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体育馆钢结构工程形式(体育场钢结构施工工艺)

阜新钢结构设计公司 2周前 ( 11-23 02:57 ) 6214 抢沙发
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本文目录一览:

大多数体育馆采用的建筑结构是?急~求相关资料!

通常是钢网架结构,主体部分为钢筋混凝土,而且一般会有超高支撑和预应力大梁。

北京鸟巢体育馆在建造上使用了什么结构

巢”外形结构主要由巨大的门式钢架组成体育馆钢结构工程形式,共有24根桁架柱体育馆钢结构工程形式,现已完成20根桁架柱整柱及2根下柱吊装。国家体育场建筑顶面呈鞍形,长轴为332.3米,短轴为296.4米,最高点高度为68.5米,最低点高度为42.8米。在保持“鸟巢”建筑风格不变的前提下,新设计方案对结构布局、构建截面形式、材料利用率等问题进行了较大幅度的调整与优化。原设计方案中的可开启屋顶被取消,屋顶开口扩大,并通过钢结构的优化大大减少了用钢量。大跨度屋盖支撑在24根桁架柱之上,柱距为37.96米。主桁架围绕屋盖中间的开口放射形布置,有22榀主桁架直通或接近直通。为了避免出现过于复杂的节点,少量主桁架在内环附近截断。钢结构大量采用由钢板焊接而成的箱形构件,交叉布置的主桁架与屋面及立面的次结构一起形成了“鸟巢”的特殊建筑造型。主看台部分采用钢筋混凝土框架一剪力墙结构体系,与大跨度钢结构完全脱开。

“鸟巢”是2008年北京奥运会主体育场。由2001年普利茨克奖获得者赫尔佐格、德梅隆与中国建筑师合作完成的巨型体育场设计,形态如同孕育生命的“巢”,它更像一个摇篮,

寄托着人类对未来的希望。设计者们对这个国家体育场没有做任何多余的处理,只是坦率地把结构暴露在外,因而自然形成了建筑的外观。

说起Q460钢材,大多数人可能都不了解。“鸟巢”结构设计奇特新颖,而这次搭建它的钢结构的Q460也有很多独到之处体育馆钢结构工程形式:Q460是一种低合金高强度钢,它在受力强度达到460兆帕时才会发生塑性变形,这个强度要比一般钢材大,因此生产难度很大。这是国内在建筑结构上首次使用Q460规格的钢材;而这次使用的钢板厚度达到110毫米,是以前绝无仅有的,在国家标准中,Q460的最大厚度也只是100毫米。以前这种钢一般从卢森堡、韩国、日本进口。为了给“鸟巢”提供“合身”的Q460,从2004年9月开始,河南舞阳特种钢厂的科研人员开始了长达半年多的科技攻关,前后3次试制终于获得成功。如今,为“鸟巢”准备的Q460钢材已经开始批量生产。2008年,400吨自主创新、具有知识产权的国产Q460钢材,将撑起“鸟巢”的铁骨钢筋。

 国家游泳中心又被称为“水立方”(Water Cube),位于北京奥林匹克公园内,是北京为2008年夏季奥运会修建的主游泳馆,也是2008年北京奥运会标志性建筑物之一。它的设计方案,是经全球设计竞赛产生的“水的立方”([H2O]3)方案。2003年12月24开工,在2008年1月28日竣工。其与国家体育场(俗称鸟巢)分列于北京城市中轴线北端的两侧,共同形成相对完整的北京历史文化名城形象。国家游泳中心规划建设用地62950平方米,总建筑面积65000-80000平方米,其中地下部分的建筑面积不少于15000平方米,长宽高分别为 177m × 177m × 30m。到目前,来自101个国家和地区的35万多港澳台同胞及海外侨胞共捐献了8.5亿人民币。其中郑裕彤、郑家纯父子及属下企业曾捐赠五千万元人民币。

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体育场馆钢结构为什么是滑移支座

钢结构底部滑动支座 钢连廊滑动支座作用及性能由于球形支座不再使用橡胶承压,不存在橡胶变硬或老化等不良响,因此特别适用于低地区。滑道道在墩底预先拼装,八块滑道钢板在钢板底部用钢筋焊接,滑道支用下外环筋和下内环筋焊接成整体,整体吊装至墩顶,若部分滑道支横杆与钢筋,可先将横杆临时截断,然后将滑道落在滑道定位钢板上。

是在球型支座的基础上逐步升华的产物。它们能够满足桥梁、建筑,尤其是钢结构工程对节点支座性能需要。球铰支座分为固定型,单向位移型和双向位移型三种形式。球铰支座是水平位置支座,在工作过程中,顶板位移箱和底板位移箱水平放置,其作用是铰接上下构件,释放钢结构主体的内应力。

一、支座的主要技术性能

1、能够承受竖向载荷;

2、具备相当的抗竖向拔力的性能,保证竖向受拔时上下结构不脱节,且能正常转角;

3、具备抗水平剪力的性能,保证水平受力时不脱落;

4、可满足水平位移要求;

5、可满足万向转动,万向承载;

6、支座材质为合金铸钢,充分满足工程寿命年限。

查资料,分析国家体育馆鸟巢 水立方 国家大剧 院钢结构分别属于哪种结构形式?

“鸟巢”外形结构主要由巨大体育馆钢结构工程形式的门式钢架组成,共有24根桁架柱。

拓展

“鸟巢”外形结构主要由巨大体育馆钢结构工程形式的门式钢架组成,共有24根桁架柱。国家体育场建筑顶面呈鞍形,长轴为332.3米,短轴为296.4米,最高点高度为68.5米。鸟巢是利用用体育馆钢结构工程形式了三角形体育馆钢结构工程形式的稳定性。

水立方其结构为“新型多面体空间钢架结构”。水立方是H20的3次方(没什么数学知识,主要是物理知识.)

大连市体育中心的场馆分类

大连体育中心总占地面积82万平方米,总建筑面积约55万平方米,拥有十大单体建筑,分别是体育场、体育馆、游泳馆、网球场、室内网球训练馆、棒球场、综合训练馆、室内田径馆、教育科研楼、媒体中心。另外,还包括足球、篮球、网球等运动训练场地和道路、管网、停车场等配套设施。 体育场占地面积13.5万平方米,建筑面积12万平方米,拥有6.1万个座位,能够承担田径、足球等奥运会赛事,同时兼顾城市大型活动功能。

体育场是大连体育中心体量最大的单体建筑,为单层大空间结构,共5层,按功能布局分为运动员区、竞赛管理区、新闻媒体区、贵宾区、观众区等。体育场外东西两侧还有两片训练场地,占地6万平方米。

体育场主体屋盖钢结构由68榀平面悬挑桁架和6道环向桁架组成环形空间结构体系,主体钢结构总用钢量为5300多吨,膜结构展开面积为60000平方米,另外,还有能容纳61000名观众的巨大看台。施工过程中,为了确保工程质量和工程进度,体育中心对体育场看台板、钢结构全部采取工厂预制、现场组装的模块化、产业化施工形式,这一施工理念和工艺受到了辽宁省建委领导的充分肯定,并被作为先进经验在全省范围内进行推广。

体育场与北京“水立方”一样,外表都采用了ETFE膜结构,比赛场地有着先进的渗水系统,即使暴雨倾盆,也不会有积水。 体育馆是大连体育中心整个建筑群的灵魂,占地面积9.5万平方米,建筑面积8.3万平方米,拥有1.8万个座位。体育馆设计施工以举办奥运会赛事要求为标准,能够承担篮球、排球、乒乓球、羽毛球、手球、体操、拳击、室内足球、冰上运动项目以及NBA赛事;同时还具备举办大型文娱活动的功能。场馆内除15000个固定座席外,还设有3000个可伸缩座席,包厢席、转播间、运动员热身区、地下停车场以及餐饮区等一应俱全。

体育馆建筑设计采用“弦支穹顶”结构体系,屋顶最高点高度为45米,横向跨度约116米,纵向跨度约145.4 米,且平面为不规则椭圆形,是目前世界最大跨度的弦支穹顶结构工程之一。据统计,体育馆屋盖钢结构工程基本构件总计达3万多个;为了达到百年工程的建筑要求,该工程所有焊缝全部为一级焊缝;经计算,该工程结构构件约由10多万个连接板,近2万多延米的一级焊缝组合而成。

采用多种新工艺、新技术,以达到最大限度的节能减排,是体育馆的环保特色。比如,在空调系统的设计中,采用排风全热回收、分层空调、座椅送风二次回风、低温地板辐射采暖等先进的供热与制冷系统,极大的降低场馆运行期间空调耗能;另外,体育馆屋盖采用的直立锁边系统、智能融雪系统,能很好的解决大型场馆屋面的排水问题。

体育馆可容纳1.8万名观众,是目前国内可容纳观众人数最多的体育馆之一。在体育馆建设过程中,为应对风灾,大连体育中心特地在哈工大做了严格的模拟实验,制作了1:10的模型;为了防止阵发性台风的破坏,还增加了铝单板的工艺;同时,如果在极端冰冻天气下,全市电网瘫痪,位于体育馆地下室的发电机会在极短时间内自动发电,以满足体育馆运行要求。

体育馆内如上演冰球比赛,经过36小时后就能满足NBA比赛要求,听起来有些匪夷所思的事情,完全可以在体育管理上演。在设计和建设过程中,体育馆被赋予了“三十六变”的能耐。而悬在比赛场地上空正中央的巨大四层“斗屏”,可以升降调节,全方位无死角的满足观众欣赏精彩赛事和演出的需求。 游泳馆占地面积5万平方米,建筑面积3.9万平方米,拥有4200个座位。游泳馆按功能布局分为比赛区、赛事管理区、运动员及随队官员区、新闻媒体区、裁判员区、观众区、后勤办公服务区、设备及辅助等区域。

游泳馆设有50米长10泳道标准游泳比赛池一个,标准跳水比赛池一个,50米长8泳道训练热身池一个。游泳馆能满足奥运赛事及世界级单项赛事的要求,可举办游泳、花样游泳、跳水和水球等比赛。

游泳馆整体建设及各项设施配置堪与北京的“水立方”相媲美,其电气化智能设备的技术水平在国内也居于领先地位。泳池水下监控可在比赛、训练时观察、记录和即时回放运动员水下动作;比赛池还安装有移动终点墙和专为残疾人运动员设置的电动入水器械等人性化设施。跳水池还设置气制波和水制波系统,以及国际先进的安全气垫系统,避免跳水运动员在训练中意外受伤。

游泳馆的水处理系统除配有常规的物理、化学过滤消毒系统净化水质外,还采用国际上最先进的生物净化系统,对水质进行无害化处理,环保水平达到国际标准。 2013年6月,第十二届全运会网球比赛,在大连体育中心网球中心举行。这是网球中心承办的首场高标准大赛。

网球场占地面积10万平方米,总建筑面积4.4万平方米,包括一个可容纳1万人的网球决赛场地、一座三片场地的室内网球训练馆、二个各容纳1000人的半决赛场地、八个预赛场地,六个训练场地,能够全天候承担世界顶级网球赛事。

网球中心的功能配置,不仅可以满足专业运动队和运动员在恶劣天气情况下进行室内训练的要求,同时考虑全民健身和非正规的室内网球比赛等多方位要求。 棒球场占地面积4万平方米,建筑面积1900平方米,拥有3015个观众座位,能够承担国际专业棒球赛事。举行垒球比赛时,棒球场地可以改造为一个标准垒球场。

棒球场体量小、功能全,实用性强,是一个集竞赛、训练为一体的综合性棒(垒)球场。 媒体中心占地面积2.2 万平方米,建筑面积7.8万平方米,不仅能够满足体育中心所有赛事新闻媒体转播、报道等功能需要,平时作为拥有400个房间的五星级酒店,还具备极强的接待功能。

北京奥运会的鸟巢和水立方采用钢结构,钢结构的框架有什么作用?有什么优点?作出解释。

钢结构的优点与缺点

和其它材料的结构相比体育馆钢结构工程形式,钢结构具有以下特点:

一、钢结构重量轻

钢结构的容重虽然较大,单与其它建筑材料相比,它的强度却高很多,因而当承受的荷载和条件相同时,钢结构要比其它结构轻,便于运输和安装,并可跨越更大的跨度。

二、钢材的塑性和韧性好

塑性好,使钢结构一般不会因为偶然超载或局部超载而突然断裂破坏。韧性好,则使钢结构对动力荷载的适应性较强。钢材的这些性能对钢结构的安全可靠提供体育馆钢结构工程形式了充分的保证

三、钢材更接近于匀质和各向同性体

钢材的内部组织比较均匀,非常接近匀质和各向同性体,在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的。这些性能和力学计算中的假定比较符合,所以钢结构的计算结果较符合实际的受力情况。

四、钢结构制造简便,易于采用工业化生产,施工安装周期短

钢结构由各种型材组成,制作简便。大量的钢结构都在专业化的金属结构制造厂中制造;精确度高。制成的构件运到现场拼装,采用螺栓连接,且结构轻,故施工方便,施工周期短。此外,已建成的钢结构也易于拆卸、加固或改造。

五、钢结构的密封性好

钢结构的气密性和水密性较好。

六、钢结构的耐热性好,但防火性能差

钢材耐热而不耐高温。随着温度的升高,强度就降低。当周围存在着辐射热,温度在150度以上时,就应采取遮挡措施。如果一旦发生火灾,结构温度达到500度以上时,就可能全部瞬时崩溃。为了提高钢结构的耐火等级,通常都用混凝土或砖把它包裹起来。

七、钢材易于锈蚀,应采取防护措施

钢材在潮湿环境中,特别是处于有腐蚀介质的环境中容易锈蚀,必须刷涂料或镀锌,而且在使用期间还应定期维护

********************还有体育馆钢结构工程形式你可以参考大空间结构的有点的论文************

一、概 述

在这实际的三维世界里,任何结构物本质上都是空间性质的,只不过出于简化设计和建造的目的,人们在许多场合把它们分解成一片片平面结构来进行构造和计算。与此同时,无法进行简单分解的真正意义上的空间体系也始终没有停止其自身的发展,而且日益显示出一般平面结构无法比拟的丰富多彩和创造潜力,体现出大自然的美丽和神奇。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。

近二十余年来,各种类型的大跨空间结构在美、日、欧等发达国家发展很快。建筑物的跨度和规模越来越大,目前,尺度达150m以上的超大规模建筑已非个别;结构形式丰富多彩,采用了许多新材料和新技术,发展了许多新的空间结构形式。例如 1975年建成的美国新奥尔良“超级穹顶”(Superdome),直径207m,长期被认为是世界上最大的球面网壳;现在这一地位已被1993年建成夏径为222m的日本福冈体育馆所取代,但后者更著名的特点是它的可开合性:它的球形屋盖由三块可旋转的扇形网壳组成,扇形沿圆周导轨移动,体育馆即可呈全封闭、开启1/3或开启2/3等不同状态。1983年建成的加拿大卡尔加里体育馆采用双曲抛物面索网屋盖,其圆形平面直径135m,它是为1988年冬季奥运会修建的,外形极为美观,迄今仍是世界上最大的索网结构。70年代以来,由于结构使用织物材料的改进,膜结构或索-膜结构(用索加强的膜结构)获得了发展,美国建造了许多规模很大的气承式索-膜结构;1988年东京建成的“后乐园”棒球馆,也采用这种结构技术尤为先进,其近似圆形平面的直径为204m;美国亚特兰大为1996年奥运会修建的“佐治亚穹顶”(Geogia Dome,1992年建成)采用新颖的整体张拉式索一膜结构,其准椭圆形平面的轮廓尺寸达192mX241m。许多宏伟而富有特色的大跨度建筑已成为当地的象征性标志和著名的人文景观。

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,例如有人设想将整个街区、整个广场、甚至整个山谷覆盖起来形成一个可人工控制气候的人聚环境或休闲环境;为了发掘和保护古代陵墓和重要古迹,也有人设想采用超大跨度结构物将其覆盖起来形成封闭的环境。目前某些发达国家正在进行尺度为300m以上的超大跨度空间结构的设计方案探讨。

可以这样说,大跨空间结构是最近三十多年来发展最快的结构形式。国际《空间结构》杂志主编马考夫斯基(Z.S.Makowski)说:在60年代“空间结构还被认为是一种兴趣但仍属陌生的非传统结构,然而今天已被全世界广泛接受。”从今天来看,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。

世界各国为大跨度空间结构的发展投入了大量的研究经费。例如,早在20年前美国土木工程学会曾组织了为期 10年的空间结构研究计划,投入经费 1550万美元。同一时期,西德由斯图加特大学主持组织了一个“大跨度空间结构综合研究计划”,每年研究经费100万马克以上。这些研究工作为各国大跨度建筑的蓬勃发展奠定了坚实的理论基础和技术条件。国际壳体和空间结构学会(IASS)每年定期举行年会和各种学术交流活动,是目前最受欢迎的著名学术团体之一。

体育馆钢结构工程形式我国大跨度空间结构的基础原来比较薄弱,但随着国家经济实力的增强和社会发展的需要,近十余年来也取得了比较迅猛的发展。工程实践的数量较多,空间结构的类型和形式逐渐趋向多样化,相应的理论研究和设计技术也逐步完善。以北京亚运会(1990)、哈尔滨冬季亚运会(1996)、上海八运会(1997)的许多体育建筑为代表的一系列大跨空间结构——作为我国建筑科技进步的某种象征在国内外都取得了一定影响。

种种迹象说明,我国虽然尚是一个发展中国家,但由于国大人多,随着国力的不断增强,要建造更多更大的体育、休闲、展览、航空港、机库等大空间和超大空间建筑物的需求十分旺盛,而且这种需求量在一定程度上可能超过许多发达国家。这是我国空间结构领域面临的巨大机遇。

但与国际先进水平相比,我国大跨空间结构的发展仍存在一定差距。主要表现在结构形式还比较拘谨,较少大胆创新之作,说明新颖的建筑构思与先进的结构创造之间尚缺乏理想的有机结合,尤其是150m以上的超大跨度空间结构的工程实践还比较少;结构类型相对地集中于网架和网壳结构,悬索结构用得比较少,而一些有巨大前景的新颖结构形式如膜结构和索-膜结构、整体张拉结构、可开合结构等在国外已有不少成功的工程实践,在我国则还处于空白或艰难起步阶段。情况看来是,我国空间结构的发展经过十余年来在较为平坦的草原上的驰骋之后,似乎遇上了一个需要努力跃上的新台阶。这一新台阶包含材料和生产条件等技术问题,也包含尚未很好解决的一些理论问题。为促进我国空间结构进一步的更高层次的发展,有待科技工作者和企业家努力创造条件,以求得这些技术问题和理论问题较快较好地解决。

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”(Cable Dome)实际上也是一种特殊形式的索-膜结构;混合结构(Hybrid Structure),通常是柔性构件和刚性构件的联合应用。

在上述各种空间结构类型中,钢筋混凝土薄壁结构在50年代后期及60年代前期在我国有所发展,当时建造过一些中等跨度的球面壳、柱面壳、双曲扁壳和扭壳,在理论研究方面还投入过许多力量,制定了相应的设计规程。但这种结构类型日前应用较少,主要原因可能是施工比较费时费事。平板网架和网壳结构,还包括一些未能单独归类的特殊形式,如折板式网架结构、多平面型网架结构、多层多跨框架式网架结构等,总起来可称为空间网格结构。这类结构在我国发展很快,且持续不衰。悬索结构、膜结构和索-膜结构等柔性体系均以张力来抵抗外荷载的作用,可总称为张力结构。这类结构富有发展前景。下面按这两个大类简要介绍我国空间结构的发展状况。

二、空间网格结构

网壳结构的出现早于平板网架结构。在国外,传统的肋环型穹顶已有一百多年历史,而第一个平板网架是1940年在德国建造的(采用Mero体系)。中国第一批具有现代意义的网壳是在50和60年代建造的,但数量不多。当时柱面网壳大多采用菱形“联方”网格体系,1956年建成的天津体育馆钢网壳(跨度52m)和l961年同济大学建成的钢筋混凝土网壳(跨度40m)可作为典型代表。球面网壳则主要采用助环型体系,1954年建成的重庆人民礼堂半球形穹顶(跨度46.32m)和1967年建成的郑州体育馆圆形钢屋盖(跨度64m)习能是仅有的两个规模较大的球面网壳。自此以后直到80年代初期,网壳结构在我国没有得到进一步的发展。

相对而言自第一个平板网架(上海师范学院球类房,31.5mx40.5m)于1964年建成以来,网架结构一直保持较好发展势头。1967年建成的首都体育馆采用斜放正交网架,其矩形平面尺寸为99mx112m,厚6m,采用型钢构件,高强螺栓连接,用钢指标65kg每平米(1kg每平米≈9.8pa)。1973年建成的上海万人体育馆采用圆形平面的三向网架净架110m,厚6m,采用圆钢管构件和焊接空心球结点,用钢指标47kg每平米。当时平板网架在国内还是全新的结构形式,这两个网架规模都比较大,即使从今天来看仍然具有代表性,因而对工程界产生了很大影响。在当时体育馆建设需求的激励下,国内各高校、研究机构和设计部门对这种新结构投入了许多力量,专业的制作和安装企业也逐渐成长,为这种结构的进一步发展打下了较坚实的基础。改革开放以来的十多年里是我国空间结构快速发展的黄金时期而平板网架结构就自然地处于捷足先登的优先地位。甚至80年代后期北京为迎接1990年亚运会兴建的一批体育建筑中,多数仍采用平板网架结构。在这一时期,网架结构的设计已普遍采用计算机,生产技术也获得很大进步,开始广泛采用装配式的螺栓球结点,大大加快了网架的安装。

但事物总是存在两个方面。在平板网架结构一枝独秀地加快发展的同时,随着经济和文化建设需求的扩大和人们对建筑欣赏品位的提高,在设计日益增多的各式各样大跨度建筑时,设计者越来越感觉到结构形式的选择余地有限,无法满足日益发展的对建筑功能和建筑造型多样化的要求。这种现实需求对网壳结构、悬索结构等多种空间结构形式的发展起了良好的刺激作用。由于网壳结构与网架结构的生产条件相同,国内已具备现成的基础,因而从80年代后半期起,当相应的理论储备和设计软件等条件初步完备,网壳结构就开始了在新的条件下的快速发展。建造数量逐年增加,各种形式的网壳,包括球面网壳、柱面网壳、鞍形网壳(或扭网壳)、双曲扁网壳和各种异形网壳,以及上述各种网壳的组合形式均得到了应用;还开发了预应力网受、斜拉网壳(用斜拉索加强网壳)等新的结构体系。近几年来建造了一些规模相当宏大的网壳结构。例如1994年建成的天津体育馆采用肋环斜杆型(Schwedler型)双层球面网壳,其圆形平面净跨108m,周边伸出13.5m,网壳厚度3m,采用圆钢管构件和焊接空心球结点,用钢指标55kg每平米。1995年建成的黑龙江省速滑馆用以覆盖400m速滑跑道,其巨大的双层网壳结构由中央柱面壳部分和两端半球壳部分组成,轮廓尺寸86.2mx191.2m,覆盖面积达15000平米,网壳厚度2.1m,采用圆钢管构件和螺栓球结点,用钢指标50kg每平米。1997年刚建成的长春万人体育馆平面呈桃核形,由肋环型球面网壳切去中央条形部分再拼合而成,体型巨大,如果将外伸支腿计算在内,轮廓尺寸达146mx191.7m,网壳厚度2.8m,其桁架式“网片”的上、下弦和腹杆一律采用方(矩形)钢管,焊接连接,是我国第一个方钢管网壳。这一网壳结构的设计方案是由国外提出的,施工图设计和制作安装由国内完成。

在网壳结构的应用日益扩大的同时,平板网架结构并未停止其自身的发展。这种目前来看已比较简单的结构有它自己广泛的使用范围,跨度不拘大小;而已近几年在一些重要领域扩大了应用范围。例如在机场维修机库方面,广州白云机场80m机库(199年)、成都机场 140m机库(1995年)、首都机场2Zmx150m机库(1996年)等大型机库都采用平板网架结构。这些三边支承的平板网架规模巨大,且需承受较重的悬挂荷载,常采用较重型的焊接型钢(或钢管)结构,有时需采用三层网架;其单位面积用钢指标可达到一般公用建筑所用网架的一倍或更多。单层工业厂房也是近几年来平板网架获得迅速发展的一个重要领域。为便于灵活安排生产工艺,厂房的柱网尺寸有日益扩大的趋向,这时平板网架结构就成为十分经济适用的理想结构方案。1991年建成的第一汽车制造厂高尔夫轿车安装车间面积近8万平米(189.2mx421.6m),柱网21mx12m,采用焊接球结点网架,用钢指标31kg每平米。该厂房是目前世界上面积最大的平板网架结构。1992年建成的天津无缝钢管厂加工车间面积为6万平米(108m x 564m),柱网36m x 18m,采用螺栓球结点网架,用钢指标32kg每平米,与传统的平面钢桁架方案比较,节省了47%。鉴于这类厂房的巨大圆积,它们确实为平板网架结构的发展提供了广阔的新领域。十分明显,包括网架和网壳在内的空间网格结构是我国近十余年来发展最快,应用最广的空间结构类型。这类结构体系整体刚度好,技术经济指标优越,可提供丰富的建筑造型,因而受到建设者和设计者的喜爱。我国网架企业的蓬勃发展也为这类结构提供了方便的生产条件。据估计,近几年我国每年建造的网架和网壳结构达800万平方米建筑面积,相应钢材用量约20万t。这么大的数字是任何其它国家无法比拟的,无愧于“网架王国”这一称号,难怪国外有关企业对这一巨大市场垂涎欲滴。

如此大的发展势头自然也会带采一些问题。与国际水平相比,我国目前网架生产的工艺水平和质量管理水平尚有一定距离。尤其是在市场需求带动下,大量小型网架企业雨后春笋般成立起来,难免良莠不齐,设计也非总由有经验人士担任。因而大力加强行业管理,切实把握住设计制作和安装质量,是促进我国空间结构进一步健康发展的重要课题。

三、张力结构

中国现代悬索结构的发展始于50年代后期和60年代,北京的工人体育馆和杭州的浙江人民体育馆是当时的两个代表作。北京工人体育馆建成于1961年,其圆形屋盖采用车辐式双层悬索体系,直径达94m。浙江人民体育馆建成于1967年,其屋盖为椭圆平面,长径80m,短径60m.采用双曲抛物面正交索网结构。

世界上最早的现代悬索屋盖是美国于1953年建成的Raleigh体育馆,采用以两个斜放的抛物线拱为边缘构件的鞍形正交索网。我国建造的上述两个悬索结构无论从规模大小或技术水平来看在当时都可以说是达到国际上较先进水平的。但此后我国悬索结构的发展停顿了较长一段时间,一直到80年代,由于大跨度建筑的发展而提出的对空间结构形式多样化的要求,这种形式丰富的轻型结构重新引起了人们的热情,工程实践的数量有较大增长,应用形式趋于多样化理论研究也相应地开展起来形势相当喜人。

柔性的悬索在自然状态下不仅没有刚度,其形状也是不确定的。必须采用敷设重屋面或施加预应力等措施,才能赋予一定的形状,成为在外荷作用下具有必要刚度和形状稳定性的结构。值得称道的是,我国的科技人员在学习和吸收国外先进经验的同时,在结合工程具体条件创造更加符合中国国情的结构应用形式方面做了不少尝试和创新。

例如,山东省淄博等地把悬索结构应用于中小型屋盖结构中,颇具特色。他们主要采用单层平行索系或伞形辐射索系加钢筋混凝土屋面板的构造方式。施工时先将屋面板挂在索上(使索正好位于板缝中),在板上临时加载使索伸长,然后在板缝中浇灌细石混凝土,待达到一定强度后卸去临时荷载,即形成具有一定预应力的“悬挂薄壳”。这种构造和施工方法不需要复杂的技术和设备,造价也比较低。

为了提高单层悬索的形状稳定性,在单层平行索系上设置横向加劲梁(或桁架)的办法也是十分有效的。横向加劲构件的作用有二:一是传递可能的集中荷载和局部荷载使之更均匀地分配到各根平行的索上;二是通过下压横向加劲构件的两端到预定位置或通过对索进行张拉使整个体系建立预应力,从而提高屋盖的刚度。从安徽体育馆等几个工程的实践来看这种混合结构体系施工方便,用料经济,是一种成功的创造。

由一系列承重索和曲率相反的稳定索组成的预应力双层索系,是解决悬索结构形状稳定性的另一种有效形式。其工作机理与预应力索网有类似之处。1966年瑞典工程师Jawerth首先在斯德哥尔摩滑冰馆采用由一对承重索和稳定索组成被称为“索桁架”的专利体系,其后这种平面双层索系在各国获得相当广泛刚用。我国无锡体育馆也采用了这种体系。作为对这种体系的改进,吉林滑冰馆采用了一种新型的空间双层索系,它的承重索与稳定索在不同一阵平面内,而是错开半个柱距,从而创造了新颖的建筑造型,而且很好地解决了矩形平面悬索屋盖通常遇到的屋面排水问题。这一新颖结构参加了1987年在美国举行的国际先进结构展览。

我国悬索结构发展的另一个特点是在许多工程中运用了各种组合手段。主要的方式是将两个以上预应力索网或其它悬索体系组合起来,并设置强大的拱或刚架等结构作为中间支承,形成各种形式的组合屋盖结构。例如四川省体育馆和青岛市体育馆的屋盖是由两片索网和作为中间支承的一对钢筋混凝土拱组合起来的。北京朝阳体育馆由两片索网和被称为“索拱体系”的中央支承结构组成。中央索拱体系由两条悬索和两个钢拱组成,本身是一种混合结构,其概念也具有创新意义。采用各种组合式屋盖不仅进一步丰富了建筑造型,而且往往能更好地满足某些建筑功能上的要求,例如为体育馆建筑提供了“最优”的内部空间。单纯从技术经济角度,单片索网或其它悬索体系可以经济地跨越很大的跨度,本非必须采用中间支承结构。所以,采用组合式屋盖在很多场合毋宁说主要是出于建筑造型和使用功能方面的考虑。从我国这几年的实践效果来看,它在这方面是起到了预期作用的。

将斜拉体系引用到屋盖结构中来,可形成一系列混合结构形式。这种体系利用由塔柱顶端伸出的斜拉索为屋盖的横跨结构(主梁、桁架、平板网架等)提供了一系列中间弹性支承,使这些横跨结构不需靠增大结构高度和构件截面即能跨越很大的跨度。前面提到的斜拉网壳也属于这类混合结构。

尽管十余年来悬索结构取得了可喜的发展,但与网架和网壳结构比较其发展相对较慢,分析起来可能有两方面的原因:(1)悬索结构的设计计算理论相对复杂一些,又缺少具有较高商品化程度的实用计算程序,因而难于为一般设计单位普遇采用;(2)尽管悬索结构的施工并不复杂,但一般施工单位对它不够熟悉,更没有形成专业的悬索结构施工队伍,这也影响建设单位和设计单位大胆采用这种结构形式。

与此同时,同属于张力结构体系、在国外应用很广的膜结构或索-膜结构在我国则处于艰难起步阶段。除了设计理论储备和生产条件方面的原因外,缺少符合建筑要求的国产膜材是一个主要的制约因素。从国外情况看,1970年大阪万国博览会上的美国馆采用气承式膜结构(俗称充气结构),首次使用以聚氯乙烯(PVC)为涂层的玻璃纤维织物,受到广泛注意,其准椭圆平面的轴线尺寸达14Om x 835m,一般认为是第一个现代意义的大跨度膜结构。70年代初杜邦公司开发出以聚四氟乙烯(PTFE,商品名称Teflon)为涂层的玻璃纤维织物,这种膜材强度高,耐火性、自洁性和耐久性均好,为膜结构的应用起到了积极推动作用。从那时起到1984年,美国建造了一批尺度为138m-235m的体育馆,均采用气承式索-膜结构,取得了极佳的技术经济效果。但这种结构体系也出现了一些问题,主要是田于意外漏气或气压控制系统不稳定而使屋面下瘪,或由于暴风雪天气在屋面形成局部雪兜而热空气融雪系统又效能不足导致屋面下瘪甚至事故。这些问题使人们对气承式膜结构的前途产生怀疑,美国自1985年以后在建造大型体育馆时没有再使用这种结构形式。人们把更多的注意力转到张拉式的膜结构或索-膜结构。但如前面所提,日本在1988年建成的东京后乐园棒球馆仍然采用气承式索-膜结构,不过应用了极为先进的自动控制技术,而且采用双层膜结构,中间可通热空气融雪;中央计算机自动监测风速、雪压、室内气压、膜和索的变形及内力,并自动选择最佳方法来控制室内气压和消除积雪。

张拉式膜(或索-膜)结构自80年代以来在发达国家获得极大发展。这种体系与索网结构类似,张紧在刚性或柔性边缘构件上,或通过特殊构造支承在若干独立支点上,通过张拉建立预应力,并获得确定形状。1985年建成的沙特阿拉伯利雅得体育场外径288m,其看台挑蓬由24个连在一起的形状相同的单支柱帐篷式膜结构单元组成。每个单元悬挂于中央支柱,外缘通过边缘索张紧在若干独立的锚固装置上,内缘则蹦紧在直径为133m的中央环索上。1993年建成的美国丹佛国际机场候机大厅采用完全封闭的张拉式膜结构平面尺寸305mx67m,由17个连成一排的双支柱帐篷式单元组成,每个长条形的单元由相距45.7m的两根支柱撑起。这两个工程是比较典型的大型张拉式膜结构的例子。另外还有一类骨架支承式膜结构。例如日本秋田县的“天穹”(Sky dome)是一个切去两边的球面穹顶(D=130m),其主要承重结构是一系列平行的格构式钢拱架,蒙以膜材后,用设在两拱中间的钢索向下拉紧,并在屋面上形成V形排水(雪)沟槽。这种骨架是支承式膜结构的例子也是很多的。然而由美国工程师Geiger根据Fuller的张拉集合体(Tensegrity)概念发展起来的所谓“索穹顶”(Cable Dome),也许是近10年来最为脍炙人口的一种新颖张拉体系。Tensegrity原是指由连续的拉杆与分散的压杆组成的自平衡体系,其指导思想是充分发挥杆件的受拉作用。然而严格意义上的Tensegrity体系未能在工程中实现。Geiger进行了适当改造,提出了支承在圆形刚件周边构件上的预应力拉索-压杆体系,索沿辐射方向布置,并利用膜材作为屋面,他称之为“索穹顶”,并首先用于1988年汉城奥运会的两个体育馆工程。美国的Levy进一步发展这种体系,改用联方形拉索网格,使屋面膜单元呈菱形的双曲抛物面形状,并用于1996年亚特兰大奥运会体育馆,其平面呈准椭圆形,尺寸达24lmx192m。这类张拉式索-压杆-膜体系,重量极轻,安装方便,在大跨度和超大跨度建筑中极具应用前景。

与世界先进水平相比,中国在膜结构方面的差距是十分明显的。几年来在理论研究方面做了不少工作,应该说已建立起一定的理论储备。在膜结构应用方面近年来也开始呈现比较活泼的势头。上海为迎接八运会于1997年建成的体育场其看台挑篷采用钢骨架支承的膜结构,总覆盖面积36100平米,是我国首次在大型建筑上采用膜结构;但所用膜材是进口的,施工安装也由外国公司进行,价格较昂贵。值得指出的是,中国已出现了专门从事膜结构制作与安装的企业,他们已兴建了几个较小型的膜结构。国产膜材的质量也正在改进。各种迹象表明,膜结构这一族富有潜力的大跨空间结构新成员在我国的发展已露出桅尖。

四、理论研究

(1)空间结构的应用是同相应的理论研究同步发展的。应该说我们在空间结构理论研究大面做了许多工作。主要研究内容偏重于静力作用下的结构性状和分析方法,以满足一般设计工作的要求为主要目标。这些研究为我国空间结构的发展提供了基本的理论支持。早期的工作偏重于以连续化理论为基础的各种解析方法的研究,例如平板网架的拟板解法、网壳的拟壳解法;悬索结构在荷载作用下要产生较大位移,因而计算中应考虑几何非线性,当时发展了一系列适用于不同形式悬索结构的考虑大位移的解析方法。在一段时期内,当计算机尚未广泛运用于结构计算以前,各种解析方法曾对空间结构的发展起过重要作用,但解析方法终究有其局限性,它们具有不同程度的近似性,而且往往仅适用于某些特定的结构形式。

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