预应力钢结构技术讲座_5_1_预应力钢结构空间结构体系

陆踢麟 , 等 � 预应 力钢结构空间结构体系 预应力钢结构技术讲座 �� 一 �� 预应力钢结构空间结构体系 陆踢麟 �北京工业大学 北京 ��� ���� � 尹思明 �四川攀枝花市建筑勘察设计院 攀枝花 �� �仪幻 � 预应力空间钢结构的特征与分类‘�,�� �� 世纪 �� 年代中 , 空间钢结构新体系与钢结构 中预应力新技术相互结合而衍生出的预应力空 间钢 结构体系经过 �� 余年的研究 、 发展和工程实践 已成 为现代钢结构领域中无 可争辩的最新成就 , 并在 国 内外许多大型建筑中兴建了不少预应力空 间钢结构 工程 。 由于这类结构在计算 、 设计 、 制造 、 安装过程 中采用的大都是新技术 、新方法 、新材料和新工艺 , 其生产过程及产品具有高科技含量 , 是 “高技建筑 ” 的主要成员 。 目前 , 预应力空 间钢结构正 以其奇异 多姿的建筑造型 , 非传统的构造连接 , 简捷快速的安 装工艺和 良好的经济性与可靠性受到 国际土建界的 关注与重视 。 就已建工程的结构类型来看 , 可分为 � 种基本 类型 。 � � 双 曲悬索 �悬膜�结构 这是国内外工程中早 已采用 的悬索体系 , 其结 构的承载能力和刚度与 预应力是相依共存的 , 但预 应力力度则以保证结构起码刚度为依据 , 选用较小 值 。 结构由承重索系与稳定索系及边缘构件组成 , 两种索系形成负高斯曲率屋面承受荷载�图 ��� 。 后 期出现的金属悬膜结构是把厚为 � 一 � � 的 不锈钢板或高强钢板焊于边缘构件和悬挂杆件上 , 钢板 在荷载作用下双向受拉力 , 既为承重构件又为 围护 构件 。 如为矩形屋顶则应布置对角线方向悬杆以将 大部荷载传向边缘构件角点 , 避免边缘构件中出现 过大弯矩应力 �图 ��� 。 � � 传统空间结构 在已有的空间钢结构体系基础上施加预应力 , 以 降低结构内力峰值 , 调 整内力 , 提高刚度与承 载 力 , 如预应力网架 、 网壳等 。 并非所有传统结构都可 从预应力技术中获得满意 的经济效益 , 选 型或布索 �� � ��� 图 � 双曲悬索 �悬膜 �结构 不 当可能获益甚微 , 甚至适得其反 , 因此这类结构中 要重视结构选 型 , 布索方 案 , 张拉工艺 , 预应力力 度 , 节点构造等问题的 研究 。 成功 的工程实例如攀 枝花市体育馆网壳屋盖 �图 ��� 省钢率达 �� , 伏尔 日斯克商业中心网架屋盖 �图 ��� 的建筑高度降低 至 ��� 跨度 。 只只只 图 � 传统空 间结构 � � 吊挂式空间结构 与平面吊挂体系一样 , 空 间吊挂体系也 由支承 结构 、 吊索系和屋盖空 间结构所组成 。 所不 同的是 来 自二维或三维空 间的吊索吊挂着 空间结构的屋 盖 。 因此它的空间刚度与稳定性 比平 面体系好 , 经 济效益也高 。 由于这类结构具有高耸的支承结构以 第一作者 � 陆赐麟 男 �� �� 年 � 月生 博士 教授 收稿 日期 � 双众�一 �� 一 �� �枉℃�肋佰��飞】� �沁� � �� ! ��� , �� �� ��, � � ��� 技术讲座 锚固吊索系 , 屋盖以 上大部构件暴露 于大气中, 所 以 又称暴露结构 �图 � � , �� 。 ���州��� 图 � 吊挂式空 间结构 � � 整体张拉式结构 是由压杆群与拉索系组成的全新空 间结构 , 几 乎全由轴向受力杆件组成 , 是迄今最佳的预应力钢 结构体系 。 它又分为两类 。 � � � 外平衡式 主要压杆直接传力于 地基 , 视压杆的数量 、 位 置 、 荷载大小确定其高度 。 压杆群支承索系或索网 屋盖 , 屋盖外缘由侧立柱及斜拉索锚固于地面 , 呈不 规则波浪形 �图 � �� 。 �� ! 内平衡式 由短小压杆群及穿越压杆两端的各种索系构成 屋盖 , 索系间的不平衡力均锚固于 刚性外环 。 屋 面 荷载通过外环传于基础 �图 � �� 。 除受压外环外屋 盖其它杆件皆为轴向拉 、 压杆件 , 几近理想结构构成 。 曲率三种曲面形式 。 膜板在工厂加工成设计形 状后 呈带状卷材在屋盖导向构件上 展 开 , 拼焊成整块膜 体后再与边缘构件连接以参与屋盖整体受力 。 因此 膜壳的受力分为两个阶段 � � 在导向构件上 就位时 按均布恒载下的 自由端筒状膜壳考虑 , 如悬索计算 一样 , 是单独悬挂条带群的单向受力 � � 将膜壳与 边缘构件固定后 , 在 活载作用下 则考虑 膜壳双 向受 力 。 在某种情况下在膜壳的某些区域可能出现一 向 受拉另一向受压的状态 。 经过模型试验 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明 � 由于 一向的张拉影响及表面上 局部荷载的作用 , 在大部 分双向承受变号应力的区域上并未出现膜面局 部失 稳的现象 。 只在临近夹角区处有少量折皱出现 , 但不 影响整体受力 。 膜面 内力为上述两阶段内力的总和 。 早期双曲悬索结构采用封闭环形空间双曲圈梁 作为外边缘构件以锚固拉索 , 如意大利米兰体育馆 和浙江 人民体育馆 。 但近 年来其结构形式呈 多样 化 , 造型 丰富多姿 , 主要手法是采用组对结构体系 , 其特点是 � � � 沿建筑平面长轴方向布置一对以上 的组对 结构 , 组对结构的两肢可 以是相同的也 可是不同的 刚性构件或柔性构件 , 视建筑造型要求而定 � �� 组对结构的两肢与地面呈倾角架立在地基 之上 , 直接将屋面荷载传至基础 � �� 采用多组对结构体系时 , 其居中的内肢有多 种布置 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 , 但都形成高耸的 “屋脊 ”造型 , 构成建筑 物的特征与标志 � �� 组对结构体系能最大程度满足建筑造 型 、 功 能空 间 的要求 , 加 大结构刚度 , 降低冗余空间 和能 耗 。 国内外组对结构体系的工程实践很多 , 主要的 有莫斯科奥运会风雨赛车场 �图 � �� , 东京奥运会大 体育馆 �图 � �� , 成都四川省体育馆 �图 � �� 和北京朝 阳体育馆 �图 � �� 等 。 图 � 整体张拉式结构 � 预应力空间钢结构的设计与计算 �� 双曲悬索 �膜 � 结构 〔斓 悬索结构问世 已久 , 其计算理论设计方 法和 节 点构造在 国内外许多专著中有详尽介绍 , 本文不再 论述 。 在 �� �� 年莫斯科奥运 会体育建筑群中出现 几座悬膜结构 , 具有制造快捷 、 工业化程度高 、 运输安 装迅速简便的特点 。 悬膜结构的膜壳为金 属薄板 , 计算中忽略其横向剪力而 只考 虑沿膜壳中心 面的 双 向法应力 。 悬膜同样具有零高斯曲率和 正 、 负高斯 图 � 双曲悬索 �膜 �组对结构体系 多数组对结构体系采用双组对构件如图 � 所 示 , 也有采用单组对 �图 ��� 或三组对者 �图 �� , 根据 �� 钢结构 ��以�年第 �期第 巧 卷总第 �� 期 陆赐麟 , 等 � 预应力钢结构空间结构体 系 造型 , 功能 , 跨度等因素而定 。 但对数的增加往 往会 对材料用量 、 结构构造 、 施工 上艺 , 工 程成本等带来 不利影响 。 图 � 三组对结构体系平面及 立面 采用矩形和多边形 空 间边缘构件时 , 为避免在 圈梁内产生过大弯矩 , 应沿对角线方 向布 置 一 对或 数对交叉的承 重主索 �图 � �� 以使大部 屋面 荷载通 过 主索传至 圈梁 , 减小 圈 梁的弯矩峰值 圈梁应具 有双曲空间轴线 以保证屋面索系 刚度及 排水需 要 这类圈梁角点处立柱往 往承 受拉力 , 对受拉 立柱 的 锚固计算应予注意 。 空间悬索结构的计算分析要考虑结构儿何非线 性位移 , 对不同形式结构在静力作 用下 的分析 已有 系列的适用方法 , 但有局限性 , 且精确度差 。 随着计 算机技术发展在现代空 间结构计算中广泛采用有 限 元分析方法 , 为解决各类预 应力 空间结构 的内力分 析提供了精确 、 高效和主要 的手段 。 双曲率空 间悬索结构是预应力空间钢结构领域 中研究较早 、 应用领域广泛 、 实践经验丰富的一类结 构 , 现将国内外较大型的主要 工 程列表 �表 �� , 供查 阅参照 。 、���� 表 � 国内外主要空 间悬索�膜 �结构工程一览 序号 建成年份 国别 美国 工程名称 结 构 特 征 �� � 雷里竟技馆 平面尺寸� � � � � � � � � � � � �� � 美国 � �� �� 美国 � ��研 日本 � ��麟 中国 � �� �� 意大利 � �� � 苏联 � �� �� 苏联 � �� �� 苏联 �� ��� � 德国 �� ��� 中国 �� � � � 中国 �� ��� � 加拿大 耶鲁大学冰球馆 � � � � � �� � � ��� 】� � � � � �� 印���� 西雅图 “ �� 世纪 ” 体育馆 东京奥运会 代代木大体育馆 浙江人民体育馆 米兰体育馆 剐� � � � 莫斯科奥运会 风雨赛车场 奥运会大体育场 ��� � ��� � ��� 奥运综合游泳馆 � � � 砧 幕尼黑奥林公园 体育馆 四川省体 育馆 ��� � � � � � � � � 淄博化纤 � 一餐 �� � � � �� 卡尔加里体育中心 � � � �� �� �夕男〕 北京朝 阳体育馆 � � � �� �� �夕叭〕 中国 中国 青岛市体育馆 � � � �� 混凝土单组对结构 , 双拱交叉于 � � � � 爪 拱脚有 拉杆 相 连 , 沿圆周边架立钢柱 , 正交索网屋面 两 片索网挂于单根中央混凝上弓形曲梁及两 侧边构 曲 梁上 , 形成 长圆形平面 四边形扭索网张拉于 四 根格 构钢 梁 �, 四 根 混凝 土边 梁 支承于四边 中点的 支座 � 两 片索网连于 中央主索 �� � 功 ���� 与两侧混凝 上 圈梁 上 , 中央主索架立在两座混凝 上塔 柱 上 马鞍 十字形索网连于混凝土空间双曲圈梁 上 正交索网 �索距 � � �连于鞍形 焊接 箱形 钢圈梁上 支承 于 � � 根倾斜混凝 上柱 卜 两片负高斯 曲率悬膜 �� � �� 连 丁跨 长 ��� � 双组 对钢 拱 上 , 两 内拱间连以析架及 支撑 正高斯曲率悬膜屋面 怕 � �� 敷设在辐射形 悬式析架 上 椭 圆形钢混凝 土圈梁架立 于钢柱 � 双曲钢筋混凝 上四边形圈梁沿对角线布置 一对交叉 带 钢以悬挂 四片扇形圆柱面钢板薄膜 占� � 跨 长 �以 � 矢高 �� � � � 立体钢拱与 两侧斜撑 杆 及外边 索 吊挂 两片双曲索网覆盖椭圆平面场地 山两侧混凝 上刚架 与中央落地混凝土大拱 的 双组 对结 构悬挂 两片双曲正交索网 四边形折线 曲梁沿二 对角线布置主索承重大 部屋 面荷 载 位于主轴方 向的格构式钢拱与两侧边构间架 立两 片双 曲抛物 面索 网屋盖 中央为索拱 吊挂体系两侧为混凝土曲梁组 成 双组对结 构 , 中间挂 以双曲索网 中央一 对交叉混凝 土内拱 与两侧刚架组成 双组对结 构 悬挂 两片正交索网屋 面 �待续 � � ��� � � � �� ��� � ��� � � ��瓦�� �� , �� �� �� , � 。 一�� � �