体工作状态的结构称为空间结构。大跨空间结构是最近三十多年来发展最快的结构形式。结构的类型和形式十分丰富多彩。从理论上分析,所有的结构设计无论跨度大小都是基于相同的基本概念,但是在实践过程中,控制小跨度结构的尺寸基本都是根据通用的最小尺寸和其他非结构的要求来确定,所以这种结构往往可以通过观察和对比一些现有建筑来进行设计,并且只是由一些平直构件组成,无需精细的分析。然而当处理大跨度结构时,恒载、强度和尺寸大小之间的关系就变成了关键之所在,为了获得安全、经济及艺术效果的种种需求,设计必须非常合理。
二、大跨度空间结构的类型及特点
1.拱形结构和悬索结构
赵州桥是一座典型的拱桥,也就是拱形结构。有史以来人们一直在想方设法来用拱形结构跨越远距离,其主要原因是拱只需要能抗压的材料,而大量的石材或土砖这样的材料早期就已经被普遍地利用,再后来又逐渐发展成应用烧结砖、混凝土和钢材。
悬索是拱肋的反向,其利用的材料是处于受拉状态,当材料适合于抗拉时,采用悬索结构体系来替代拱形结构体系往往比较经济。
上述情况属于大跨度结构,但并非三维空间结构体系,但是它们为下面的大跨度空间结构打下了良好基础。
2.刚性空间结构
网架结构是受力杆件通过节点有机结合起来的一种空间杆件体系,杆件主要承受轴力作用,节点一般为铰接,杆件截面尺寸相对较小,这些空间交会的杆件互为支撑,将受力杆件与支撑系统有机地结合起来从而用料经济。网架结构一般属于高次超静定结构,具有较高的安全储备,对于集中荷载、动力荷载和非对称荷载有较好的承受能力,抗震性能良好,能够适应不同跨度、不同支承条件的公共建筑和厂房的要求,也能适应不同建筑平面及组合。
网壳结构就整体而言是一个受弯的平板,反映了很多平面结构的特性,网壳结构以其合理的受力形态,成为较为优越的结构体系,可以说它不仅仅依赖材料本身的强度,而且以曲面造型改变结构的受力,成为以薄膜内力为主要受力模式的结构形态,跨越更大跨度。大跨度的网架设计对沿跨度方向的网架刚度要求很大,因为总弯矩基本上是随着跨度二次方增长的,因此,只有增加材料的用量才能满足大跨度平板网架的需要。网壳结构则主要承受薄膜内力的壳体,主要以其合理的形体来抵抗外载荷的作用。因此在一般情况下,同等条件特别是大跨度的情况下,网壳要比网架节约许多钢材。
3.柔性空间结构
悬索结构通过索的轴向拉伸来抵抗外载荷作用,这些索的材料一般是以高强度钢丝组成的钢绞线、钢丝绳或钢丝束等等,钢索的抗拉强度得以充分的利用,结构自重大大的减轻了。据研究,当跨度不超过150m时,每1平方米的屋盖的钢索用量一般小于10kg。索结构便于表现结构造型,适用不同的建筑平面。特别是钢索与其他材料或与其他结构形式组合,形成空间结构新的增长点,大大丰富了空间结构范畴,如近10年来发展起来的索膜结构、张拉整体结构、索桁结构等。美国的金门大桥、日本明石海峡大桥、中国的江阴大桥都是悬索结构,从20世纪50年代到现在,悬索结构的应用得到了较大发展。
大跨度空间结构,总是那样的宏伟壮丽,吸引着建筑设计师,给结构工程师巨大的挑战。就当前世界大跨度空间结构形式而言,我们已经探索了很久,也取得很大的进步,世界各地的宏伟建筑,无不体现了大跨度空间结构给人们带来的惊喜和震撼。然而对于它的研究和设计,我们还是要从最基本的概念开始,不断地从所见所闻和工作中学习,慢慢地掌握设计技巧并付诸设计实践,才能面对更大更宏伟的大跨度空间结构的设计挑战。
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