大跨度空间钢结构的应用与发展

1、大跨度空间钢结构的应用与发展摘要本文阐述了我国大跨度空间钢结构应用与发展的基本情况。根据我国网架、网壳、管桁结构等大跨空间钢结构获得广泛应用的实际情况，将其归结为结构形式多样化，结构新材料应用拓展，现代预应力技术的引入等特点，通过对典型大跨度空间钢结构工程实例的分析，正确认识与理解大跨度建筑结构形式的选择。最后本文展望了二十一世纪的大跨度空间钢结构。关键词大跨度结构；空间钢结构；预应力钢结构；应用与发展；展望正文近年来，随着经济、文化的飞速发展及空间结构的形式多样化，大跨度钢结构的发展非常迅猛，并已广泛地应用于文化体育场馆、会议展览中心、机场候机厅、歌剧院等大型公共建筑以及不同类型的重型工业建

2、筑中。一、大跨度结构系指跨度等于或大于60m的结构，而本文所指的大跨度空间钢结构主要是指网架、网壳结构及其组合结构(两种或两种以上不同建筑材料组成)和杂交结构(两种或两种以上不同结构形式构成)大跨度空间钢结构包括有大跨度、大面积网架结构、大跨度、大悬臂网壳结构、组合网架结构、组合网壳结构、预应力网架与网壳结构、斜拉网架与网壳结构、铝合金、不锈钢等材料的网架与网壳结构、特种网架与网壳结构等。这是一类结构受力合理、刚度大、重量轻、杆件单一、制作安装方便的空间结构体系。它不仅可用于屋盖结构，而且可用于楼层结构、墙体结构和特种结构。二、大跨度预应力钢结构大跨度预应力钢结构是由高强度、抗腐蚀、抗疲劳钢索

3、与各种形式空间钢结构组合而成的一种新型结构形式，将柔性的钢索与刚性的钢结构完美地融合到一起，为建筑师提供了既实用又经济的覆盖大面积、大空间的建设手段。这一类结构受力合理、刚度大、重量轻,制作安装也比较方便,在近十多年来得到开发与发展,并在大跨度、大柱网的公共与工业建筑中得到应用,且受到国内外科技界和工程界的关注和重视,其推广应用和发展前景是无比广阔的。采用预应力技术于大跨度空间钢结构具有如下的特色和优势.可以改变结构的受力状态,满足设计人员所要求的结构刚度、内力分布和位移控制.通过预应力技术可以构成新的结构体系和结构形态(形式),如索穹顶结构等.可以说,没有预应力技术,就没有索穹顶结构.预应力

4、技术可以作为预制构件(单元杆件或组合构件)装配的手段,从而形成一种新型的结构,如弓式预应力钢结构.采用预应力技术后,或可组成一种杂交的空间结构,或可构成一种全新的空间结构,其结构的用钢指标比原结构或一般结构可大幅度的降低,具有明显的技术经济效益.1、国家体育场工程实例分析、工程概况被称作“第四代体育馆”的“鸟巢”国家体育场是2008年北京奥运会的标志性建筑，她位于北京北四环边，包含在奥林匹克国家森林公园之中，主体建筑紧邻北京城市中轴线，并与国家体育馆和国家游泳中心相对于中轴线均衡布置。占地面积20.4万平米，总建筑面积25.8万平米，拥有9.1万个固定座位，内设餐厅、运动员休息室、更衣室等。2

5、008年奥运会期间，承担开幕式、闭幕式、田径比赛、男子足球决赛等赛事活动。该工程总投资4.5亿美元，是全球目前投资最大的建筑物，也是迄今为止世界上最具现代化和人性化的体育场馆。“鸟巢”因其主体由一系列辐射式的钢结构旋转而成，外型酷似鸟巢而得名。其建筑顶面呈马鞍型，长轴为332.3米,短轴为297.3米。最高点高度为68.5m,最低高度为40.1m。屋盖中间开洞长度为185.3m，宽度为127.5m。主要由48榀主桁架围绕屋盖中间的开口放射型布置而成，主桁架与顶面及立面杂乱无章的次结构一起形成了“鸟巢”的特殊建筑造型，大跨度空间钢屋盖支撑在周边的24根桁架柱之上，并将荷载传至基础。为达到预定的视

6、觉效果，编织鸟巢用的杆件均为箱型构件。主体框架建成之后，在“鸟巢”顶部的网架结构外表面将贴上一层乳白色半透明聚四氟乙烯(ETFE)的充气塑膜，使用这种膜后，阳光不是直射，而是通过漫反射进入到体育场内，使光线更柔和，由此形成的漫射光还可解决场内草坪的维护问题，同时也起到为场内座位遮风挡雨的功能、预应力作为一项新技术，得到充分应用，涌现了索穹顶、张拉整体结构和索膜结构等新型结构形式。奥运会羽毛球馆(北京工业大学体育馆)采用了世界跨度最大的弦支穹顶结构；国家体育馆采用了世界跨度最大的双向张弦梁结构。据承揽所有奥运场馆中大跨度预应力钢结构分项设计、施工和监测的北京建工集团建筑工程研究院副院长张然介绍，

7、大跨度预应力钢结构是由高强度、抗腐蚀、抗疲劳钢索与各种形式空间钢结构组合而成的一种新型结构形式，将柔性的钢索与刚性的钢结构完美地融合到一起，为建筑师提供了既实用又经济的覆盖大面积、大空间的建设手段，深得他们的青睐，北京2008年奥运会共有7个场馆采用了这种结构。弦支穹顶“变脸”不易。93米世界最大跨度、外圈环向索预应力张拉值250吨、屋盖钢结构起拱值110多毫米，奥运羽毛球馆的设计施工难度世界罕见。该工程采取了弦支穹顶钢结构体系，主要是由单层网壳、撑杆及预应力拉索构成。其中的预应力拉索是这个工程的最大特色和难点。由于屋盖庞大、结构复杂，环向索的张拉过程异常艰难。第一个难点是如何在张拉后保持撑杆

8、的垂直。建研院凭借雄厚的计算优势，在仿真模拟中对受力进行精确的分析，并用以指导工程；二是由于跨度大，单根索预应力张拉值最大达到250吨(世界最大双向张弦结构的国家体育馆单项索预应力张拉值为120吨)，施工风险很大。设计人员根据张拉情况配备了液压千斤顶等先进设备，同时由机械工程师对配套的张拉设备进行了专门设计，解决了这一难题；三是柔性形态的控制。由于结构最终经张拉起拱脱离支撑胎架，施工安全性受到挑战。设计人员因此布置了50多个监测点对拉索、撑杆和钢结构应力进行监控，并对结构变形进行监控，以保证安全和结构质量。双向张弦桁架“舒展筋骨”国家体育馆钢屋架结构形式为“单曲面双向张弦桁架预应力钢结构”，主

9、馆南北长144.5米，东西宽114米，其跨度为双向张弦桁架预应力钢结构的世界之最。国家体育馆整个钢屋架工程由14榀桁架组成，总用钢量2800吨，如何完成如此巨大规模的预应力钢结构设计和施工着实让建研院预应力的工程师们犯了难。经过26次方案论证和优化，设计人员最终确定了单榀高空分段组装、穿索预紧、累计滑移、预应力张拉的新技术安装施工。通俗地说，就是将桁架先在高空组装完成，再穿进钢索“绷上劲”，然后通过一条纵贯东西的滑轨分批将它们从东边滑到西边去，最后整体张拉，这样可以大大降低施工的成本。2、国家大剧院工程实例分析中国国家大剧院座落于天安门广场的西南侧，其东面与人民大会堂为邻，北面与中南海相望，位

10、置显要。国家大剧院主体建筑由外部围护结构和内部歌剧院、音乐厅、戏剧场和公共大厅及配套用房组成。外部围护结构为钢结构壳体，呈半椭球形，其东西长轴为212.20米，南北短轴为143.64米，建筑总高度为46.285米，地下最深处为-32.50米。椭球形屋面主要采用钛金属板，中部为渐开式玻璃幕墙。主体建筑外环绕人工湖，湖面面积达35500平方米,北侧主入口为80米长的水下长廊，南侧入口和其它通道也均设在水下。国家大剧院主体建筑钢结构椭球体壳体（以下简称:壳体）为一超大空间壳体，东西长约212m,南北约144m,高约46m。整个钢壳体由顶环梁、梁架构成骨架;梁架之间由连杆、斜撑连接。工程建筑等级为特级

11、，结构设计使用寿命为100年，结构形式为框架剪力墙结构，椭圆形屋顶采用钢结构壳体，内部无支点。椭球形壳体结构由钢筋混凝土环梁支撑，钢结构壳体外饰为钛板，中部安装玻璃。顶环梁通长采用ei117.6-25.4THK钢管，中间矩形框采用矩形箱型梁。整个顶环梁长约60m，宽约38m。顶环梁半圆区内搁栅呈放射状分布;矩形框内南北向搁栅采用60m钢板梁，东西向采用巾194钢管，搁栅呈网格状分布。整个顶环梁总重约7O0t。梁架分为A类（短轴梁架）、B（长轴梁架）;A类梁架采用60mm厚钢板制作，B类梁架采用上下翼缘不等的焊接H型钢。A类梁架共46榀，B类梁架共102榀。斜撑及连杆均采用钢管;短轴梁架之间连杆

12、节点采用铸钢节点连接，长轴梁架连杆采用钢套筒连接。结构特点如下:（I）该壳体为一超大型空间结构，结构体量大。整个结构待壳体完全形成后，方为稳定的空间结构，所以保证施工阶段的结构稳定至关重要;（2）该壳体为非正椭圆球体，且壳体内外两球面的椭圆方程并不一样，因而施工中平面、空间定位测量的难度颇大;（3）壳体的主要结构体一梁架（尤其是短轴梁架,侧向厚度仅为60mm）平面外刚度极差,因而构件的起扳、搬运、起吊难度颇大;梁架呈中心对称辐射状布置，因而每种同类构件最多只有四件，对构件的制作放样及安装顺序要求颇高。由法国ADP公司著名建筑师安德鲁先生设计的国家大剧院，由一组顶环梁、148榀弧形梁架和内外各4

13、2道环杆组成，重逾6000t。巨大的穹顶内部没有一根立柱，却包含着歌剧院、戏剧院和音乐厅三幢混凝土建筑，结构形式及施工环境之特殊，确实给施工建造出了一道难题，也使施工在实践中赢得多项科技创新。为了实现钢结构安装的高精度，法方专家提出了一系列相应的施工措施。如在详图设计、制作和安装过程中实施空间三维反变形；又如制作阶段壳体钢结构整体预拼装；再如计算机控制实时检测的安装测量控制等等。这些措施不仅耗费巨大，而且难以操作。我们在对其逐一研究分析的基础上，提出了针对性的改进方案。其一，在详图设计、制作和安装过程中实施空间三维反变形。其二，制作阶段壳体钢结构整体预拼装其三，计算机控制实时检测的安装测量控制

14、。三、结构新材料的应用进一步推动大跨空间钢结构的发展在普通碳素钢获得大量应用的同时,不锈钢、铝合金、膜材也在许多大跨度建筑中获得了应用.如上海国际体操馆中心(D=64m)的圆球网壳，上海临沂游泳馆(72x52x58m)的圆柱面网壳以及上海科技城采用的椭球体单元层网壳等都有是一些大型铝合金网壳结构。网壳杆件材料选用美国6061-T6型材(相当于我国LD30CS铝材)，结构自重仅为一般网壳的1/3。铝材的抗拉强度可达295Mpa,屈服强度246Mpa。已超过Q235钢的强度指标，但其弱性模量E=6.96x104N/m仅为钢材的1/3,铝合金材料轻质美观，不易腐蚀、便于加工、耐久性好，因而在国际上已

15、有许多专业生产公司建成了较多的铝合金结构.我国天津大学、同济大学、上海现代设计集团、中国建筑科学研究等已开始进行基础性研究和工程实践,积极进行产品研制、开发.不锈钢材料(含铬量12%的铁基耐蚀合金)是随着对装饰与防腐要求的提高而在空间结构中获得应用的,它集装饰、受力、防腐于一体的特点而受青睐.国产不锈钢中的Ocr18Ni9,Icr18Ni9Ti等就是一些常用的不锈钢材料.天津大学等高校与一些设计、研究单位,对其力学特性以及设计、施工技术均进行过大量研究.鉴于目前不锈钢材料的价格远高于普通钢材,近年来一些单位也已研制成功在普通碳素钢管的基础上外包不锈钢皮而形成复合技术,开发出不锈钢复合钢管网架,

16、并进行了一些工程实践.既保持了不锈钢与普通碳素钢的优点,又大幅度降低了造价,取得了较好的技术经济效果.膜结构是当前我国正在兴起的一种空间结构，其中应用较多的是张力膜结构。这是一种以玻璃纤维织物或聚酯纤维织物为基层，以聚四氟乙烯或PVC为涂层的膜材与不同类型的支承体系间的组合，而其支承体系可为索支柱或索杆结构，它们常在膜材获得预应力后协同工作。支承体系也可采用杆系结构，如空间桁架，网壳等，即刚性骨架支承张力膜结构。因此膜结构的支承体系仍属各类空间钢结构的范畴。在膜结构兴起的同时也必然为空间钢结构的应用与发展提供了更广阔的空间，上海八万人体育场、虹口体育场、广州新白云机场航站楼候机大厅和南京会展中

17、心等工程所采用的摸结构其支承体系都是一些不同形式的钢空间结构。如上海八万人体育场挑蓬最大悬挑73.5m,57个膜体单元就支承在沿径向、环向布置的空间钢桁架上.南宁会展中心主厅的主结构体即为一个高度为48m底部在直径为65.5m的旋转双曲面网壳结构,结构内、外层设张力膜,形成一个别具风格的展览主厅.浙江大学新校区训练馆（45mxl50m）所采用的膜结构也是以空间钢结构为其支承骨架（用钢量23kg/就）.四、计算技术的进步为大跨空间钢结构的发展创造了有利条件近年来计算技术已经有了长足的进步,许多单位也研制开发了商品化专用设计程序,它们都是建立在理论研究与大量工程实践的基础上而推向市场的.浙大空间网

18、格结构分析设计软件MSTCAD,同济大学钢结构CAD软件3D3S,上海交大空间网架工程公司TJWJ909,海军设计研究院GBSCAD、STSCAD以及北京云光建筑设计咨询开发中心SFCAD等都是一些具有影响的大跨钢结构设计软件.它们一般都具有完善的前后处理功能,可在微机上进行复杂的空间网格结构设计.有的软件除用于空间网格结构外,也可用于索、杆、梁体系的设计分析.这些程序的推出为大跨空间钢结构设计提供了有效手段,也为大跨空间钢结构的推广应用创造了有利条件.其中不少软件曾在国内许多大型空间钢结构工程的设计中发挥了重要作用.它们大多具有友好操作界面,在功能上可以包括空间网格结构的三维建模、静动力分析

19、、杆件优化设计、自动生成结构平立面图、杆件布置图、节点详图、材料表及节点零部件加工图.有的还可进行非线性稳定分析,与下部支承结构协同工作的分析等.随着研究的深入,在功能上将更趋完善,涵盖面会不断扩展.五、产、学、研紧密结合是推动大跨空间结构发展的源动力随着国家经济建设的发展,社会对大跨空间钢结构的需求日益增长,空间钢结构的专业生产企业也适应了这一需求应运而生.众多专业生产厂家的出现也成了推动大跨空间钢结构发展的一支重要力量.生产企业地在激烈的市场竞争中求生存、谋发展,重视知识、重视技术、确保产品质量当是首要任务.从20年来网架生产企业的发展过程可以看出坚持产、学、研相结合是企业兴旺发达的重要保证.产、学、研的紧密结合可使用权企业最便捷地将科研成果转化为生产力,以最新技术住处促进产品质量的提高,加速产品更新换代,增强在市场竞争中的优势.对于高等学校与设计研究单位通过与企业的紧密结合既可将研究成果尽快投入使用,又可从生产实践中进一步发现、孕育新的研究课题,同时也为研究生的培养创造有利条件.产、学、研结合的方式根据具有情况有所不同,如天津大学刘锡良教授以天大土木系