大跨空间结构发展研究

大跨空间结构发展研究

徐翔宇1程时涛2

1华北理工大学以升创新教育基地河北唐山063210；2华北理工大学建筑工程学院河北唐山063210

摘要：本文分析了大跨空间的多种结构形式，比较其结构的受力特性与具体结构形式之间存在密切联系，以及近年来的发展和应用，而后对未来复杂的空间结构设计进行展望，为大跨空间结构形式的创新、大跨空间结构多点激励下的抗震分析、行波效应、节点破坏机理分析奠定理论基础。

关键词：大跨空间结构；节点连接；稳定性

引言

随着社会经济的快速发展，人们对满足自身生活发展的空间需求量不断增大。大跨空间结构因其内部具有较大的活动空间而被广泛用于体育场、展览中心等公共建筑。大跨度空间结构是指横向跨度在60米以上的通过节点把钢管和型钢焊接而成各类空间结构。与传统结构相比，大跨空间结构具有空间刚度大，稳定性和整体性好，抗震性能优越和造型美观等众多优点。

1.大跨空间结构形式分类

由于大跨空间结构的受力特性与具体结构形式之间存在密切联系，因此结构形式多种多样也是大跨空间结构的主要特点。目前，国内外广泛使用的大跨空间结构形式有以下几种：

（1）网架结构

网架结构是将多根预先制作好的杆件按照一定的规律布置，通过节点把杆件连接到一起的多次超静定空间结构形式，其中杆件主要承受轴力作用。由于网架结构的杆件、节点可工业化生产、运输方便、平面布置灵活等优点，从上世纪中叶起，我国开始研究并使用这种结构形式。典型的代表建筑有：首都体育馆（东西方向跨度为122.2米，南北方向跨度为107米，建筑面积约为4万平方米）；长春一汽总装车间（柱网尺寸为21m×12m，面积为8万平方米）。杆件与节点安装连接较为复杂是网架结构目前主要存在的缺点。

目前对网架结构的研究有以下趋势：

①网架结构疲劳性能研究。工业厂房中一般都使用网架结构，且根据生产的需要会在结构上悬挂重物。因此对网架结构必须进行疲劳分析。

②对网架结构节点新形式的研究。

③对网架结构水平抗震性能的研究。

④对网架结构进行弹塑性分析。

（2）网壳结构

网壳结构与网架结构有相似之处，但网壳结构同时兼有杆系和壳体的特性，是以杆件为基础按壳体结构进行布置的空间结构形式。它通过壳体沿两个方向逐点传力，受力合理，造型丰富多彩。在我国，典型的网壳结构代表建筑有：长春体育馆（“工”字型建筑，长60米，宽42米，高26米，总面积13650平方米）；中国国家大剧院（东西方向跨度为212.20米，南北方向跨度为143.64米，高度为46.29米，壳体部分由一万八千多块钛金属板相互拼接而成，面积超过30000平方米）。

网壳结构发展至今，无数中外知名科研人员对它的稳定性问题进行了理论分析和实践研究。符华-鲍络金对在周期荷载作用下结构的动力稳定性问题进行了系统的研究，并提出了Mathieu-Hill方程；郭海山提出了动力响应全过程曲线的概念，他并以动力响应全过程曲线为基础，提出了一种结合结构时程响应曲线来判断网壳结构动力稳定性的方法。迄今为止，在地震等动力作用下的非线性、多自由度复杂结构的稳定问题，依旧尚未得到妥善的解决，这还有待科研人员进一步进行研究。

（3）薄膜结构

薄膜结构是大跨空间结构中发展起来的一种新的结构形式。它是由具有高强度的薄膜材料及相应的加强构件通过施加一定的预张应力形成的能承受一定外荷载的空间结构。薄膜结构根据施加预应力的方式不同，可分为充气膜结构以及张拉膜结构两大类。充气膜结构通过室内外气压的不同，使屋盖膜结构受到向上的浮力，从而实现较大的跨度。张拉膜结构是通过柱及钢支架等有效支撑张拉成型。与其它的建筑结构形式相比，薄膜结构造型优美，防火性好，自重轻，具有较大的变形能力，抗震性能好。典型的薄膜结构代表有：国家游泳中心（水立方，它内外立面膜结构由三千多个气枕共同组成，覆盖面积总共达到十万平方米，展开之后面积达到26万平方米。迄今为止，水立方依旧是世界上规模最大的膜结构工程，同时也是世界上唯一一个完全采用膜结构来进行封闭的大型公共建筑）。

（4）悬索结构

悬索结构是将索作为最基本的受力构件按一定形式布置的结构体系。我国应该是世界上最早利用悬索结构的国家，在古代就曾用树藤等受拉性能较好的材料做成吊桥跨越崇山峻岭。悬索结构通过索的拉伸来抵抗外界荷载，它对材料的抗拉性能要求较高，悬索结构与其它大跨空间结构形式相比，结构自重较小，能比较经济地实现大跨度。在地质灾害发生后，悬索结构的破坏情况也比其他建筑结构破坏情况小。但悬索结构也有它的不足之处，它对施工技术水平要求较高，需要专业的施工队伍进行建造。同时，在具体动工之前还必须进行几何非线性问题分析，在正式施工之前就必须分析出悬索结构受力变形后的情况，为具体实施提供理论依据。典型的悬索结构有：浙江黄龙体育中心主体育场（它为斜拉网壳挑蓬式结构，由斜拉索、内环梁、外环梁、网壳和稳定索共同组成）；美国华盛顿DULLES机场（机场的柱子向外倾斜，索紧紧拉住外倾的柱子，同时在结构自重和屋面载荷的共同作用下下垂成悬链状。在柱子之间，有倾斜的梁板，板状梁沿着索的方向倾斜，梁板外侧形成屋檐形状，而内侧承受屋面索的传来的拉力）。

2.大跨空间结构的展望

随着计算机技术的不断提高，国内外的专家学者研发了各种类型的有限元分析软件，如：OpenSees、ABAQUS、ANSYS等。这些有限元分析软件都是在大量的理论研究和工程实践的基础上研发的，他们一般都具有完善的前后处理功能，可在计算机上进行复杂的空间结构设计，并通过预设荷载进行内力分析，为大跨空间结构形式的创新、大跨空间结构多点激励下的抗震分析、行波效应、节点破坏机理分析提供了强有力的方法手段。

相信随着理论研究的逐渐深入和工程实践的大量增加，我国的科研人员必然能进一步研制出适应我国天然地理环境的大跨空间结构的新形式以及与结构形式相匹配的新材料，真正实现轻质高强，造价低廉的目标。

参考文献

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