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我国大跨度空间钢结构应用发展的主要特点
严慧
浙江大学 杭州310027
摘要：醇根据我国网架、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，并阐明推动大跨空间钢结构发展的源动力是产、学、研的紧密结合，保证大跨空间钢结构得以健康发展的是一系列空间结构待业标准的制定，企业资质认证与建筑管理的加强。
关键词：大跨空间钢结构 应用与发展 特点 |
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随着我国经济建设的蓬勃发展，网架、候机厅、会展中心、会堂、剧院等大型公共建筑以及不同类型的工业建筑获得了广泛应用。表1列出了一些具有代表性的大跨空间钢结构工程项目。从我国广泛应用大跨空间钢结构的实际情况出发，本文对其主要特点进行分析，以期进一步推动我国空间结构的发展。
表1 典型大跨空间钢结构工程实例
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结构类型 |
工程项目 |
平面尺寸（m×m） |
结构特征 |
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平板网架 |
沈阳博览中心室内足球场 |
144×204 |
两向正交正放网架 |
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三层网架 |
首都机场四机位机库
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2-153×90 |
三边支承 一边开口 |
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江南造船厂西区焊装车间 |
60×108+60×144 |
上层2台100t,下层4台20t |
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柱面网壳 |
河南鸭口电厂干棚 |
108×90 |
螺栓球节点三芯圆柱面双层网壳 |
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球网壳 |
漳州后石电厂 |
D=122.6m |
五座 |
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单层网壳 |
上海科技域 |
66.9×50.9 |
铝合金 |
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椭圆网壳 |
北京九华海洋巨蛋 |
180×320 |
高56.6m |
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国家大剧院 |
212×143(约) |
高45m(约)钢材,6500t(约) |
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斜拉网壳 |
杭州黄龙体育中心体育场 |
2-244×50×3 |
两双肢塔柱高85m,每肢9索与内环相连 |
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管桁架 |
深圳候机场 机楼（二期） |
悬挑50m 135×174 |
柱网18×54 |
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广州体育馆主馆 |
160×110 |
160m跨、径向78榀幅射桁架,预应力拉索1364根 |
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张弦梁 |
上海浦东机场 |
49.9+82.6+44.4+54.3 |
上弦三根平行方管下弦高强冷拔镀锌钢丝束 |
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张弦立体桁架 |
广州会展中心 |
L=126.5m |
间距15m |
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弓形支架 |
乌鲁木器厂齐游泳馆 |
L=80m |
64榀径向空间桁架,4道环向空间桁架,57个伞状 |
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膜结构 |
上海八万人体育场 |
288.4×274.4 |
拉索膜结构 |
一、结构形式多样化,大跨空间钢结构多姿多彩
上世纪60年代网架在我国开始获得应用以来,到80～90年代大、中、小跨度的网架几乎已经遍及各地.以90年北京亚运会为例,在兴建的场馆中就有7个馆采用了网架、网壳结构,在这期间机械、汽车、化工、轻工等待业先后兴建了许多大面积工业厂房,其中玉溪卷烟厂兴建的车间面积达13.48万㎡(柱网24m×27m),上海江南造船厂西区装焊车间(144+108)m×60m,高有2台100t,4台20t上、下两层吊车,采用的三层网架,成为跨度大、吊吨位大的有代表性的车间,首都机场四机位机库(2-153m×90m)、厦门太古飞机维修库(151.5m×70m)都是具有大开口边的大型三层网架结构.在电厂干煤棚中网架、网壳已基本上代替了以往采用的其它类型的结构,如浙江嘉兴电厂干煤棚(L=103.5m)、扬州二电厂干煤棚（L=103.6m）所采用的三芯圆柱面网壳,浙江台州电厂干煤棚(L=80.14m)采用的折线形网壳都取得了良好的技术经济效果,福建漳州后石电厂煤库(D=122.6m)采用的球面网壳,其用钢量比传统方案大幅度下降.北京九华海洋馆(180×320×56.6m)以及国家大剧院(约212×143×45m)都有将采用大型椭圆球网壳.
近年来兴建的大型公共建筑大多都采用了钢管杆件直接汇交的管桁结构，它的外形丰富、结构轻巧，传力简捷、制作安装方便、经济效果好，是当前应用较多的一种结构体系。如深圳机场航站楼二期工程（135m×174m）采用的管桁结构（柱网18m×54m），就是其中的一项具有代表性的工程。广州新白云机场航站楼主楼（325m×235m）采有季76.9m跨的弧形管桁结构其截面从Φ508×(16～25)mm(弦杆)～Φ244.5×7.1mm(腹杆)以及咸阳机场二期工程(52m+45m)×234m,南京国际展览中心(94m×273m),温州会展中心等也都采用了这类结构.和网格结构相比,这类结构由逐杆相连改为上、下弦杆连续设置，可使屋面单曲率比较方便地形成多曲率，弦杆与腹杆直接汇交相贯，不存在节点连接件。采用杆件相贯连接，其节点钢量可比网格结构减少1-4倍，电焊工作量少2-5倍，结构用钢量可与网格结构持平或有所减小
二、现代预应力技术的引入大跨度空间结构更具活力
在大跨度空间结构中引入现代预应力技术，不仅使结构体形更为丰富而且也使其先进性、合理性、经济性得到充分展示。通过适当配置拉索，或可使结构获得新的中间弹性支点或使结构产生与外载作用反向的内力和挠度而卸载，前者即为斜拉结构体系，后者则为预应力结构体系。这一类“杂交”结构体系将改善原结构的受力状态，降低内力峰值，增强结构刚度、技术经济效果明显提高。目前我国已在80余项大跨空间钢结构工程中应用了预应力技术，如广东清远市体育馆（六点支承，对角柱跨度89m，六块组合型双层扭网壳）在周边设6道预应力索后其用钢量44.3㎏/m,约比原方案节省钢材32%,其它一些类型的风壳结构采用预应力技术后一般都有可节约30%以上的钢材.
浙江黄龙体育中心体育场是我国近年新建的一座大型斜拉网壳结构、它在预应力钢筋砼外环梁与钢箱形内环梁间的两片月牙形平面内分别设置了244m×50m×3m的柱面网壳,并在85m高的两塔柱的4肢与内环梁间设置了36道斜拉索,同时在网壳上弦设置了9根稳定索使与内、外环相连以有效地抵抗风吸力的作用.这种在几乎30层高的塔柱上单向布索的结构体系,除满足建筑造型要求外,在结构设计上并不可取. 西安国际展览中心的屋盖结构(82×163.3)m,采用了斜拉管桁结构、有效地改善中间跨(78.3m)和两边跨(33m)的受力状态,桁架用钢量为68㎏/㎡(如图1所示).
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| 张弦梁结构是一类由下弦索、上弦梁和竖腹杆组成的索杆、梁结构体系,通过对下弦索的张拉,竖腹杆的轴压力使上弦梁产生与外荷载作用相反的内力和变位,起卸载作用, 上海浦东机场航站楼屋盖是一项有代表性的大跨度张弦梁结构,其中售票厅和登机廊的跨度分别达到82.6m和54.3m.它的上弦由三根平行方钢管以短管相连而成,腹杆则为圆钢管,下弦采用高强冷拔镀锌钢丝束(如图2所示).广州会展中心屋盖(如图3所示)采用了张弦立体桁架结构,跨度126.5m,将上弦梁改为上弦空间桁架可比张弦梁可以跨越更大的空间,也更为经济合理.这些工程实践都丰富了大跨空间钢结构的结构形式.在此基础上浙江大学还进行了空间张弦梁结构体系的研究,以满足更大跨度的需要. |
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弓式支架结构是我国科技人员研制开发的一种新型预应力空间钢结构,它由预制拱片、水平系杆、节点体与串段拉筋等小型结构单元通过现场插接组装而成的一种圆柱面屋盖结构。具有传力明确，自重较轻，施工快捷以及可折卸的特点。既可用于永久性建筑也可用于可折卸的临时性建筑，还具有应用于开启式屋盖结构的可能，目前已建成20余幢。如80m跨度的乌鲁木齐石化总厂游泳馆，用钢量仅43.5㎏/㎡.在北京等地的一些短期的大型重要展览活动中,采用40～50m跨度的弓式支架结构作为临时展出场所,都取得了较好的经济效益与社会效益. |
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目前许多高校对索托结构,索网结构等以高强钢索与钢材为主承重结构的预应力钢结构新体系,正在进行理论研究,积极准备工程实践,可以预期新型的预应力大跨空间钢结构不久即涌现在各类建筑中.
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（72×52×58m）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246 Mpa。已超过Q235钢的强度指标，但其弱性模量E=6.96×104N/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,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(45m×150m)所采用的膜结构也是以空间钢结构为其支承骨架(用钢量23㎏/㎡).
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、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为主,直接创办了专业化网架公司,现已成为该校产、学、研的典范.17年来在使网架公司获得健康发展的同时,也培养了近百名硕士、博士研究生,完成了大量的课题研究,设计、施工了千余项工程项目.浙江东南网架集团公司是当前国内一家实力雄厚的大跨空间钢结构的生产企业、其创立、发展过程一直与浙江大学土木系有着密切关系.2001年浙大设计了河南省鸭河口电厂干煤棚（三芯圆柱面双层网壳，L=108m），并提出了在该工程实施“折叠一展开”整体提升的施工方法。浙江东南网架集团公司承接任务后在各方密切配合下通过试验，最终顺利地完成了柱面网壳由“机构”转变为“结构”的过程，使这项新技术得以实现（如图5所示）。清华大学郭彦林教授亲率研究生在现场与中建三局一公司密切配合，将“计算机仿真技术”在广州体育馆成功地实施于屋盖的预应力拉索施工及桁架吊装的全过程，对于确保广州体育馆160m跨度的空间桁架交叉支撑拉索钢结构顺利安装就位起了良好作用，取得了明显的经济效益与社会效益（如图6所示）。
产、学、研的紧密结合对于推动大跨空间钢结构的发展将起重要作用。如何找准结合点，仍是企业高校与设计、研究单位需要不断探索的课题。
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六、强化质量管理，确保大跨空间钢结构的健康发展
确保工程质量对于大跨空间钢结构更具有十分重要的意义。设计、制作、安装过程中质量控制的标准只能是规范、规程所制订的要求。与大跨空间钢结构相关的规程、规范现已逐步趋于完善。如钢结构设计规范，经过修改后将进一步完善，使管桁等大跨空间钢结构的设计更有依据。网壳结构技术规程的编制将使网壳结构的设计与施工建立在更为可靠的基础上。网架结构设计与施工规程（JGJ7-91）网架结构工程质量检验评定标准（JGJ78-91），钢网架（JGJ75.5～75.3-91）,焊结球节点钢网架焊缝超声波探伤及质量分级法(JG/T3034.1-1996)螺栓球节点钢网架焊缝超声波探伤及质量分级法(JG/T3034.2-1996),钢网架螺栓球节点用高强度螺栓(GB/T16939-1997),单层网壳嵌入式毂节点(JG/T136-2001)以及网架结构技术规程(上海市标准)(DBJ08-52-96)铝合金格构结构技术规程(上海市标准)等都对保证网架结构的设计制作安装质量提出了明确的技术要求.
然而目前我国从事大跨钢结构制作的企业技术装备、技术水平和人员技术素质良莠不齐,特别是还有一些不具备设计、施工资质的企业,他们常以灵活的手段、低廉的价格活跃在建筑市场上,扰乱了正常的市场竞争秩序.由他们所承建的工程往往留下质量隐患,一遇突发情况常易酿成重大工程事故.1998年1月在浙江杭州、绍兴一带的大雪即由此而酿成数万平方米的轻钢厂房和个别网架工程的倒塌,他们置规程、规范的技术要求而不顾,在眼前经济利益的驱动下偷工减料、盲目蛮干,这就是无证设计、无证施工所造成的恶果.一些企业虽然具有相关资质,但不严格招待规程、规范的技术要求也有酿成工程事故的教训.如某地一座跨度达70m的网壳结构工程,经5年使用突然整体倒塌.经调查分析,事故的原因主要是当年安装时违反操作规程导致结构支座发生较大错位,后经复位并对明显弯曲损坏的杆件和节点作了更换,但未能及时清查节点中还不恰当地采用了与网架结构设计与施工规程中要求完全不一致的纯橡胶垫块,表明该网壳结构已长期处于带病工作状态.加之使用不当,使金属杆件与节点长期处于腐蚀介质中,不少杆件已被腐蚀而脱离节点.工程倒塌事故后果严重,通过事故分析总结经验教训,防患于未然是至为重要的.
鉴于事故的发生从技术原因分析部是与设计、制作、施工和使用密切相关,因此为了杜绝工程事故的发生必须认真进行设计的审查、审核、对于从事大跨钢结构设计、制作安装的人员必须进行相关考核和资格论证.对于单位则应具有国家技术监督部门资质论证机构发放的资质证书,同时也应健全企业的质量保证体系,对产品形成的每一个环节都有能有效地进行质量控制.从事设计制作安装的人员机构必须明确“责任重于泰山”,质量是企业的生命.同时在工程交工时设计施工单位还应向使用单位明确使用维护要求.强化质量管理是大跨空间钢结构健康发展的生要保证.
随着理论研究的深入和工程实践的大量增加,我国科技人员必将进一步研制开发出适应我国大跨空间钢结构需要的新体系、新技术、新材料,更充分地体现大跨度空间结构的先进性、经济性与合理性,促使我国大跨空间钢结构更积极、健康的发展.使大跨空间结构更好的为我国经济建筑服务.
参考文献
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梁志,李伟峰,广州新白云国际机场航站楼主楼钢结构设计.钢结构,2001.6 | |
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