大跨空间及钢结构的最新进展与工程应用

大跨空间及钢结构的最新进展与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 应用 10.1 概述 (1)新型材料、新型结构及新型构件的应用与发展，促进了人们对其受力性能及设计方法的研究 近年来，随着国民经济的发展及人民生活水平的提高，新材料、新的结构形式、新的构件和新的节点形式在工程中不断涌现出来，极大地促进了钢结构技术的进步和发展。建筑钢结构体系和构件形式的多样化推动了新型空间钢结构及构件在大型钢结构工程项目中的广泛应用，先后向人们展现了一大批新型结构及构件形式。目前正值2008年奥运会及上海世博会前的大好建设契机，新结构及新构件在建筑师和结构师的笔下应运而生。 在整体张拉结构和杂交结构领域，索作为结构体系中最活跃的构件或单元体，以其自身强度高及张拉受力的特点，通过与压杆的“交织”组合，形成了许多简捷、轻巧的结构构型，备受建筑师青睐。通常索要施加预应力，其目的一是要减少及平衡外荷载产生的弯矩，二是要形成或提高结构的刚度，最终达到提高结构的承载效率。索穹顶结构和弦支穹顶结构是整体张拉结构中典型的代表，它们均以大跨度、低用钢量著称，在世界其他国家有不少体育场馆采用了这种结构形式，但在我国只有少数几个小跨度的弦支穹顶结构建成。除此之外，张弦梁及张弦桁架结构也在工程中有广泛地应用范围，上海浦东国际机场、广州国际会议展览中心、深圳国际会议展览中心就采用了张弦梁结构及张弦桁架结构，其中后二者的跨度达126m左右。 拱形结构是一种传统的结构形式，其材料从古代的石材圆弧拱到现代的钢结构拱，拱的结构形式也不断的多样化。以钢结构拱为例，从其截面形式讲，有实腹式和格构式两种。前者主要包括圆管和方矩管单拱结构或组合截面拱结构，后者以方矩管和圆管形成的平面桁架拱及立体桁架拱应用居多。实腹式拱宜应用在中小跨度结构中，但也有应用在大跨度体育场馆的例子，如稚典奥运会主场馆就采用了两对实腹式巨型截面圆钢管拱，用于悬挂体育场馆的屋盖体系。平面及立体桁架拱以承受更大荷载、跨越更大跨度的优点在大跨度建筑及桥梁结构拱桥中有较多的应用；腹板开洞的工形截面拱以其通透美观也应用在轻轨站篷、航站楼及索膜结构中；从钢结构拱的轴线形式讲，有圆弧形拱、椭圆形拱及其他各种轴线变曲率的拱；各种轴线形式的拱有其不同的受力性能，圆弧拱以承受均布径向压力为主，抛物线拱则以抵抗均布垂直压力为主。拱的轴线形式主要由建筑师来决定，取决于结构的使用功能及建筑师的创意。确定实腹式截面拱及桁架拱的稳定承载力是拱结构设计的主要内容，可以通过大量数值计算及试验研究建立各种截面拱的稳定承载力设计理论和方法。 各种形式的索一拱结构克服了纯拱结构在偏跨荷载作用下承载力低、刚度弱及对反对称初始几何缺陷敏感等缺点．通过设置托索限制某些不利变形的发生和发展，从而极大地改善了纯拱结构的弯矩及变形分布。车辐结构是索一拱结构的典型代表，在国内外均有工程应用实例。 斜拉结构和悬吊结构被广泛应用在空间结构领域，其显著的构成特点是通过穿出(或高出)屋面的支承构件，如梭形柱或预应力撑杆柱，在其顶端联系斜拉索把刚体屋面结构悬吊起来。这些斜拉索相当于刚性屋面的弹簧支座，不仅削减了屋面结构的弯矩峰值，而且提高了屋面结构的刚度。斜拉索往往要施加一定大小的预应力，其取值可以根据拉索的截面尺寸与结构的刚度要求综合决定。 梭形柱以承受轴心压力为主，其造型美观、受力合理，在现代结构中常被建筑师看好。如我国的新白云国际机场航站楼的人字支承柱采用了三管梭形格构柱、首都国际机场航站楼(三期)支承柱采用了单管梭形柱。梭形柱分单管梭形柱及多管梭形格构柱，前者又分圆钢管和方钢管，二者在工程中都有应用；后者分两肢梭形钢管格构柱、三肢梭形钢管格构柱及多肢梭形钢管格构柱等。梭形柱设计的核心内容是稳定性汁算，涉及到整体稳定性、分肢稳定性计算及连接缀材的设计等。 不仅建筑及结构形式向多样化发展，而且钢材品种及钢制品也向多样化发展，以不断满足建筑市场的需求；高强度钢及高强度厚钢板(t≥40mm)已开始在国家重点工程项目中应用；耐火钢和低屈服点钢的开发也取得了一定的成果，已开始在工程项目中应用，前者有望从根本上解决钢结构耐火差的缺点，后者有望在钢结构防屈曲耗能支撑构件、钢板耗能器及钢板剪力墙中派上用场。 本章涉及到的结构形式还有钢管结构、树枝结构、玻璃结构及其支承体系、高层钢结构新型抗侧力体形及应用等内容。 (2)大型复杂钢结构施工力学问题日益受到重视，钢结构加工及施工技术得到全面提升 大型复杂钢结构施工力学问题日益受到研究、设计及施工技术人员的重视，其中大型复杂钢结构施工全过程中内力和变形的跟踪模拟计算、结构加工及安装变形预调值的 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 和计算、大型钢屋盖拆撑(或落架)过程的跟踪模拟计算、刚性结构和柔性结构的找形分析和计算、预应力钢结构施工过程的模拟计算及张拉 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 的优化、施工技术创新及应用等已被提到议事日程上来，正在展开广泛的研究和应用。例如，国家体育场钢结构主次结构的安装方案及施工全过程模拟计算、中央电视台新台址主楼钢结构安装变形预调值的计算，促进了我国在施工力学学科的发展及应用。 随着大型复杂钢结构工程项目建设的不断增多，我国钢结构制作安装队伍日益强大，制作和安装技术不断提升，大型起吊机械和设备正在发挥作用。在钢结构制作方面，厚板的焊接、曲线及曲面构件的加工，已经积累了丰富的经验。例如，国家体育场空间扭曲箱形构件的制作，把我国钢结构的制作技术推进到国际领先地位。在高层钢结构安装领域，从昔日帝王大厦的钢结构安装到目前正在进行的上海环球大厦及中央电视台新台址主楼钢结构的建造，创造了一系列钢结构安装技术和工法，积累了丰富的钢结构施工经验。中央电视台新台址主楼钢结构的大悬臂采用逐步悬伸对接的施工方案，要求精确计算施工过程中两塔楼及悬臂结构的加工变形及安装变形预调值大小，保证安装完成后的结构完全落在设计位形或目标位形上。无论是央视新台址主楼钢结构的安装确定，还是其施工过程中加工和安装变形预调值的计算，其难度均创造了目前施工技术之最。在大跨度钢结构及空间结构领域，新的安装施工技术也日趋成熟，大跨度桁架及网架的滑移施工技术、钢结构屋盖整体提升及顶升施工技术、大面积空间钢结构屋盖拆撑施工技术、复杂钢构件的制作加工技术在一大批工程项目中得到应用，获得了巨大的技术进步和经济效益。例如新白云机场主航站楼钢结构桁架的整体曲线滑移施工技术、新白云机场大型维修机库钢屋盖的整体提升施工技术，国家大剧院和国家体育场(鸟巢)钢屋盖的拆撑(落架)施工技术以及施工全过程模拟跟踪汁算，均代表了目前国内钢结构施工技术的最新水平。 (3)钢结构科研和设计队伍日渐壮大，各类结构的设计 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 及 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 日趋完善 我同钢结构科研和设计队伍稳定发展，工程应用标准、规范得到全而修订。随着建筑钢结构市场的迅猛发展，一大批钢结构科研成果在重大工程及标准制定中被采纳。一是对常规钢结构性能的理论和试验研究不断深入，进一步完善既有结构的设计理沦和设计方法，二是对目前大量涌现出的新结构、新构件及新节点，通过理论和试验研究建立了它们的设汁理论和设计方法，三是以科研单位和高校教师为代表的一大批钢结构技术骨干力量已涌入了国家建设的主战场，通过解决大型复杂工程项目中存在的核心设计及施工技术问题，真正做到了理论与实践相结合，进一步提高了他们的科研水平。目前，伴随着新结构形式的不断发展，《铸钢节点技术规程》、《钢管结构技术规程》、《拱形钢结构技术规程》及《预应力钢结构技术规程》正在编制中；《民用高层钢结构技术规程》在修订过程中，也补充了防屈曲耗能支撑、钢板剪力墙及消能减振(震)等新技术的应用。 本章重点对近年来出现的新结构形式的构成规律、主要受力特点以及它们的应用范同作了简要的概述；结合众多钢结构工程实例，介绍了我国新近建成或正在建设的钢结构工程项目以及在这些工程项日中表现出来的关键设计和施工问题。 10.2 杂交结构及整体张拉结构体系 1．索穹顶结构 1954年，由Snelson斯内尔森和建筑大师Fuller富勒最先提出张力集成结构体系的构思；1962年，Fuller获得“张拉整体结构”专利。美国工程师Ceiger对实现这种结构思想做出了极大的贡献，他借鉴张拉集成思想并作了实质性的推广和发展，于1986年开发出一种实用的大跨度空间结构体系——索穹顶，其实质是用一个周边受压环梁来平衡张拉体系。他成功地为汉城设计出直径分别为120m和90m的奥运会体操馆和击剑馆，成为结构工程的典范。此外他还设计了直径为210m的美国太阳海岸穹顶等。 放射性脊索、斜索和环索组成的连续张力索网和不连续受压杆，以及中央拉环、周边压力环构成了ceiger型穹顶的基本体系(图10.1)。荷载从中央的张力环通过一系列辐射状的脊索、环索和中间的斜索传递至周边的压力环。为了减少屋盖表面薄膜材料的费用，在设计时使结构的曲面最小；为了增加结构的刚度，在脊索之间增加了谷索。该体系具有整体结构简单，施工难度低，且对施工误差不敏感等优点。但由于其几何形状类似平面桁架，体系平面刚度比较小。 LEvy和Jing改变了Geiger型索穹顶脊索的布置方法，变放射状的脊索为三角化联方型布置的脊索，增强了结构稳定性，减小了脊索所需的预张力值，而且丰富了结构的平面体型，同时取消了在薄膜铺设中起稳定作用的谷索。他们设计的亚特兰大Georgia体育馆为双曲抛物形张力集成穹顶(图10.2)，平面为240.79m×192.02m的椭圆形，由联方型索网、三根环索、桅杆及中央桁架组成(如图10.1所示)。继亚特兰大Georgia体育馆后，Levy和Jing又设计了索穹顶结构的台北棒球馆、墨西哥十万人体育馆，在阿根廷建造了LaPlala双峰索穹顶结构，并在沙特阿拉们的利雅德大学体育馆中成功实现了可开启式穹顶结构，使得索穹顶结构进一步显示了广阔的应用前景。 从结构的观点来看，索穹顶这种结构形式较其他结构更为合理。首先，它大量采用预应力钢索而较少使用压杆，能够充分利用钢材的抗拉刚度，若能避免柔性结构有可能的结构松弛，索穹顶结构便不存在弹性失稳问题。其次，使用薄膜材料作为屋面材料，结构自重相当轻，单位面积的重量很小。亚特兰大Georgia体育馆的重量还不到30kg／m2；跨度为210m的圣彼德堡的雷声穹顶的重量为24.4kg／m2。再次，索穹顶结构可达到相当大的跨度，而且随其跨度增大单位面积重量并不明显增加，初步分析证明，这类结构的跨度可以达到400m左右。 索穹顶结构体系的形状、刚度、预应力分布、预应力值之间密切相关。索穹顶结构的设计和分析主要分成三个部分：找型分析、成型分析、荷载态分析。形态分析就是寻找一种合理的结构形状；成形分析是怎样使这一结构形状得以实现，主要包括预应力分析、施工工艺分析；荷载态分析是结构的受力分析，研究结构在静荷载以及动荷载下的反映。 从经济方面来看，索穹顶耗材少、施工简单，且平均造价不会随结构跨度的增加而明显增大，从而使得索穹顶结构具有很好的经济性。 从建筑观点来看，索穹顶构造轻盈、造型别致、色彩明快。由于索很细，因此看起来整个屋盖像悬浮在空中，给人以美的享受；同时，在薄膜的映衬下，索与杆有规律的组合营造了简洁、均衡和稳定的视觉效果，达到了结构形态和视觉形态“力与美”的完美统一。在当今“建筑是环境中的建筑”这一观点深入人心的年代，索穹顶更是建筑师们的倾心选择。 目前有关索穹顶结构设计计算理论和施工技术方面等方面的研究成果很少见国外文献介绍，关于已建成的索穹顶结构的介绍资料也较少。我国自20世纪90年代以来，进行了较多的研究，取得了大量的研究成果，惟一遗憾的是，到目前为止还未建成实际工程。 2．弦支穹顶结构 从已有的工程实践看，Geiger式的索穹顶结构得到了广泛的应用，如图10.2所示的亚特兰大 Georgia索穹顶，它具有以下优点。一是绝大部分受力构件可设计成受拉的索，截面受力均匀，可充分发挥钢索的高强度性能。同时，自重可大大减轻。其二，受拉构件是最稳定的，无失稳问题。可不考虑弯矩、扭矩和剪力的问题。因此可以利用较少的材料跨越和覆盖很大的空间。其三，因压杆数量少、长度短，截面选用时也容易满足其稳定性条件。其四，改变结构刚度可通过调节预应力来实现，而不必改变构件的几何尺寸。但是，任何事物都具有它的两面性，索穹顶结构在拥有以上优点的同时，也存在以下缺点。其一，计算分析难度较高。其二，预应力施加难度高，成型过程不易控制，施工难度高。其三，预应力损失影响严重。 那么如何能够更好地利用索穹顶结构的优点，同时又避免它的不足之处呢?日本的M．Kawaguchi教授于1993年提出了弦支穹顶的概念，该体系由单层网壳、撑杆及预应力索组成，如图10.3所示。显而易见，弦支穹顶是将索穹顶的上部拉索全部采用刚性构件而构成一单层网壳，同时保持其他构件形式不变的一种新型的混合空间结构体系。 如图10.3(c)所示，弦支穹顶亦可以看作是由单层网壳转变而来，它是在原有的单层网壳(图10.3(a))的基础上，引入了一个由撑杆、斜索和环索构成的预应力体系(10.3(b))组合而成。即有这 样一个简单的关系：单层网架+预应力体系=弦支穹顶。不言而喻，单层网壳具有较好的刚度，施工方法亦非常简便。而下部的预应力体系可以增加结构的刚度，提高结构的稳定性，降低环梁内力，改善结构的受力特性。因此，弦支穹顶很好地综合了两者的结构特性，从而成为一种全新的、性能优良的结构体系。 M．Kawaguchi教授发明了弦支穹顶结构体系以后，于1994年将这种结构体系应用于日本东京Hikarigaoka穹顶和Fureai穹顶，并对后者进行了足尺试验，为今后的工程应用奠定了良好的开端。我国在弦支穹顶也进行了一些工程实践，如昆明柏联广场采光中庭，采用椭球型的弦支穹顶结构体系的鞍山羽毛球馆，天津开发区商务中心大堂弦支穹顶。正在建设的武汉体育馆，是目前我国跨度最大的弦支穹顶结构。 但是，弦支穹顶结构不可能达到较大的跨度，这是因为单层网壳不可能承担较大的撑竿穿力，会引起网壳的局部强度破坏或失稳。清华大学郭彦林教授和崔晓强博士提出了巨型网格弦支穹顶结构的概念(如图10.4)，并对其非线性稳定性进行了研究。研究结果表明它更适合于超大跨度结构，跨度可以做到300～400m，是一般弦支穹顶结构的改进形式。 3．张弦梁或张弦桁架结构 张弦梁结构(Beam String Structure，简称BSS)的概念由日本人学M．Saitoh教授在20世纪80年代初首先提出，它得名于“弦通过撑杆对梁进行张拉”这一基本形式，如图10.5所示。虽然其形式多种多样，并不仅仅局限于梁、杆、索等简单组合，但各种形式的张弦梁结构均通过撑杆连接抗弯受压构件和抗拉构件，所以M．Saitoh教授对这种结构给出的定义是“用撑杆连接抗弯受压构件和抗拉构件而形成的自平衡体系”。 张弦直梁主要通过撑杆提供弹性支承，从而减小梁中弯矩，主要适用于楼板或小坡度屋面情况；张弦拱则在通过撑杆减小弯矩和挠度的同时，由弦抵消拱端推力，充分发挥拱型的结构优势和高强索的高抗拉强度的材料优点，从而实现大跨结构甚至超大跨结构，如浦东国际机场(图10.6)。 图10.6 浦东国际机场的张弦梁结构 为了实现大跨度和超大跨度，张弦梁可进一步改进成张弦桁架结构。张弦桁架结构又根据跨度大小采用三角形断面和梯形断面的立体桁架(见图10.7)。近年来，张弦桁架结构在大跨度的会展中心和博览中心结构中应用较多，如广州国际会展中心和深圳国际会展中心等。 张弦梁和张弦桁架可以双向布置，更好地发挥它们的空间作用，可以大大提高张弦梁和桁架结构的承载效力。正在建设的国家体育馆就采用了双向张弦桁架结构，其平面为矩形，最大跨度达195m。 张弦梁结构或张弦桁架结构是自平衡结构体系，设计的核心问题是根据其承受的重力荷载计算出最小预应力，并根据反向荷载(如风载)校核预应力的合理取值，即张弦梁和桁架在各种荷载工况作用下，其预应力拉索不失效。对于张弦梁(或桁架)结构的稳定性计算，只要能保证梁(或桁架)不发生平面外失稳，则整个张弦梁结构不会有面外失稳的可能性，除非梁(或桁架)是下凹梁(或桁架)。如果梁或桁架的平面外稳定性不能保证，最有效的措施是增设平面外支撑。 张弦梁或张弦桁架的核心施工技术是拉索预应力张拉及控制，其张拉施工方法可以归结为两种，一是直接张拉预应力拉索，使结构达到设计位形；二是采用满堂脚手架支承体系，按照预先设定的几何位形安装梁(桁架)及预应力拉索，然后落架使梁(桁架)与拉索达到设计位形，并共同进入工作状态。不过，采用第二种方法要特别注意安装位形与设计位形的差异，保证落架后的结构既满足设计受力要求也满足结构设计位形的要求。 双向张弦梁和桁架的拉索预应力张拉比单向张弦梁(桁架)要复杂的多，前者在预应力拉索张拉施工时不仅相同方向的张弦梁或桁架相互影响，而且两个正交方向的张弦梁或桁架也相互影响。预应力张拉的相互影响表现在：(1)后张拉索对先前张拉索的影响，(2)x方向张拉索对y方向张拉索的影响。因此，对于双向张拉桁架，可以通过预应力拉索张拉全过程施工跟踪模拟计算，确定最优施工张拉方案，以达到最大程度地节约施工成本。 4．悬吊索系结构或斜拉结构 悬吊索系结构是以悬吊在支座或竖直塔架上的悬索作为承重构件的一种结构形式，其主要由主索、稳定索、塔架和悬挂体组成。主索和稳定索固定于支座或周围塔架上。主索作为承载索用来承担结构自重和外荷载作用；稳定索通过施加一定的预应力用来提高结构体系的整体刚度；悬挂体可以为单质点质量块，也可以为具有特定用途的一定尺度和刚度的悬挂结构。斜拉结构则是通过拉索给结构一个或多个弹性支承点，拉索另一端则固定于塔柱或者其他刚体上，如斜拉桁架结构和斜拉桥等，如图10.8至图lO.10所示。 图10.8 北京曲棍球馆 图10.9 悬吊索系结构 悬吊索系结构通过对稳定索施加一定的预应力作用，可以提高结构体系的整体刚度。若无稳定索或稳定索中无预应力作用，当悬挂质量比较小时整个结构体系是不稳定的。在大跨度悬吊索系结构体系中，这个问题变得尤为突出，因此，稳定索及其施加的预应力作用对整个结构体系非常重要。稳定索中的预应力施加主要有两种方法，一种是直接对稳定索施加预应力作用，另一种是在稳定索端部悬挂滑轮悬挂重物来给稳定索施加恒力作用。第一种方法在结构受力变形后，稳定索中的应力会发生变化，特别是在竖向荷载作用下稳定索会卸载，因此预应力要比较大才能保证结构受力后稳定索不退出工作，而后者在荷载作用结构受力变形后，稳定索中的应力基本不发生变化。美国的Arecibo望远镜的馈源支撑结构体系(图10.11)是一典型的悬吊索系结构，它是通过固定于周围混凝土塔架的三组主索将承载馈源舱的固定平结构体系恳吊起来，因固定平台结构体系自重较大，结构在自重作用下就具有比较好的整体刚度。因此，在Arecito望远镜的馈源支撑结构体系中未使用增加结构刚度的稳定索。我国正在研究和实施的重大项目FAST项目，就是一个跨度为500m级的悬吊索系结构体系。 确定斜拉索系中的预应力水平是斜拉索系结构设计的关键问题，主要包括两项内容，其一是确定各拉索之间预应力水平的比值，该比值视结构形式不同而不同，主要考虑结构或主要受力单元的受力平衡及其合理性。其二是确定预应力的幅值，该值主要由结构的刚度要求决定。 5．车辐结构 在自行车车轮中，当轮轴处受到竖向荷载作用时，荷载通过受拉辐条传递至轮箍，轮箍便发生变形，如图10.12和图10.13所示。部分辐条因缩短而卸载，其余辐条受拉伸长。线条越粗表示拉力越大。受拉的辐条抵抗轮箍的继续变形，提高了轮箍的刚度，称为车辐受力原理。 图10.12 伦敦航空眼（D=135m） 将车辐受力原理引人到拱结构中，即按车辐式布置拉索系，形成一种索—拱杂交结构，称为车辐结构，如图10.14所示。目前，索—拱杂交结构中研究和应用较多的是斜拉索—拱结构，而对车辐结构的研究则很少。与纯拱结构相比，车辐结构的刚度显著提高，稳定性明显改善，而且拱脚的水平推力变得可以调节。 车辐结构形式早在20世纪五六十年代在前苏联作为一种索拱体系提出，但直到1989年完成的汉堡历史博物馆庭院的玻璃屋顶(如图10．15所示)中才得到应用。该玻璃屋顶由德国建筑师volkwi Marg设计，取得了举世公认的杰出成就。不过，该结构与本文的研究对象有所不同，它的索盘通过一根可滑动的索连接于邻近的外墙上。 车辐结构设计中一个重要的问题是其选型问题。除了纯拱设计中包含的拱的跨度、矢跨比、轴线形式和截面形式等，还包括拉索的数量、索盘位置、辐射形式等。 车辐结构设计的核心问题是其稳定性的计算，涉及到稳定承载力的确定及刚度的控制要求。通过非线性设计可以很好的解决这一问题，关于它们性能研究和设计理论，可参见清华大学的研究成果。 10.3 钢管结构 近20年来，钢管结构在国内外得到了迅猛发展，在现代工业厂房、仓库、体育馆、展览馆、会场、航站楼、车站及办公楼、宾馆等建筑物中得到广泛应用。由于它的良好性能，在国内外应用较多且越来越广泛，见图10.16至图10.18。 钢管结构从结构形式上可分为梁式管结构和拱式管结构；从布置形式上可分为平面管结构和空间管结构。管结构主要采用两种截面形式的管：圆管和方矩管。管与管之间通过相贯焊缝连接，因为这种连接不需要附加节点板，使得结构更加整齐美观。管结构和拉索结合形成的混合结构体系，如前述的张弦梁结构充分发挥了不同材料或构件的优越性，是今后结构发展的一个方向。管桁架在体育馆、航站楼、会展中心，娱乐中心等大跨度设施中得到了广泛的应用。 图10.16 广州新白云机场航站楼 图10.17 南京站新建无站台柱雨棚 广州市新中轴线电视塔 日本大阪机场航站楼 图10.18 钢管结构 管节点设计在管结构设计中占有非常重要的地位，它包括管节点局部应力应变分析、失效机制研究、弹塑性分析、设计参数研究、作用荷载和支管约束的影响、疲劳寿命等非常广泛的课题。管节点因在结构中的位置不同，连接的构件形式不同，受力状况以及施工的要求不同，其构造形式很多，同时新的结构形式又不断产生出新的节点形式，目前的研究成果还不能覆盖所有的管节点形式。 管桁架的稳定性计算也是管结构设计中的核心内容，包括单根构件的稳定性计算和整体结构平面外的稳定性计算，特别对于大跨度的管桁架结构或管桁架拱形结构，其平面外整体稳定性的计算不可忽视。目前，关于管桁架结构的平面外稳定计算还没有成熟的方法，近似的做法是可以通过特征值分析确定桁架平面外弹性屈曲荷载，其值与设计荷载之比不应小于某一特定值。当然，在假设桁架存在平面外初始挠度的情况下，应用大挠度弹塑性分析可以比较精确地确定其面外稳定承载力，其值与设计荷载之比不应小于1.5。平面外支撑对提高面外稳定承载力非常有效，设计时尽可能采取这一措施保证其面外的稳定性。 管桁架平面内承载力主要受单根构件强度和稳定性控制，其刚度由整体挠度控制。 10.4 树枝结构 近年来，一种造型新颖的结构形式——树枝结构被应用于空港、桥梁、厂房中。这种结构具有如下构造和受力特点：①结构有规律地分叉，由一点或几点向空间伸展，形状恰似树枝；②构件多采用圆钢管，具有良好的空间受力性能；节点多采用铸钢节点，具有较高的强度；③枝叉顶端与屋面结构连接，构成整体受力；④屋盖多采用轻型屋面体系。 新颖的仿植物外形，使得树枝结构被应用于航空港、车站、码头、展览馆、厂房等结构中(图10.19)。单独的树枝结构可以应用于展览台、候车亭等小尺度的结构。两个枝形结构组合在一起形成一榀，可以将静跨增加至少一倍，若干个枝形结构通过屋面结构联结在一起，能够创造任意平面形状的大尺度的空间，如深圳文化中心黄金树结构和北京西直门轻轨车站，见图l0.20。 树枝结构的应用先于其理论研究的步伐。虽然一些在国外和国内有影响的树枝结构已经建成，丰富了结构类型，给人以美的享受。但是作为一个结构体系的研究还不够完善，其最优布置形式、分叉形式、稳定性能、节点性能都还没有系统的研究成果，清华大学在这方面的研究工作有一定的进展。 10.5玻璃结构及其支承体系 点支承玻璃幕墙是近十年来兴起的玻璃幕墙建造技术，由于其轻巧通透，构成形式灵活多变，适用于大型公共建筑物如展览厅、机场候机楼、歌剧院、采光顶和大门入口天棚等。点支承玻璃幕墙由结构支承体系、驳接头和玻璃组成。 点支承玻璃幕墙的结构支承体系承担作用于玻璃上的荷载，并将其传递到周边主体结构。最常用的结构支承体系可以分为下面几类(图10.21)：①单杆构件或钢桁架支承体系；②索桁结构支撑体系；③拉索(杆)桁架支承体系；④单索网格支撑体系等．其中。拉索(杆)结构支承体系在现在的点支承玻璃幕墙中得到了广泛的应用。 驳接头是连接玻璃和结构支承体系的构件，分为通透式和背切式两种。通透式驳接头穿透玻璃上的圆孔，驳接头暴露在玻璃外面；背切式驳接头深入玻璃厚度大约60％，固定于玻璃内部。通透式驳接头又分为沉头式和浮头式，沉头式驳接头沉人玻璃外表面内，形成的玻璃幕墙表面平整，形式美观；浮头式玻璃幕墙驳接头露在玻璃外面。 玻璃是玻璃幕墙的主要组成部分，它既是玻璃幕墙结构的维护构件，同时也参与整体结构的受力。点支承玻璃幕墙的玻璃一般采用无色透明的钢化夹胶玻璃，形成的玻璃幕墙开敞明亮、晶莹剔透，给人强烈的美的感受。 近年来，国内也开始从事点支撑玻璃技术的研究和应用，如广州新白云国际机场(图10.22)、深圳机场新航站楼、深圳文化中心、天津泰达开发区温室植物园(图10.23)、天津泰达市民文化中心(图10.24)等大型点式玻璃幕墙建筑已投付使用。 图10.22 广州新白云国际机场 图10.23 天津开发区温室植物园 图10.24 天津泰达市民文化广场金字塔 10.6拱形钢结构 钢结构及构件形式多种多样，所表现出的结构设计问题也不尽相同。拱形钢结构是众多钢结构体型中的一种，由于它优美的造型及良好的受力特性，在建筑结构及钢拱桥结构中有着十分广泛的应用，并且随着社会发展及人类生活水平的提高，其建筑和结构造型日益新颖和多样化。目前应用比较多的拱形钢结构的形式有：①实腹式截面拱形钢结构；②腹板开洞(孔)的实腹式截面拱形钢结构；③管桁架式拱形钢结构。 钢结构拱由于其自重轻，特别在全跨荷载作用下具有良好的受力特性，更适合于大跨度结构，但在偏跨荷载作用下其刚度较弱。与钢结构直构件相比，钢结构拱表现出的稳定问题十分突出而且相当复杂，常常是拱结构设计的控制因素。 众所周知，拱形钢结构都存在平面内极值点失稳、平面内二次分岔失稳及平面外失稳三种可能性，它们构成了拱形钢结构稳定性计算和设计理论的核心内容。但是，由于拱形结构的轴线呈曲线变化，其失稳模式呈多样性和不确定性，给其稳定问题的计算带来了一定的难度，致使人们对拱形钢结构在大挠度弹塑性范围内的失稳机理及稳定极限承载力的研究工作大大滞后，至今没有形成成熟且完整的稳定性设计理论和计算方法；在拱结构设计中，设计人员更多的是验算拱形钢结构的强度和刚度，忽略了拱形结构稳定性的计算，即使进行面内稳定性计算，也往往是在线弹性范围内，很难考虑材料的弹塑性及初试缺陷的影响；平面外的稳定性更是没有合理的计算和评价方法。 图10.25腹板开洞的工形截面 10.26金昌机场航站楼 建筑师的丰富想像使得结构的造型愈来愈新颖化，从而给拱形结构的稳定性计算带来了诸多新课题，如腹板开洞的工字形拱形结构(图10.25和图10.26)，其中洞的引入使拱形结构的稳定性计算难上加难；我国新近建成的几个腹板开洞的工形截面的拱形钢结构，设计人员均未考虑其稳定性的计算，无论是平面内稳定性计算还是平面外稳定性计算，其重要原因是没有类似的研究成果或相应的计算公式。目前，玻璃结构在我国大量兴建，建筑师为了追求通透的效果，愈来愈多地采用了开洞的实腹式拱形结构或构件。对这些工程项目，如不进行稳定性验算，必然存在着很大的安全隐患。 图10.27 桁架拱结构 桁架拱形结构(图10.27)广泛地应用于大跨度结构中，如体育馆、会展中心、航站偻等。拱形管桁架结构也类似于实腹式拱形结构，同样存在平面内与平面外的整体失稳问题，特别对于跨度大及矢跨比大的桁架拱形结构，其整体稳定性问题更加突出；如何计算拱形管桁架结构的平面内和平面外稳定性，还是一个没有完全解决的问题。由于桁架断面是由管件组成的格构式截面，其整体稳定性的计算比实腹式拱形钢结构的稳定性计算要复杂得多；加上拱形管桁架结构的截面变化多样(如三角形截面和梯形截面等)、截面高度和宽度也多沿拱轴线变化以及多曲率拱轴线的采用，给计算拱形桁架结构的稳定性带来了很大的难度。 尽管有不少管桁架拱形结构落成，但大部分设计人员对其整体稳定性的计算还不知所措，只是验算单根构件的稳定和强度以及整个结构的跨中挠度，对其在平面内的整体稳定性和平面外的整体稳定性计算还无据可循，更是无法评估其安全程度。目前应用管桁架的拱形结构的工程项目愈来愈多，相贯节点的应用使得人们不能直接利用现有《钢结构设计规范》中关于构件的计算长度系数的规定，更无法计算它的整体稳定性。对这些大跨度桁架拱形结构的面内及面外的稳定性计算还没有成熟的计算方法，人们不得不利用现有的大型结构计算分析软件，在大挠度弹塑性范围内计算它的稳定极限承载力，而且由于每个人的知识水平的不同，可能考虑的影响因素及计算内容不尽相同，其计算结果及评价也有差异。 10.7 高层钢结构新型抗侧力体系——钢板剪力墙 1．钢板剪力墙的构成特点 钢板剪力墙(下简称钢板墙)结构是自20世纪70年代发展起来的一种新型抗侧力结构体系。钢板墙单元由内嵌钢板和竖向边缘构件(柱或竖向加劲肋)、水平边缘构件(梁或竖向加劲肋)构成。当钢板沿结构某跨自上而下连续布置时，即形成钢板剪力墙体系。图10.28为钢板墙的组成示意图。钢板墙整体的受力特性类似于底端固接的竖向悬臂组合梁：竖向边缘构件相当于翼缘，内嵌钢板相当于腹板，而水平边缘构件则可近似等效为横向加劲肋。 过去三十年来，关于钢板墙作为主要水平抗侧力体系的试验研究和数值分析揭示了其独特的性质，包括较大的弹性初始刚度、大变形能力和良好的塑性性能、稳定的滞回特性等，钢板墙已成为一种非常具有发展前景的高层抗侧力体系，尤其适用于高烈度地震区建筑。概括起来，钢板墙主要具有下列特点： ①在弹性阶段，钢板墙有很大的初期刚度，能有效地降低结构的弹性侧移，减小P—△效应；进入屈服阶段后，钢板墙发生塑性变形(厚板)，同时拉力带(薄板)仍能继续承受荷载。研究表明，在循环往复荷载作用下，钢板墙有稳定的滞回性能，具有较大的延性和较强的耗能能力。②钢板墙本身只承受水平力作用，竖向力作用完全由周边的框架柱承担。因此完全符合第一道抗震防线低轴压比的抗震设计要求，是非常理想的抗侧力体系。③研究表明，当结构的侧向刚度相同时，其耗钢量比钢框架或钢框架一支撑方案少。④钢板与梁、柱的连接(焊接或栓接)方式简单易行，施工速度快，可有效地缩短工期，特别适用于已有建筑物的抗震加固。⑤钢板墙体无需布满整个梁跨，这样可以非常方便地在需要的地方开门、窗洞口，也可以布置在门窗洞之间，克服一般斜撑对门窗洞产生的遮挡。⑥本身厚度小，即使加上防火：保温涂层，其体积也远小于钢筋混凝土墙体，占用建筑面积小，尤其对高层建筑能提供宝贵的使用空间。 钢板墙按照是否加劲可分为加劲钢板墙和非加劲钢板墙(图10.29)；按内嵌钢板的厚度大小分为薄钢板墙和厚钢板墙等。在此基础上，研究人员又提出了多种其他形式的钢板墙改进形式，包括开缝钢板墙、钢一混凝土组合钢板墙、低屈服点钢板墙等。 2．钢板墙的工程应用及在地震中的表现 到目前为止，全球采用钢板剪力墙作为抗侧力结构的建筑已达数十幢，主要分布于北美和日本等地震高烈度区。 位于东京的日本钢铁公司Shin Nittetsu Building(20层，1970年完工)，是日本第一幢钢板墙建筑，也是世界上第一幢同类型结构体系的建筑物。该建筑横向采用了五榀H形钢板墙抗侧力体系：钢板尺寸约为3700mm×2750mm，纵横方向均设置了槽钢加劲肋，钢板厚度从4.5到12mm不等，与周边框架焊接。钢板两侧外包50厚防火材料。 北美采用钢板墙作为水平抗侧力体系的代表性建筑，在美国有德州达拉斯的Hyatt Regencyr Hotel(30层)，1978年4月完工。该建筑整体平面呈弧形，且建筑立面由多个高度不同的部分组成。长轴方向采用钢框架一支撑体系，短轴方向采用钢板墙。采用钢板墙方案主要基于以下三个原因：①建筑方面：若采用钢框架，构件断面尺寸会很大，减少了使用空间；若两个方向均采用钢支撑框架，则需要外包很厚的墙体，同样占有了宝贵的空间。②施工方面：由于建筑物不规则，建造商不愿采用钢筋混凝土框架结构。并且，钢框架一混凝土剪力墙结构体系又会因混凝土较长的施工周期而影响整个工程的进度。③经济性：经分析比较，钢板墙体系比采用钢框架结构体系耗钢量大约少1／3。 我国44层的上海新锦江饭店核心筒也采用了钢板墙结构，其钢板厚为100mm。 图10.30为在建的位于洛杉矶51层高的建筑。该建筑采用钢板墙作为主要抗侧力体系。 采用钢板墙的建筑已经历过实际的地震考验并且有着良好的表现。最为成功的一例是神户的一幢35层129.4m高的大楼(Kobe City Hall，图10.31后图)，该楼于1988年建成，经受了1995年阪神大地震。研究人员在震后的调查中发现，该建筑物未出现任何明显的结构破坏，仅在26层发生了加劲钢板墙的局部屈曲；屋顶部位在正北、正西方向的侧移分别只有225mm和35mm。而紧邻其前的八层钢筋混凝土建筑，其中一层被压扁，上部三层整体坍塌并水平滑出较大距离。 加州是美国的地震设防区。在1971年San Frenando地震后，兴建了六层的Sylmar County Hospital，用来取代在地震中严重损坏的OLive View Hospltal。该建筑底部两层为钢筋混凝土剪力墙，上部四层采用了钢板墙结构体系。该建筑内部安置有强震感测和记录装置。经历了1987年Whittier地震和1994年NorthridgE大地震。在1994年Northridge地震中，楼内的记录装置显示的数据表明，顶部最大加速度达到1.71g，最大速度也达到140cm／s2，由此产生的基底剪力是设计值的数倍。然而，震后对该楼的震害调查发现，主要受力构件并没有发生破坏，仅有钢板四周一些焊缝发生微小裂纹。但一些非结构构件如吊顶、喷淋、固定在墙上的电视等却发生了严重损坏。因此，在抗震设计中，非结构构件的连接设计也不容忽视。 3．防屈曲耗能钢板墙 最近，郭彦林教授提出了一种新的钢板剪力墙形式，即防屈曲耗能钢板剪力墙，其构成由内嵌钢板和前后两侧混凝土盖板组成，内嵌钢板采用低屈服点高延性钢材或高强度高延性钢材，与边缘梁柱构件采用螺栓或焊接连接，并与混凝土盖板紧闭贴合；混凝土盖板与边缘梁柱构件留有一定的间隙，保证内嵌钢板在工作时混凝土盖板不与边缘构件接触，避免受到挤压破坏；内嵌钢板与混凝土盖板之间通过穿透三块板的普通螺栓或预应力高强度螺栓连接，在混凝土盖板上开椭圆型孔，以便螺栓有足够的滑移空间；连接螺栓的位置及分布根据内嵌钢板的面内变形及混凝土盖板的约束刚度确定，保证内嵌钢板在混凝土盖板的面外约束作用下，二者不发生面外局部及整体失稳。 防屈曲耗能钢板剪力墙，根据其设计要求可以分为大震滑移的防屈曲钢板墙和完全滑移的防屈曲钢板墙两种。对于所述大震滑移的防屈曲钢板墙，高强度螺栓施加一定的预拉力，在混凝土盖板和内嵌钢板表面之间产生一定的压紧力，在小震作用下既能保证内嵌钢板不发生局部屈曲，也能使混凝土盖板与内嵌钢板通过二者之间的接触磨擦共同承担侧向力；在大震作用下，内嵌钢板和外侧混凝土盖板之间的内力差超过它们之间的摩擦力，于是产生相对滑动，在保证内嵌钢板不发生面外屈曲的情况下，钢板充分的发挥耗能作用。 对于完全滑移的防屈曲钢板墙，螺栓不施加预应力；分别在小震和大震作用下，混凝土盖板与内嵌钢板之间完全滑移。混凝土盖板对钢板仅提供面外约束，不参与面内受力；内嵌钢板提供面内刚度，在大震作用下进行耗能。 防屈曲耗能钢板剪力墙的最大优点是由于其防屈曲功能，钢板在面内有较大的刚度，同时在大震荷载作用下钢板有非常饱满的滞回性能，其耗能效果发挥到了极致。防屈曲耗能钢板剪力墙概念的提出，对高层结构抗侧能力的贡献及钢板墙的消能减震，达到了完美的统一。 在过去的三十年间，对钢板墙的研究大致可分为两大部分：防止内嵌钢板屈曲的和利用钢板屈曲后强度的。一批美国和日本的学者曾主要致力于加劲(厚板)性能的研究：钢板墙被设计成在极限荷载下也不发生屈曲的体系，即以钢板的面外屈曲作为设计极限状态。 利用钢板墙屈曲后强度的概念最先由加拿大学者Thorburn等提出，同时给出了非加劲钢板墙的分析模型——拉杆条模型，并根据最小能量原理给出了计算拉杆倾角的计算公式。清华大学郭彦林教授及其研究小组正在对各种钢板剪力墙体系展开系统深入的理论和试验研究，已经取得了阶段性的研究成果，可望获得完整的钢板剪力墙的计算和设计理论。在此研究基础上，作者提出了防屈曲钢板耗能剪力墙的概念，使钢板墙在小震下提供较大的抗侧力刚度与在大震作用下消能减震达到了完美的结合。 清华大学郭彦林教授及其研究小组正在对各种钢板剪力墙体系展开系统深入的理论和试验研究，已经取得了阶段性的研究成果，可望获得完整的钢板剪力墙的计算和设计理论。先后对加劲和非加劲钢板剪力墙、两侧开缝钢板剪力墙、钢与混凝土组合剪力墙及防屈曲钢板剪力墙进行了比较深入的数值分析或试验研究，其研究成果将补充在正在修订的《高层民用钢结构技术规程》中。 10.8 防屈曲耗能支撑 框架结构和框架—支撑结构在中高层建筑中的应用十分普遍。纯框架结构的抗侧刚度有限，限制了它的应用高度。框架支撑结构在一定程度上解决了抗侧刚度问题，但是在大震作用下，普通支撑存在着受压届曲问题，在往复荷载作用下极易造成支撑本身或连接的破坏或失效，同时支撑屈曲后的滞回耗能能力变差，很难有效地消耗地震能量。防屈曲耗能支撑(BRB)针对普通支撑压屈问题进行了改进，它在支撑杆件外围设置约束层抑制其受压屈曲，工作性能较之普通支撑有明显改善：荷载—位移滞回曲线饱满，延性和耗能能力大大增强。因此，防屈曲耗能支撑框架是一种抗震性能较好的结构形式。 防屈曲耗能支撑在构造上由核心单元和外围约束单元两个基本部件组成，二者之间由无粘结涂层隔开，如图10.32所示。核心单元有一字板形、十字板形、丁字形以及矩形等多种形式，他们通常采用低屈服点钢材(如日本采用LYlOO和LY225)，以保证内核在塑性范围内有足够的延性及变形能力；外围约束单元由矩形或圆形钢管及内填的细石混凝土组成；二者组合可构成多种不同的截面形式，图i0.33给出了其中的几种。 防屈曲耗能支撑的受力机理：轴向拉力和压力仅由核心单元承受．为避免核心单元轴压时发生屈曲，利用外围约束单元提供侧向约束；为了确保外围单元不传递轴向荷载且又保持有效约束，需要在核心单元与约束单元间设置隔绝层。内核单元仅与框架梁连接，从而保证压力和拉力只由内核单元承受。 防屈曲耗能支撑的设计包括确定内核单元的截面形式和尺寸以及外围约束构件的刚度要求；内核单元的截面尺寸根据地震作用力的大小决定，既要保证支撑有一定的抗侧承载力，也要避免支撑设计太强引起结构构件的现行破坏，确保耗能支撑构件先行耗能。在大震作用下，外围约束构件在保证内核板件单元不发生局部屈曲的同时，无粘结消能支撑构件(作为整体)也不会发生整体失稳。由这一条件决定内核构件的宽厚比和外围约束构件的刚度要求。 防屈曲耗能支撑在日本和美国有广泛的应用市场，可以应用在已建结构及新建结构中，图10.34是防屈曲耗能支撑在日本某工程中的应用。 防屈曲耗能支撑不同于一般钢结构制品，由于性能指标直接与制造工艺和材料密切相关，应由专门的钢结构制造厂生产，并应有严格的产品制作和验收标准。 清华大学在修汀《高层民用建筑钢结构技术规程》中负责无粘结消能支撑构件一节的主笔，也正对这一构件进行理论和试验研究，以便提出其合理的设计理论和计算方法。 10.9新型构件及铸钢节点 1．梭形格构式受压构件 随着建(构)筑物设计对外形及技术经济等方面要求的不断提高，梭形格构管柱构件作为近年来出现的一种新型的受力构件形式，在实际工程中的应用日趋广泛，如英国千年穹顶的八管梭形格构柱和我国广州新白云国际机场航站主楼与连接楼的三管梭形格构柱，分别见图10.35和图10.36。 梭形柱主要作为受压承重构件，可分为实腹式梭形构件和格构式梭形构件；实腹式梭形构件以圆钢管、方形钢管和十字形居多，格构式梭形构件大多由圆钢管组成，有两肢、三肢及多肢梭形格构柱；梭形柱建筑造型新颖，稳定性承载力高，是建筑与结构的完美结合；但是，梭形柱制作工艺较复杂，加工费用高。 对于梭形构件的设计，目前各国钢结构规范也无类似构件的计算规定。清华大学对梭形格构柱的研究结果表明，梭形柱的稳定性能与等截面格构柱相比有较大的不同及其独特的特点，前者的失稳模态与构件的几何参数关系极为密切，主要与构件的长细比，分肢的长细比，横向缀件、初始挠度的分布及幅值．有关；在常用参数选择范围内，表现为s形的失稳变形模态。清华大学以广州新白云国际机场项目为依托，对上述三管梭形格构柱进行了深入的理论分析和足尺及模型试验研究，证明了这种构件所特有的破坏模态。近年来，他们的研究工作已经扩展到不同的梭形柱形式，可望获得完整的梭形柱设计理论及计算方法。 2．腹板开洞钢梁及拱 随着人们生活水平的提高，建筑物不再仅仅满足结构受力要求就可以了，人们还提出了美学的要求和使用的要求。其中，腹板开洞的梁和拱就是一种颇具特色的结构形式(图10.37)。 洞常常被引入到结构构件中来，其原因有两类：一类是美学要求或使用功能要求，建筑师或其他专业为了美学的需要、人员的进出或管道设备的穿过，提出开洞的要求；另一类是结构要求，为了降低结构自重，减少冗余，结构工程师把一些发挥作用不显著的部分从结构中剔除出去。 图10.35 英国千年穹顶 图10.36 新白云机场梭形格构柱 图10.37 青岛流亭机场 腹板开洞的梁和拱正是体现了这两类要求。其造型美观，去掉了部分腹板后显得更加轻盈，并且可以让各种管道很方便地通过，在不影响结构功能和使用功能的情况下降低了结构层的高度。从结构的观点来看，在相同重量的情况下，由于翼缘离中和轴远了，截面更加扩展，所以截面的强轴抗弯能力提高了。因此，由这样的截面的结构效率更高，适合于从中等跨度到大跨度的各种结构。开洞的种类也是多种多样的，比如圆形洞，蜂窝洞等。 一些资料显示，以腹板开洞梁代替实腹梁能节省钢材25％～50%，节省油漆和运输安装费用15％～34.6％。从上面可以看出，用腹板开洞构件来代替实腹构件有许多优越性。在国内，腹板开洞的构件也逐渐应用在实际工程项目中，其数量愈来愈多。 对于开洞工形构件，截面较为展开，长细比较大，稳定问题比强度问题和刚度问题更需要引起结构工程师的注意。目前，关于腹板开洞拱的稳定性能的研究还鲜见于国内外的学术期刊和会议论文中，各国规范中也没有具体规定，实际工程的广泛应用还受到很大程度的限制。因此，需要进行关于腹板开洞拱的稳定性能的研究，并给出一些准确可靠而有指导意义的建议和意见。清华大学郭彦林教授及博士牛黄李骥正在从事这一研究工作，期望其研究成果对正在编制的《拱形钢结构技术规程》有借鉴作用。 3．铸钢节点 铸钢结点最早应用于机械工业，近年来已开始应用在建筑结构领域。铸钢结点不仅具有外形光滑美观的优点，而且刚度大，承载力高，特别适合复杂的受力情况以及一些大型的复杂结构中经常出现的多根构件多个方向汇交的节点。对于大跨度复杂结构的支座节点．铸钢节点也是首选之一。铸钢节点对于铸造工艺要求很高，目前对于铸造复杂的空心铸钢节点还有相当大的难度。铸钢结点在树枝结构中应用较多，如德国斯图加特国际机场航站楼的树枝支承结构，深圳文化中心的黄金树结构均采用了铸钢节点。深圳文化中心是我国第一个采用国产铸钢节点的工程项目，随后大批钢结构工程也相继采用了铸钢节点，如老山自行车馆人字柱的支座节点(见图lO。39)。由同济大学和清华大学主编的第一本《建筑铸钢节点技术规程》也在近期问世。 图10.38 铸钢节点 图10.39 老山自行车馆支座节点 10.10 国内大型钢结构工程及其结构形式 1．广州新体育馆 图10.40 广州新体育馆 广州市新体育馆(图10.40)位于广州从化高速公路旁，其西部为广州机场，东部为白云山。新体育馆由三个场馆(主场馆、训练馆和大众体育活动服务中心)及运动员村等附属建筑物组成，总建筑面积为95748m2。三个场馆像三片树叶般飘落在一个曲线型的500m狭长地带上，主场馆建筑面积39635m2，屋盖的长轴×短轴=160m×1lOm，屋顶最高点为33．87m；主场馆屋盖室内透视详图10.40。新体育馆三个场馆屋盖均是由空间梯形主桁架、轻型平面辐射桁架、箱形钢环梁、拉索及上弦平面刚性檩条构成的空间焊接结构，坐落于周边的钢筋混凝土环梁上。主桁架为变截面梯形空间桁架，上下弦均为圆钢管，主桁架截面在拱脚处(接近RT2辐射桁架)突变为两个根扁细方管截面，截面抗弯刚度及轴向刚度急剧降低，主桁架拱脚反力迅速传给RT2桁架等临近的幅射桁架。主桁架在拱脚部位的截面削弱以及辐射桁架变角度的布置形式，使整个结构不再是一个简单的交叉梁系结构。笔者认为这就是结构设计的成功之处；辐射桁架为变高度平面桁架，上弦为方钢管，下弦杆采用双钢管2φ102×19缀板格构式截面，焊接于竖腹杆下端的实心钢棒上，圆管中心肢距为108mm以加大平面外的回转半径，桁架在支座端部的截面突变为厚40mm、高约1600～1300mm钢板，与水平箱形钢环梁焊接；钢环梁与钢筋混凝土平台梁之间的连接形式是竖向固定支撑、径向弹性约束(k=5000kN／m)、切向滑动。拉索分为平面拉索和环向垂直拉索。平面拉索包括四道径向平面拉索和一道环向平面拉索，平面拉索的主要作用是增强屋盖平面的整体刚度，环向垂直拉索不仅增强屋盖结构的空间刚度，更主要的是限制辐射桁架下弦的平面外位移，保证辐射桁架下弦部分受压杆不发生平面外失稳。辐射桁架竖腹杆下端为圆柱实心钢棒。钢棒下端切割成圆弧与两侧直通的圆管下弦杆焊接。 广州新体育馆桁架结构的受力特点主要体现在结构体系的布置上(图10.41)，其一是辐射桁架在主桁架拱脚处形成“爪形”布置，极大地分散了主桁架的拱脚内力；其二是主桁架在拱脚处的截面刚度有意识地削弱，使得主拱的反力向两侧辐射桁架转移，从而也分散了主拱的水平推力。 2．广州国际会展中心 广州国际会展中心(首期)(图10.42)工程位于广州市东南部琶洲岛的国际博览区B区，总用地面积70万m2，总建筑面积约为50万m2；首期总用地面积43.9万 m2，首期建筑面积39.5万m2，总高度约39m，展览大厅为2层，层高15m，本展馆在场地居中布置，一期主体为“L”型，南北长396m，东西长525m；展馆主体采用张弦梁结构，跨度126m。 图10.42广州国际会展中心 广州国际会展中心的外部造型(图lO.43)酷似一条鱼，鱼身是一典型的张弦桁架结构，桁架采用三角形断面，跨度约为126.8m；鱼头是卡车通道，围护结构采用腹板开洞的弧形梁；鱼尾是一翘起的三角形空间桁架，一边由柱子支承。张弦桁架(桁架拱)是一典型的预应力结构，属自平衡体系，适用于大跨度结构，如会展中心和体育馆等。 3．广州新白云国际机场航站楼 广州新白云国际机场位于广州市白云区人和镇，是我国首个按国际枢纽机场标准规划设计的机场，是世界上最大的国际机场之一，总体规划见图10.44。一期总投资逾200亿元，2003年投入使用。它由航站主楼(长325m、宽235m)、连接楼(长460m、宽60m)、指廊和东西高