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大跨空间结构的发展--回顾与展望

作者:未知 来源:应用文写作网 加入时间:2005-12-29 月光软件站

摘要:大跨空间结构是目前发展最快的结构类型。大跨度建筑及作为其核心的空间结构技术的发展状况是代表一个国家建筑科技水平的重要标志之一。本文就空间网格结构和张力结构两大类介绍了国内外(但主要是国外)空间结构的发展现状和前景。对这一领域几个重要理论问题,包括空间结构的形态分析理论、大跨柔性属盖的动力风效应、网壳结构的稳定性和抗震性能等问题的研究提出了看法。 
 
 一、概 述 
 
 在这实际的三维世界里,任何结构物本质上都是空间性质的,只不过出于简化设计和建造的目的,人们在许多场合把它们分解成一片片平面结构来进行构造和计算。与此同时,无法进行简单分解的真正意义上的空间体系也始终没有停止其自身的发展,而且日益显示出一般平面结构无法比拟的丰富多彩和创造潜力,体现出大自然的美丽和神奇。空间结构的卓越工作性能不仅仅表现在三维受力,而且还由于它们通过合理的曲面形体来有效抵抗外荷载的作用。当跨度增大时,空间结构就愈能显示出它们优异的技术经济性能。事实上,当跨度达到一定程度后,一般平面结构往往已难于成为合理的选择。从国内外工程实践来看,大跨度建筑多数采用各种形式的空间结构体系。

  近二十余年来,各种类型的大跨空间结构在美、日、欧等发达国家发展很快。建筑物的跨度和规模越来越大,目前,尺度达150m以上的超大规模建筑已非个别;结构形式丰富多彩,采用了许多新材料和新技术,发展了许多新的空间结构形式。例如 1975年建成的美国新奥尔良“超级穹顶”(Superdome),直径207m,长期被认为是世界上最大的球面网壳;现在这一地位已被1993年建成夏径为222m的日本福冈体育馆所取代,但后者更著名的特点是它的可开合性:它的球形屋盖由三块可旋转的扇形网壳组成,扇形沿圆周导轨移动,体育馆即可呈全封闭、开启1/3或开启2/3等不同状态。1983年建成的加拿大卡尔加里体育馆采用双曲抛物面索网屋盖,其圆形平面直径135m,它是为1988年冬季奥运会修建的,外形极为美观,迄今仍是世界上最大的索网结构。70年代以来,由于结构使用织物材料的改进,膜结构或索-膜结构(用索加强的膜结构)获得了发展,美国建造了许多规模很大的气承式索-膜结构;1988年东京建成的“后乐园”棒球馆,也采用这种结构技术尤为先进,其近似圆形平面的直径为204m;美国亚特兰大为1996年奥运会修建的“佐治亚穹顶”(Geogia Dome,1992年建成)采用新颖的整体张拉式索一膜结构,其准椭圆形平面的轮廓尺寸达192mX241m。许多宏伟而富有特色的大跨度建筑已成为当地的象征性标志和著名的人文景观。 

  由于经济和文化发展的需要,人们还在不断追求覆盖更大的空间,例如有人设想将整个街区、整个广场、甚至整个山谷覆盖起来形成一个可人工控制气候的人聚环境或休闲环境;为了发掘和保护古代陵墓和重要古迹,也有人设想采用超大跨度结构物将其覆盖起来形成封闭的环境。目前某些发达国家正在进行尺度为300m以上的超大跨度空间结构的设计方案探讨。

  可以这样说,大跨空间结构是最近三十多年来发展最快的结构形式。国际《空间结构》杂志主编马考夫斯基(Z.S.Makowski)说:在60年代“空间结构还被认为是一种兴趣但仍属陌生的非传统结构,然而今天已被全世界广泛接受。”从今天来看,大跨度和超大跨度建筑物及作为其核心的空间结构技术的发展状况已成为代表一个国家建筑科技水平的重要标志之一。

  世界各国为大跨度空间结构的发展投入了大量的研究经费。例如,早在20年前美国土木工程学会曾组织了为期 10年的空间结构研究计划,投入经费 1550万美元。同一时期,西德由斯图加特大学主持组织了一个“大跨度空间结构综合研究计划”,每年研究经费100万马克以上。这些研究工作为各国大跨度建筑的蓬勃发展奠定了坚实的理论基础和技术条件。国际壳体和空间结构学会(IASS)每年定期举行年会和各种学术交流活动,是目前最受欢迎的著名学术团体之一。 

  我国大跨度空间结构的基础原来比较薄弱,但随着国家经济实力的增强和社会发展的需要,近十余年来也取得了比较迅猛的发展。工程实践的数量较多,空间结构的类型和形式逐渐趋向多样化,相应的理论研究和设计技术也逐步完善。以北京亚运会(1990)、哈尔滨冬季亚运会(1996)、上海八运会(1997)的许多体育建筑为代表的一系列大跨空间结构——作为我国建筑科技进步的某种象征在国内外都取得了一定影响。 
  种种迹象说明,我国虽然尚是一个发展中国家,但由于国大人多,随着国力的不断增强,要建造更多更大的体育、休闲、展览、航空港、机库等大空间和超大空间建筑物的需求十分旺盛,而且这种需求量在一定程度上可能超过许多发达国家。这是我国空间结构领域面临的巨大机遇。 

  但与国际先进水平相比,我国大跨空间结构的发展仍存在一定差距。主要表现在结构形式还比较拘谨,较少大胆创新之作,说明新颖的建筑构思与先进的结构创造之间尚缺乏理想的有机结合,尤其是150m以上的超大跨度空间结构的工程实践还比较少;结构类型相对地集中于网架和网壳结构,悬索结构用得比较少,而一些有巨大前景的新颖结构形式如膜结构和索-膜结构、整体张拉结构、可开合结构等在国外已有不少成功的工程实践,在我国则还处于空白或艰难起步阶段。情况看来是,我国空间结构的发展经过十余年来在较为平坦的草原上的驰骋之后,似乎遇上了一个需要努力跃上的新台阶。这一新台阶包含材料和生产条件等技术问题,也包含尚未很好解决的一些理论问题。为促进我国空间结构进一步的更高层次的发展,有待科技工作者和企业家努力创造条件,以求得这些技术问题和理论问题较快较好地解决。

  大跨空间结构的类型和形式十分丰富多彩,习惯上分为如下这些类型:钢筋混凝土薄壳结构;平板网架结构;网壳结构;悬索结构;膜结构和索-膜结构;近年来国外用的较多的“索穹顶”(Cable Dome)实际上也是一种特殊形式的索-膜结构;混合结构(Hybrid Structure),通常是柔性构件和刚性构件的联合应用。 
  在上述各种空间结构类型中,钢筋混凝土薄壁结构在50年代后期及60年代前期在我国有所发展,当时建造过一些中等跨度的球面壳、柱面壳、双曲扁壳和扭壳,在理论研究方面还投入过许多力量,制定了相应的设计规程。但这种结构类型日前应用较少,主要原因可能是施工比较费时费事。平板网架和网壳结构,还包括一些未能单独归类的特殊形式,如折板式网架结构、多平面型网架结构、多层多跨框架式网架结构等,总起来可称为空间网格结构。这类结构在我国发展很快,且持续不衰。悬索结构、膜结构和索-膜结构等柔性体系均以张力来抵抗外荷载的作用,可总称为张力结构。这类结构富有发展前景。下面按这两个大类简要介绍我国空间结构的发展状况。 
 
            二、空间网格结构 
  网壳结构的出现早于平板网架结构。在国外,传统的肋环型穹顶已有一百多年历史,而第一个平板网架是1940年在德国建造的(采用Mero体系)。中国第一批具有现代意义的网壳是在50和60年代建造的,但数量不多。当时柱面网壳大多采用菱形“联方”网格体系,1956年建成的天津体育馆钢网壳(跨度52m)和l961年同济大学建成的钢筋混凝土网壳(跨度40m)可作为典型代表。球面网壳则主要采用助环型体系,1954年建成的重庆人民礼堂半球形穹顶(跨度46.32m)和1967年建成的郑州体育馆圆形钢屋盖(跨度64m)习能是仅有的两个规模较大的球面网壳。自此以后直到80年代初期,网壳结构在我国没有得到进一步的发展。

  相对而言自第一个平板网架(上海师范学院球类房,31.5mx40.5m)于1964年建成以来,网架结构一直保持较好发展势头。1967年建成的首都体育馆采用斜放正交网架,其矩形平面尺寸为99mx112m,厚6m,采用型钢构件,高强螺栓连接,用钢指标65kg每平米(1kg每平米≈9.8pa)。1973年建成的上海万人体育馆采用圆形平面的三向网架净架110m,厚6m,采用圆钢管构件和焊接空心球结点,用钢指标47kg每平米。当时平板网架在国内还是全新的结构形式,这两个网架规模都比较大,即使从今天来看仍然具有代表性,因而对工程界产生了很大影响。在当时体育馆建设需求的激励下,国内各高校、研究机构和设计部门对这种新结构投入了许多力量,专业的制作和安装企业也逐渐成长,为这种结构的进一步发展打下了较坚实的基础。改革开放以来的十多年里是我国空间结构快速发展的黄金时期而平板网架结构就自然地处于捷足先登的优先地位。甚至80年代后期北京为迎接1990年亚运会兴建的一批体育建筑中,多数仍采用平板网架结构。在这一时期,网架结构的设计已普遍采用计算机,生产技术也获得很大进步,开始广泛采用装配式的螺栓球结点,大大加快了网架的安装。 

  但事物总是存在两个方面。在平板网架结构一枝独秀地加快发展的同时,随着经济和文化建设需求的扩大和人们对建筑欣赏品位的提高,在设计日益增多的各式各样大跨度建筑时,设计者越来越感觉到结构形式的选择余地有限,无法满足日益发展的对建筑功能和建筑造型多样化的要求。这种现实需求对网壳结构、悬索结构等多种空间结构形式的发展起了良好的刺激作用。由于网壳结构与网架结构的生产条件相同,国内已具备现成的基础,因而从80年代后半期起,当相应的理论储备和设计软件等条件初步完备,网壳结构就开始了在新的条件下的快速发展。建造数量逐年增加,各种形式的网壳,包括球面网壳、柱面网壳、鞍形网壳(或扭网壳)、双曲扁网壳和各种异形网壳,以及上述各种网壳的组合形式均得到了应用;还开发了预应力网受、斜拉网壳(用斜拉索加强网壳)等新的结构体系。近几年来建造了一些规模相当宏大的网壳结构。例如1994年建成的天津体育馆采用肋环斜杆型(Schwedler型)双层球面网壳,其圆形平面净跨108m,周边伸出13.5m,网壳厚度3m,采用圆钢管构件和焊接空心球结点,用钢指标55kg每平米。1995年建成的黑龙江省速滑馆用以覆盖400m速滑跑道,其巨大的双层网壳结构由中央柱面壳部分和两端半球壳部分组成,轮廓尺寸86.2mx191.2m,覆盖面积达15000平米,网壳厚度2.1m,采用圆钢管构件和螺栓球结点,用钢指标50kg每平米。1997年刚建成的长春万人体育馆平面呈桃核形,由肋环型球面网壳切去中央条形部分再拼合而成,体型巨大,如果将外伸支腿计算在内,轮廓尺寸达146mx191.7m,网壳厚度2.8m,其桁架式“网片”的上、下弦和腹杆一律采用方(矩形)钢管,焊接连接,是我国第一个方钢管网壳。这一网壳结构的设计方案是由国外提出的,施工图设计和制作安装由国内完成。 

  在网壳结构的应用日益扩大的同时,平板网架结构并未停止其自身的发展。这种目前来看已比较简单的结构有它自己广泛的使用范围,跨度不拘大小;而已近几年在一些重要领域扩大了应用范围。例如在机场维修机库方面,广州白云机场80m机库(199年)、成都机场 140m机库(1995年)、首都机场2Zmx150m机库(1996年)等大型机库都采用平板网架结构。这些三边支承的平板网架规模巨大,且需承受较重的悬挂荷载,常采用较重型的焊接型钢(或钢管)结构,有时需采用三层网架;其单位面积用钢指标可达到一般公用建筑所用网架的一倍或更多。单层工业厂房也是近几年来平板网架获得迅速发展的一个重要领域。为便于灵活安排生产工艺,厂房的柱网尺寸有日益扩大的趋向,这时平板网架结构就成为十分经济适用的理想结构方案。1991年建成的第一汽车制造厂高尔夫轿车安装车间面积近8万平米(189.2mx421.6m),柱网21mx12m,采用焊接球结点网架,用钢指标31kg每平米。该厂房是目前世界上面积最大的平板网架结构。1992年建成的天津无缝钢管厂加工车间面积为6万平米(108m x 564m),柱网36m x 18m,采用螺栓球结点网架,用钢指标32kg每平米,与传统的平面钢桁架方案比较,节省了47%。鉴于这类厂房的巨大圆积,它们确实为平板网架结构的发展提供了广阔的新领域。十分明显,包括网架和网壳在内的空间网格结构是我国近十余年来发展最快,应用最广的空间结构类型。这类结构体系整体刚度好,技术经济指标优越,可提供丰富的建筑造型,因而受到建设者和设计者的喜爱。我国网架企业的蓬勃发展也为这类结构提供了方便的生产条件。据估计,近几年我国每年建造的网架和网壳结构达800万平方米建筑面积,相应钢材用量约20万t。这么大的数字是任何其它国家无法比拟的,无愧于“网架王国”这一称号,难怪国外有关企业对这一巨大市场垂涎欲滴。 
  如此大的发展势头自然也会带采一些问题。与国际水平相比,我国目前网架生产的工艺水平和质量管理水平尚有一定距离。尤其是在市场需求带动下,大量小型网架企业雨后春笋般成立起来,难免良莠不齐,设计也非总由有经验人士担任。因而大力加强行业管理,切实把握住设计制作和安装质量,是促进我国空间结构进一步健康发展的重要课题。 
 
               三、张力结构 
 
  中国现代悬索结构的发展始于50年代后期和60年代,北京的工人体育馆和杭州的浙江人民体育馆是当时的两个代表作。北京工人体育馆建成于1961年,其圆形屋盖采用车辐式双层悬索体系,直径达94m。浙江人民体育馆建成于1967年,其屋盖为椭圆平面,长径80m,短径60m.采用双曲抛物面正交索网结构。

  世界上最早的现代悬索屋盖是美国于1953年建成的Raleigh体育馆,采用以两个斜放的抛物线拱为边缘构件的鞍形正交索网。我国建造的上述两个悬索结构无论从规模大小或技术水平来看在当时都可以说是达到国际上较先进水平的。但此后我国悬索结构的发展停顿了较长一段时间,一直到80年代,由于大跨度建筑的发展而提出的对空间结构形式多样化的要求,这种形式丰富的轻型结构重新引起了人们的热情,工程实践的数量有较大增长,应用形式趋于多样化理论研究也相应地开展起来形势相当喜人。 

  柔性的悬索在自然状态下不仅没有刚度,其形状也是不确定的。必须采用敷设重屋面或施加预应力等措施,才能赋予一定的形状,成为在外荷作用下具有必要刚度和形状稳定性的结构。值得称道的是,我国的科技人员在学习和吸收国外先进经验的同时,在结合工程具体条件创造更加符合中国国情的结构应用形式方面做了不少尝试和创新。 

  例如,山东省淄博等地把悬索结构应用于中小型屋盖结构中,颇具特色。他们主要采用单层平行索系或伞形辐射索系加钢筋混凝土屋面板的构造方式。施工时先将屋面板挂在索上(使索正好位于板缝中),在板上临时加载使索伸长,然后在板缝中浇灌细石混凝土,待达到一定强度后卸去临时荷载,即形成具有一定预应力的“悬挂薄壳”。这种构造和施工方法不需要复杂的技术和设备,造价也比较低。

  为了提高单层悬索的形状稳定性,在单层平行索系上设置横向加劲梁(或桁架)的办法也是十分有效的。横向加劲构件的作用有二:一是传递可能的集中荷载和局部荷载使之更均匀地分配到各根平行的索上;二是通过下压横向加劲构件的两端到预定位置或通过对索进行张拉使整个体系建立预应力,从而提高屋盖的刚度。从安徽体育馆等几个工程的实践来看这种混合结构体系施工方便,用料经济,是一种成功的创造。 
  由一系列承重索和曲率相反的稳定索组成的预应力双层索系,是解决悬索结构形状稳定性的另一种有效形式。其工作机理与预应力索网有类似之处。1966年瑞典工程师Jawerth首先在斯德哥尔摩滑冰馆采用由一对承重索和稳定索组成被称为“索桁架”的专利体系,其后这种平面双层索系在各国获得相当广泛刚用。我国无锡体育馆也采用了这种体系。作为对这种体系的改进,吉林滑冰馆采用了一种新型的空间双层索系,它的承重索与稳定索在不同一阵平面内,而是错开半个柱距,从而创造了新颖的建筑造型,而且很好地解决了矩形平面悬索屋盖通常遇到的屋面排水问题。这一新颖结构参加了1987年在美国举行的国际先进结构展览。 
  我国悬索结构发展的另一个特点是在许多工程中运用了各种组合手段。主要的方式是将两个以上预应力索网或其它悬索体系组合起来,并设置强大的拱或刚架等结构作为中间支承,形成各种形式的组合屋盖结构。例如四川省体育馆和青岛市体育馆的屋盖是由两片索网和作为中间支承的一对钢筋混凝土拱组合起来的。北京朝阳体育馆由两片索网和被称为“索拱体系”的中央支承结构组成。中央索拱体系由两条悬索和两个钢拱组成,本身是一种混合结构,其概念也具有创新意义。采用各种组合式屋盖不仅进一步丰富了建筑造型,而且往往能更好地满足某些建筑功能上的要求,例如为体育馆建筑提供了“最优”的内部空间。单纯从技术经济角度,单片索网或其它悬索体系可以经济地跨越很大的跨度,本非必须采用中间支承结构。所以,采用组合式屋盖在很多场合毋宁说主要是出于建筑造型和使用功能方面的考虑。从我国这几年的实践效果来看,它在这方面是起到了预期作用的。 

  将斜拉体系引用到屋盖结构中来,可形成一系列混合结构形式。这种体系利用由塔柱顶端伸出的斜拉索为屋盖的横跨结构(主梁、桁架、平板网架等)提供了一系列中间弹性支承,使这些横跨结构不需靠增大结构高度和构件截面即能跨越很大的跨度。前面提到的斜拉网壳也属于这类混合结构。

  尽管十余年来悬索结构取得了可喜的发展,但与网架和网壳结构比较其发展相对较慢,分析起来可能有两方面的原因:(1)悬索结构的设计计算理论相对复杂一些,又缺少具有较高商品化程度的实用计算程序,因而难于为一般设计单位普遇采用;(2)尽管悬索结构的施工并不复杂,但一般施工单位对它不够熟悉,更没有形成专业的悬索结构施工队伍,这也影响建设单位和设计单位大胆采用这种结构形式。

  与此同时,同属于张力结构体系、在国外应用很广的膜结构或索-膜结构在我国则处于艰难起步阶段。除了设计理论储备和生产条件方面的原因外,缺少符合建筑要求的国产膜材是一个主要的制约因素。从国外情况看,1970年大阪万国博览会上的美国馆采用气承式膜结构(俗称充气结构),首次使用以聚氯乙烯(PVC)为涂层的玻璃纤维织物,受到广泛注意,其准椭圆平面的轴线尺寸达14Om x 835m,一般认为是第一个现代意义的大跨度膜结构。70年代初杜邦公司开发出以聚四氟乙烯(PTFE,商品名称Teflon)为涂层的玻璃纤维织物,这种膜材强度高,耐火性、自洁性和耐久性均好,为膜结构的应用起到了积极推动作用。从那时起到1984年,美国建造了一批尺度为138m-235m的体育馆,均采用气承式索-膜结构,取得了极佳的技术经济效果。但这种结构体系也出现了一些问题,主要是田于意外漏气或气压控制系统不稳定而使屋面下瘪,或由于暴风雪天气在屋面形成局部雪兜而热空气融雪系统又效能不足导致屋面下瘪甚至事故。这些问题使人们对气承式膜结构的前途产生怀疑,美国自1985年以后在建造大型体育馆时没有再使用这种结构形式。人们把更多的注意力转到张拉式的膜结构或索-膜结构。但如前面所提,日本在1988年建成的东京后乐园棒球馆仍然采用气承式索-膜结构,不过应用了极为先进的自动控制技术,而且采用双层膜结构,中间可通热空气融雪;中央计算机自动监测风速、雪压、室内气压、膜和索的变形及内力,并自动选择最佳方法来控制室内气压和消除积雪。 

  张拉式膜(或索-膜)结构自80年代以来在发达国家获得极大发展。这种体系与索网结构类似,张紧在刚性或柔性边缘构件上,或通过特殊构造支承在若干独立支点上,通过张拉建立预应力,并获得确定形状。1985年建成的沙特阿拉伯利雅得体育场外径288m,其看台挑蓬由24个连在一起的形状相同的单支柱帐篷式膜结构单元组成。每个单元悬挂于中央支柱,外缘通过边缘索张紧在若干独立的锚固装置上,内缘则蹦紧在直径为133m的中央环索上。1993年建成的美国丹佛国际机场候机大厅采用完全封闭的张拉式膜结构平面尺寸305mx67m,由17个连成一排的双支柱帐篷式单元组成,每个长条形的单元由相距45.7m的两根支柱撑起。这两个工程是比较典型的大型张拉式膜结构的例子。另外还有一类骨架支承式膜结构。例如日本秋田县的“天穹”(Sky dome)是一个切去两边的球面穹顶(D=130m),其主要承重结构是一系列平行的格构式钢拱架,蒙以膜材后,用设在两拱中间的钢索向下拉紧,并在屋面上形成V形排水(雪)沟槽。这种骨架是支承式膜结构的例子也是很多的。然而由美国工程师Geiger根据Fuller的张拉集合体(Tensegrity)概念发展起来的所谓“索穹顶”(Cable Dome),也许是近10年来最为脍炙人口的一种新颖张拉体系。Tensegrity原是指由连续的拉杆与分散的压杆组成的自平衡体系,其指导思想是充分发挥杆件的受拉作用。然而严格意义上的Tensegrity体系未能在工程中实现。Geiger进行了适当改造,提出了支承在圆形刚件周边构件上的预应力拉索-压杆体系,索沿辐射方向布置,并利用膜材作为屋面,他称之为“索穹顶”,并首先用于1988年汉城奥运会的两个体育馆工程。美国的Levy进一步发展这种体系,改用联方形拉索网格,使屋面膜单元呈菱形的双曲抛物面形状,并用于1996年亚特兰大奥运会体育馆,其平面呈准椭圆形,尺寸达24lmx192m。这类张拉式索-压杆-膜体系,重量极轻,安装方便,在大跨度和超大跨度建筑中极具应用前景。 

  与世界先进水平相比,中国在膜结构方面的差距是十分明显的。几年来在理论研究方面做了不少工作,应该说已建立起一定的理论储备。在膜结构应用方面近年来也开始呈现比较活泼的势头。上海为迎接八运会于1997年建成的体育场其看台挑篷采用钢骨架支承的膜结构,总覆盖面积36100平米,是我国首次在大型建筑上采用膜结构;但所用膜材是进口的,施工安装也由外国公司进行,价格较昂贵。值得指出的是,中国已出现了专门从事膜结构制作与安装的企业,他们已兴建了几个较小型的膜结构。国产膜材的质量也正在改进。各种迹象表明,膜结构这一族富有潜力的大跨空间结构新成员在我国的发展已露出桅尖。 
 
            四、理论研究 
 
  (1)空间结构的应用是同相应的理论研究同步发展的。应该说我们在空间结构理论研究大面做了许多工作。主要研究内容偏重于静力作用下的结构性状和分析方法,以满足一般设计工作的要求为主要目标。这些研究为我国空间结构的发展提供了基本的理论支持。早期的工作偏重于以连续化理论为基础的各种解析方法的研究,例如平板网架的拟板解法、网壳的拟壳解法;悬索结构在荷载作用下要产生较大位移,因而计算中应考虑几何非线性,当时发展了一系列适用于不同形式悬索结构的考虑大位移的解析方法。在一段时期内,当计算机尚未广泛运用于结构计算以前,各种解析方法曾对空间结构的发展起过重要作用,但解析方法终究有其局限性,它们具有不同程度的近似性,而且往往仅适用于某些特定的结构形式。 

  计算机的普及和有限元分析方法的广泛运用为空间结构的加速发展创造了真正的条件。许多大型的和特殊形式的新颖空间结构只能用计算机程序进行分析。我国从80年代开始陆续编制出适用于不同空间结构的各种计算机分析程序和CAD软件,且功能日益完备。现在我们设计空间结构几乎全部依靠计算机。事实上,当设计由成千杆件和结点组成的大型空间网格结构,尤其是当采用螺栓球结点时,离开适用的CAD软件是无法想象的。但也应当指出,对某些形式的悬索结构来说,简单实用的解析方法仍然有意义;对于像双层索系等比较简单的体系,解析力法已完全可以提供准确而完整的计算结果。例如,吉林滑冰馆的大型悬索屋盖设计是由简单的手筹来完成的。 

  十余年来关于空间结构研究的一个特点是做了大量的试验。这是我国结构研究领域的一个优良传统。80年代乃至90年代初期建造的几乎每一个有代表性的大型空间结构,都作过模型试验或现场实测。这些试验研究同理论分析工作一起,以及它们之间的相互印证,使我们对原来可能比较生疏的各种新颖空间结构的基本性能了解得越来越全面,为设计这些结构积累起比较丰富的理论储备。 

  (2)除了关于各种类型空间结构的基本性状和计算方法的研究以外,一些更为基础性的理论研究也受到了重视,例如关于网壳稳定性的研究已取得许多重要成果。 

  稳定性是网壳结构、尤其是单层网壳结构设计中的关键问题,也是国内外十多年来的热点研究领域。结构的稳定性能可以从其荷载-位移全过程曲线中得到完整的概念;这种全过程曲线要由较精确的非线性分析得出。从非线性分析的角度来考察,结构的稳定问题和强度问题是相互联系在一起的。结构的荷载-位移全过程曲线可以把结构的强度、稳定性以至于刚度的整个变化历程表示得清清楚楚。当考察创始缺陷和荷载分布方式等因素对实际网壳结构稳定性能的影响时,也均可从全过程曲线的规律性变化中进行研究。

  但是当利用计算机对具有大量自由度的复杂体系进行有效的非线性有限元分析尚未能允分实现的时候,要进行网壳结构的全过程分析是十分困难的。在较长一段时期内,人们不得不求助于连续化理论(“拟壳法”)将网壳转化为连续壳体结构,然后通过某些近似的非线性解析方法来求出壳体结构的稳定性承载力。这种方法显然有较大局限性:连续化壳体稳定性理论本身并未完善,事实上仅对少数特定的壳体(例如球面壳)才能得出较实用的公式;此外,所讨论的壳体一般是等厚度的和各向同性的,无法反映实际网壳结构的不均匀构造和各向异性的特点。因此,在许多重要场合还必须依靠细致的模型试验来测定稳定性承载力,讲与可能的计算结果相互印证。 

  随着计算机的发展和广泛应用,非线性有限元分析方法兴起,并逐渐成为结构稳定性分析中的有力工具。我国从80年代后期开始也积极开展以非线性全过程分析为基础的网壳稳定性研究。在总结国外已取得成果的基础上,在理论表达式的精确化、合理选用平衡路径跟踪的计算方法、灵活的迭代策略等方面进行了深入细致的探索,使具有大量自由度的复杂结构体系的全过程分析成为可能;并编制出相应的分析程序。此外,在研究初始缺陷对网壳稳定性的影响时,对所提出的“一致缺陷模态祛”(即认为初始缺陷按最低屈 
曲模态分布时可能具有最不利影响)的合理性和有效性进行了仔细论证,并使之规范化。 

  在上述理论成果的基础上,采用大规模参数分析的方法,进行了网壳稳定性分所实用方法的研究。即结合不同类型的网壳结构,在其基本参数(几何参数、构造参数、荷载参数等)的常用变化范围内,进行大规模的实际结构全过程分析,对所得结果进行统计分析和归纳,考察网壳稳定性的变化规律,最后通过回归分析提出网壳稳定性验算的实用公式。近几年来,共计对2800余例各种形式的实际尺寸网壳结构进行了全过程分析,得到了相当规律性的结果。所提出的实用公式用起来比较简便,然而是建立在精确分析方法的基础之上的。这一工作很受广大设计部门欢迎。这些公式已列入正在编制的“网壳结构技术规程”(征求意见稿)。应该说,我国关于网壳稳定性的研究是相当深入和细致的。 

  (3)相对来说,国内外关于网壳结构在风和地震荷载作用下的反应研究得较少。作者个人认为,对网壳结构来说,风荷载的动力作用可能不是设计中的主要问题,但随着网壳尺度的增大,深入研究其抗地震性能则具有重要意义。在抗震领域,对高层和高耸结构研究得比较透彻;但网壳等大跨结构的动力性能具有不同特点,例如其频率分布比较密集,往往从最低阶算起前面数十个振型都可能对其地震反应有贡献,因而一般的振型分解法是否适用是一个值得探讨的问题,不同方法(包括竖向)的地震作用引起的反应往往是同量级的,因此考虑多维输入可能是一个相当重要的问题;国外已建的和我国今后将要建的一些超大跨度网壳尺度十分巨大,因而在计算中也许有必要考虑地震动力的空间相关性;此外,单层网壳结构在静力作用下的稳定性是设计中的重要因素,它们在地震作用下同样存在动力失稳问题,其严重性如何?对于某些动力反应过大的网壳结构,是否有必要采取适当的振动控制措施?诸如此类问题都是我国学术界正在深入思考或已着手进行研究的问题。 

  (4)具有曲面形状的空间结构是最充分地利用形状来抵抗外力作用的结构形式,所以空间结构的形体设计(或从理抡分析角度称作形态分析)具有十分重要的意义。对于钢筋混凝土薄壳和钢网壳等较刚性的体系,其形态分析主要涉及结构几何形状的优化。对索网、膜和索-膜等柔性结构体系,形态分析具有更基本的意义,因为在一定边界条件下,柔性体系仅当存在适当预应力时才具有确定的形状,且其几例形状是随支承条件和预应力分布形态而变化的;因而结构设计的首要内容就是所谓的“找形”( Form-finding),借此来确定形状-预应力-支承条件这一综合系统与使用要求之间的优化组合。“找形”一般采用非线性有限元分析方法,但理论上远未定型。英国Barnes等提出的动力松弛法和德国Linkwitz等提出的力密度法等近似方法也能成功地应用于一些特定类型问题。日本半谷近年来提出形态分析的概念试图使空间结构的形体设计理论进一步系统化,很有意义。这一理论有待继续发展。我国在悬索结构和膜结构的“找形分析”或更确切地说“初始平衡状态分析”方面作过不少工作,并编制了一些相应的软件。今后似应在下列两方面进行更系统的理论研究工作:一方面是在总结现有分析方法的基础上,建立起统一的形态分析理论,与计算机图形学相结合,系统跟踪柔性空间结构的成形——受力全过程并形成相应的软件;另一方面是在形态分析理论的基础上,提出空间结构几何形状的优化准则和分析方法。 

  (5)膜结构和索-膜结构等柔性体系自振频率较低,是风敏感性结构,因而研究这类结构在风作用下的反应及其抗风设计方法十分重要。这一课题具有较大理论难度,国内外研究尚少,在许多方面基本上是空白,因而开展这一研究尤具重要意义。 

  我们对悬索结构的风振问题做过一定研究,针对这种大跨柔性结构频域宽且频率分布密集的特点,提出了适用的随机风振反应分析方法;并且,针对悬索结构这种非线性体系,提出了广义风振系数的概念,通过大规模参数分析,为椭圆形及菱形平面的常用索网结构提出了简便的实用计算方法。还组织过相应的刚性模型和气弹模型的风洞实验。 

  对于不同的结构体系,其风振特性也有差别。采用传统屋面材料的悬索结构整体工作性能相对较好(局部变形较小),结构的整体位移对气流场的改变不大。这类结构在风作用下的振动一般属于限幅随机振动。膜和索-膜结构具有不同特点,膜既是受力构件又是覆面材料,且质轻面薄,结构的局部刚度很小,在风作用下,局部膜单元的加速度和速度反应较大,可能对周围的空气紊流速度产生影响,导致气弹反应和颤振。因此在研究膜结构和索-膜结构的风振问题时,应对可能的动力失稳问题进行深入的理论分析和风洞实验研究。 
  作者相信,在做好上面这些理论研究工作以后,将使我国大跨空间结构领域形成较完整的理论体系并进入世界先进行列,为我国大跨度建筑的进一步发展提供充分的理论支持。 
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                    参考文献 
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1、蓝天,空间结构的十年——从中国看世界,第六届空间结构学术会议论文集,广州,1992 
2、Makowski Z S. Space Structure-A Review of Development in Last Decade ,Space Structure IV,London,1993 
3、董石麟,姚谏,网壳结构的未来与展望,空间结构(创刊号),1994 
4、沈世钊,中国悬索结构的发展,工业建筑,1994(6) 
5、Shen Shizhao, The development of spatial structures in China (Invited Report), IASS Asia-Pacific Conference on Shell and Spatial Spatial Structures, Beijing, 1996 
6、李中立,吴健生,国外膜结构在大跨度结构中的应用与发展趋势,空间结构,1996(3) 
7、蓝天,膜结构的发展及其在中国的应用前景,第八届空间结构学术会议论文集,开封,1997 

 

作者:沈世钊 


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