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大跨空间结构的发展--回顾与展望

时间:2021-11-21 12:39编辑:admin来源:博亚体育app下载当前位置:主页 > 博亚体育app下载花语大全 > 满天星花语 >
本文摘要:概要:大横跨空间结构是目前发展最慢的结构类型。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最重要标志之一。 本文就空间网格结构和张力结构两大类讲解了国内外(但主要是国外)空间结构的发展现状和前景。对这一领域几个最重要理论问题,还包括空间结构的形态分析理论、大横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明确提出了观点。

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概要:大横跨空间结构是目前发展最慢的结构类型。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最重要标志之一。

本文就空间网格结构和张力结构两大类讲解了国内外(但主要是国外)空间结构的发展现状和前景。对这一领域几个最重要理论问题,还包括空间结构的形态分析理论、大横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明确提出了观点。关键词:大跨度空间结构结构设计 一、阐述    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,只不过出于修改设计和修建的目的,人们在许多场合把它们分解成一片片平面结构来展开结构和计算出来。

与此同时,无法展开非常简单分解成的确实意义上的空间体系也一直没暂停其自身的发展,而且日益表明出有一般平面结构无法比拟的丰富多彩和建构潜力,反映出大大自然的美丽和神秘。空间结构的卓越工作性能某种程度展现出在三维受力,而且还由于它们通过合理的曲面形体来有效地抵抗外荷载的起到。

当跨度减小时,空间结构就愈多能表明出有它们出色的技术经济性能。事实上,当跨度超过一定程度后,一般平面结构往往已难以沦为合理的自由选择。

从国内外工程实践中来看,大跨度建筑多数使用各种形式的空间结构体系。  将近二十余年来,各种类型的大横跨空间结构在美、日、欧等发达国家发展迅速。

建筑物的跨度和规模更加大,目前,尺度约150m以上的超大规模建筑已非个别;结构形式丰富多彩,使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年竣工的美国新奥尔良超级穹顶(Superdome),直径207m,长年被指出是世界上仅次于的球面网壳;现在这一地位已被1993年竣工夏径为222m的日本福冈体育馆所代替,但后者更加知名的特点是它的可开闭性:它的球形屋盖由三块可转动的扇形网壳构成,扇形沿圆周导轨移动,体育馆才可呈圆形全封闭、打开1/3或打开2/3等有所不同状态。

1983年竣工的加拿大卡尔加里体育馆使用双曲抛物面索网屋盖,其圆形平面直径135m,它是为1988年冬季奥运会修筑的,外形十分美观,目前为止仍是世界上仅次于的索网结构。70年代以来,由于结构用于织物材料的改良,膜结构或索-膜结构(用索强化的膜结构)取得了发展,美国修建了许多规模相当大的气承式索-膜结构;1988年东京竣工的后乐园棒球馆,也使用这种结构技术最为先进设备,其近似于圆形平面的直径为204m;美国亚特兰大为1996年奥运会修筑的佐治亚穹顶(GeogiaDome,1992年竣工)使用精致的整体张拉式索一膜结构,其定椭圆形平面的轮廓尺寸约192mX241m。

许多宏大而富裕特色的大跨度建筑已沦为当地的象征性标志和知名的人文景观。  由于经济和文化发展的必须,人们还在大大执着覆盖面积更大的空间,例如有人设想将整个街区、整个广场、甚至整个山谷覆盖面积一起构成一个可人工控制气候的人凝环境或休闲娱乐环境;为了考古和维护古代陵墓和最重要古迹,也有人设想使用超大跨度结构物将其覆盖面积一起构成堵塞的环境。目前某些发达国家正在展开尺度为300m以上的超大跨度空间结构的设计方案探究。  可以这样说道,大横跨空间结构是最近三十多年来发展最慢的结构形式。

国际《空间结构》杂志主编马考夫斯基(Z.S.Makowski)说道:在60年代空间结构还被指出是一种兴趣但仍科陌生的非传统结构,然而今天已被全世界普遍拒绝接受。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沦为代表一个国家建筑科技水平的最重要标志之一。  世界各国为大跨度空间结构的发展投放了大量的研究经费。

例如,早在20年前美国土木工程学会曾的组织了为期10年的空间结构研究计划,投放经费1550万美元。同一时期,西德由斯图加特大学主持人的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下了扎实的理论基础和技术条件。

国际壳体和空间结构学会(IASS)每年定期举办年会和各种学术交流活动,是目前最热门的知名学术团体之一。  我国大跨度空间结构的基础原本较为脆弱,但随着国家经济实力的强化和社会发展的必须,将近十余年来也获得了较为快速增长的发展。

工程实践中的数量较多,空间结构的类型和形式渐渐趋向多样化,适当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横跨空间结构作为我国建筑科技进步的某种象征物在国内外都获得了一定影响。  种种迹象解释,我国虽然尚是一个发展中国家,但由于国大人多,随着国力的大大强化,要修建更加多更大的体育、休闲娱乐、展出、航空港、机库等大空间和超大空间建筑物的市场需求十分充沛,而且这种需求量在一定程度上有可能多达许多发达国家。

这是我国空间结构领域面对的极大机遇。  但与国际先进设备水平比起,我国大横跨空间结构的发展仍不存在一定差距。主要展现出在结构形式还较为严肃,较较少大胆创意之作,解释精致的建筑构想与先进设备的结构建构之间尚能缺少理想的有机融合,特别是在是150m以上的超大跨度空间结构的工程实践中还较为较少;结构类型比较地集中于网架和网壳结构,桥面结构用得较为较少,而一些有极大前景的精致结构形式如膜结构和索-膜结构、整体张拉结构、可开闭结构等在国外有数不少顺利的工程实践中,在我国则还正处于空白或艰苦跟上阶段。

情况显然是,我国空间结构的发展经过十余年来在更为平缓的草原上的遨游之后,或许碰上了一个必须希望推上的新台阶。这一新台阶包括材料和生产条件等技术问题,也包括仍未很好解决问题的一些理论问题。为增进我国空间结构更进一步的更加高层次的发展,尚待科技工作者和企业家希望创造条件,以求出这些技术问题和理论问题较快较好地解决。

  大横跨空间结构的类型和形式十分丰富多彩,习惯上分成如下这些类型:钢筋混凝土薄壳结构;平板网架结构;网壳结构;桥面结构;膜结构和索-膜结构;近年来国外用的较多的索穹顶(CableDome)实质上也是一种类似形式的索-膜结构;混合结构(HybridStructure),一般来说是柔性构件和刚性构件的牵头应用于。  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,当时修建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放过许多力量,制订了适当的设计规程。但这种结构类型日前应用于较较少,主要原因有可能是施工较为费时费事。

平板网架和网壳结构,还包括一些没能分开归类的类似形式,如腰板式网架结构、多平面型网架结构、多层多横跨框架式网架结构等,总一起可称作空间网格结构。这类结构在我国发展迅速,且持续可谓。桥面结构、膜结构和索-膜结构等柔性体系皆以张力来抵抗外荷载的起到,可总称作张力结构。

这类结构富裕发展前景。下面按这两个大类详细讲解我国空间结构的发展状况。

    二、空间网格结构  网壳结构的经常出现早于于平板网架结构。在国外,传统的肋环型穹顶有数一百多年历史,而第一个平板网架是1940年在德国修建的(使用Mero体系)。

中国第一批具备现代意义的网壳是在50和60年代修建的,但数量不多。当时柱面网壳大多使用菱形联方网格体系,1956年竣工的天津体育馆钢网壳(跨度52m)和l961年同济大学竣工的钢筋混凝土网壳(跨度40m)可作为典型代表。球面网壳则主要使用幸环型体系,1954年竣工的重庆人民礼堂半球形穹顶(跨度46.32m)和1967年竣工的郑州体育馆圆形钢屋垫(跨度64m)习能是仅有的两个规模较小的球面网壳。

自此以后直到80年代初期,网壳结构在我国没获得更进一步的发展。  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年竣工以来,网架结构仍然维持较好发展势头。

1967年竣工的首都体育馆使用横敲向量网架,其矩形平面尺寸为99mx112m,薄6m,使用型钢构件,高强螺栓相连,用钢指标65kg每平米(1kg每平米9.8pa)。1973年竣工的上海万人体育馆使用圆形平面的三向网架净架110m,薄6m,使用圆钢管构件和焊空心球结点,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,这两个网架规模都较为大,即使从今天来看依然具备代表性,因而对工程界产生了相当大影响。在当时体育馆建设市场需求的鼓舞下,国内各高校、研究机构和设计部门对这种新的结构投放了许多力量,专业的制作和加装企业也渐渐茁壮,为这种结构的更进一步发展奠定了较扎实的基础。

改革开放以来的十多年里是我国空间结构较慢发展的黄金时期而平板网架结构就大自然地正处于捷足先登的优先地位。甚至80年代后期北京为庆贺1990年亚运会修建的一批体育建筑中,多数仍使用平板网架结构。在这世纪末,网架结构的设计已广泛使用计算机,生产技术也取得相当大变革,开始普遍使用装配式的螺栓球结点,大大减缓了网架的加装。

  但事物总是不存在两个方面。在平板网架结构一枝独秀地减缓发展的同时,随着经济和文化建设市场需求的不断扩大和人们对建筑喜爱品位的提升,在设计日益激增的各式各样大跨度建筑时,设计者更加感觉到结构形式的自由选择余地受限,无法符合日益发展的对建筑功能和建筑造型多样化的拒绝。

这种现实市场需求对网壳结构、桥面结构等多种空间结构形式的发展起了较好的刺激作用。由于网壳结构与网架结构的生产条件完全相同,国内已不具备现成的基础,因而从80年代后半期起,当适当的理论储备和设计软件等条件可行性完善,网壳结构就开始了在新的条件下的较慢发展。修建数量大幅减少,各种形式的网壳,还包括球面网壳、柱面网壳、鞍形网壳(或叉网壳)、双曲施明德网壳和各种异形网壳,以及上述各种网壳的人组形式皆获得了应用于;还研发了预应力网不受、斜拉网壳(用斜拉索强化网壳)等新的结构体系。近几年来修建了一些规模非常宏伟的网壳结构。

例如1994年竣工的天津体育馆使用肋环斜杆型(Schwedler型)双层球面网壳,其圆形平面清净横跨108m,周边张开13.5m,网壳厚度3m,使用圆钢管构件和焊空心球结点,用钢指标55kg每平米。1995年竣工的黑龙江省花样滑冰馆借以覆盖面积400m花样滑冰滑行道,其极大的双层网壳结构由中央柱面壳部分和两端半球壳部分构成,轮廓尺寸86.2mx191.2m,覆盖面积约15000平米,网壳厚度2.1m,使用圆钢管构件和螺栓球结点,用钢指标50kg每平米。1997年刚竣工的长春万人体育馆平面呈圆形桃核形,由肋环型球面网壳截去中央条形部分再行拼接而出,体型极大,如果将外伸支腿计算出来在内,轮廓尺寸约146mx191.7m,网壳厚度2.8m,其桁架式网片的上、下弦和腹杆不准使用方(矩形)钢管,焊相连,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明确提出的,施工图设计和制作加装由国内已完成。

  在网壳结构的应用于日益不断扩大的同时,平板网架结构未暂停其自身的发展。这种目前来看已比较简单的结构有它自己普遍的用于范围,跨度不拘大小;而已近几年在一些最重要领域不断扩大了应用于范围。

例如在机场修理机库方面,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)等大型机库都使用平板网架结构。这些三边受力的平板网架规模极大,且须要忍受较轻的挂荷载,经常使用较重型的焊型钢(或钢管)结构,有时须要使用三层网架;其单位面积用钢指标可超过一般公用建筑所用网架的一倍或更加多。单层工业厂房也是近几年来平板网架取得很快发展的一个最重要领域。

为便于灵活性决定生产工艺,厂房的柱网尺寸有日益不断扩大的趋向,这时平板网架结构就沦为十分经济限于的理想结构方案。1991年竣工的第一汽车制造厂高尔夫轿车加装车间面积近8万平米(189.2mx421.6m),柱网21mx12m,使用焊球结点网架,用钢指标31kg每平米。

该厂房是目前世界上面积仅次于的平板网架结构。1992年竣工的天津无缝钢管厂加工车间面积为6万平米(108mx564m),柱网36mx18m,使用螺栓球结点网架,用钢指标32kg每平米,与传统的平面钢桁架方案较为,节省了47%。

鉴于这类厂房的极大圆积,它们显然为平板网架结构的发展获取了辽阔的新领域。十分显著,还包括网架和网壳在内的空间网格结构是我国将近十余年来发展最慢,应用于最广的空间结构类型。这类结构体系整体刚性好,技术经济指标良好,可获取非常丰富的建筑造型,因而受到建设者和设计者的青睐。

我国网架企业的蓬勃发展也为这类结构获取了便利的生产条件。据估计,近几年我国每年修建的网架和网壳结构约800万平方米建筑面积,适当钢材用量大约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,不该国外有关企业对这一极大市场垂涎欲滴。

  如此大的发展势头大自然也不会带上采行一些问题。与国际水平比起,我国目前网架生产的工艺水平和质量管理水平另有一定距离。特别是在是在市场需求造就下,大量小型网架企业雨后春笋般正式成立一起,不免良莠不齐,设计也非总由有经验人士兼任。

因而大力加强行业管理,贯彻把握住设计制作和加装质量,是增进我国空间结构更进一步身体健康发展的最重要课题。   三、张力结构    中国现代桥面结构的发展始自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。北京工人体育馆竣工于1961年,其圆形屋盖使用车辐式双层桥面体系,直径约94m。浙江人民体育馆竣工于1967年,其屋垫为椭圆平面,长径80m,短径60m.使用双曲抛物面向量索网结构。

  世界上最先的现代桥面屋盖是美国于1953年竣工的Raleigh体育馆,使用以两个斜放的抛物线拱为边缘构件的鞍形向量索网。我国修建的上述两个桥面结构无论从规模大小或技术水平来看在当时都可以说道是超过国际上较先进设备水平的。

但此后我国桥面结构的发展中断了较长一段时间,仍然到80年代,由于大跨度建筑的发展而明确提出的对空间结构形式多样化的拒绝,这种形式非常丰富的轻型结构新的引发了人们的热情,工程实践中的数量有较小快速增长,应用于形式渐趋多样化理论研究也适当地积极开展一起形势非常喜人。  柔性的桥面在大自然状态下不仅没刚性,其形状也是不确认的。

必需使用下穿轻屋面或产生预应力等措施,才能彰显一定的形状,沦为独自荷起到下具备适当刚性和形状稳定性的结构。有一点推崇的是,我国的科技人员在自学和吸取国外先进经验的同时,在融合工程具体条件建构更为合乎中国国情的结构应用于形式方面做到了不少尝试和创意。  例如,山东省淄博等地把桥面结构应用于中小型屋盖结构中,极具特色。

他们主要使用单层平行索系或伞形电磁辐射索系特钢筋混凝土屋面板的结构方式。施工时再行将屋面板悬挂在索上(使索正好坐落于板缝中),在板上临时读取使索弯曲,然后在板缝中青草细石混凝土,待超过一定强度后卸去临时荷载,即构成具备一定预应力的挂薄壳。这种结构和施工方法不必须简单的技术和设备,耗资也较为较低。

  为了提升单层桥面的形状稳定性,在单层平行索系上设置纵向加劲梁(或桁架)的办法也是十分有效地的。纵向加劲构件的起到有二:一是传送有可能的集中于荷载和局部荷载使之更加均匀分布地分配到各根平行的索上;二是通过滑动纵向加劲构件的两端到预计方位或通过对索展开张拉使整个体系创建预应力,从而提升屋盖的刚性。从安徽体育馆等几个工程的实践中来看这种混合结构体系施工便利,用料经济,是一种顺利的建构。

  由一系列顶盖索和曲率忽略的平稳索构成的预应力双层索系,是解决问题桥面结构形状稳定性的另一种有效地形式。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使用由一对顶盖索和平稳索构成被称作索桁架的专利体系,其后这种平面双层索系在各国取得非常普遍刚刚用。

我国无锡体育馆也使用了这种体系。作为对这种体系的改良,吉林滑冰馆使用了一种新型的空间双层索系,它的顶盖索与平稳索在有所不同一阵平面内,而是一段距离半个柱距,从而建构了精致的建筑造型,而且很好地解决了矩形平面桥面屋盖一般来说遇上的屋面灌溉问题。这一精致结构参与了1987年在美国举办的国际先进设备结构展出。

  我国桥面结构发展的另一个特点是在许多工程中运用了各种人组手段。主要的方式是将两个以上预应力索网或其它桥面体系人组一起,并设置强劲的拱顶或刚架等结构作为中间受力,构成各种形式的人组屋盖结构。

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受力的一对钢筋混凝土拱顶人组一起的。北京朝阳体育馆由两片索网和被称作索拱体系的中央受力结构构成。中央索拱体系由两条桥面和两个钢拱顶构成,本身是一种混合结构,其概念也具备创意意义。

使用各种组合式屋盖不仅更进一步非常丰富了建筑造型,而且往往能更佳地符合某些建筑功能上的拒绝,例如为体育馆建筑获取了拟合的内部空间。全然从技术经济角度,单片索网或其它桥面体系可以经济地横跨相当大的跨度,本非必需使用中间受力结构。所以,使用组合式屋盖在很多场合毋宁说道主要是出于建筑造型和用于功能方面的考虑到。

从我国这几年的实践中效果来看,它在这方面是起着了预期起到的。  将斜拉体系提到到屋垫结构中来,可构成一系列混合结构形式。这种体系利用由塔柱顶端张开的斜拉索为屋盖的跨越结构(主梁、桁架、平板网架等)获取了一系列中间弹性受力,使这些跨越结构不需靠减小结构高度和构件横截面即能横跨相当大的跨度。

前面提及的斜拉网壳也归属于这类混合结构。  尽管十余年来桥面结构获得了尚之信的发展,但与网架和网壳结构较为其发展比较较快,分析一起有可能有两方面的原因:(1)桥面结构的设计计算出来理论比较简单一些,又缺乏具备较高商品化程度的简单计算出来程序,因而难以为一般设计单位普遇使用;(2)尽管桥面结构的施工并不简单,但一般施工单位对它过于熟知,更加没构成专业的桥面结构施工队伍,这也影响建设单位和设计单位大胆使用这种结构形式。  与此同时,同归属于张力结构体系、在国外应用于很广的膜结构或索-膜结构在我国则正处于艰苦跟上阶段。

除了设计理论储备和生产条件方面的原因外,缺乏合乎建筑拒绝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使用气承式膜结构(又称充气结构),首次用于以聚氯乙烯(PVC)为涂层的玻璃纤维织物,受到普遍留意,其定椭圆平面的轴线尺寸约14Omx835m,一般指出是第一个现代意义的大跨度膜结构。70年代初杜邦公司研发出以聚四氟乙烯(PTFE,商品名称Teflon)为涂层的玻璃纤维织物,这种膜材强度低,耐火性、自洁性和耐久性皆好,为膜结构的应用于起着了大力推展起到。

从那时起到1984年,美国修建了一批尺度为138m-235m的体育馆,皆使用气承式索-膜结构,获得了极好的技术经济效果。但这种结构体系也经常出现了一些问题,主要是田于车祸漏气或气压控制系统不平稳而使屋面下大头,或由于暴风雪天气在屋面构成局部雪兜而热空气融雪系统又效能严重不足造成屋面下大头甚至事故。这些问题使人们对气承式膜结构的前途产生猜测,美国自1985年以后在修建大型体育馆时没再行用于这种结构形式。人们把更好的注意力转至张拉式的膜结构或索-膜结构。

但如前面所托,日本在1988年竣工的东京后乐园棒球馆依然使用气承式索-膜结构,不过应用于了十分先进设备的自动控制技术,而且使用双层膜结构,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,并自动自由选择最佳方法来掌控室内气压和避免积雪。  张拉式膜(或索-膜)结构自80年代以来在发达国家取得很大发展。这种体系与索网结构类似于,张紧在刚性或柔性边缘构件上,或通过类似结构受力在若干独立国家支点上,通过张拉创建预应力,并取得确认形状。1985年竣工的沙特阿拉伯利雅得体育场外径288m,其球场滚蓬由24个连在一起的形状完全相同的单支柱帐篷式膜结构单元构成。

每个单元挂于中央支柱,外缘通过边缘索张凸在若干独立国家的锚固装置上,内缘则青蛙凸在直径为133m的中央环索上。1993年竣工的美国丹佛国际机场候机大厅使用几乎堵塞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构成,每个长条形的单元由距离45.7m的两根支柱拉起。

这两个工程是较为典型的大型张拉式膜结构的例子。另外还有一类骨架受力式膜结构。

例如日本秋田县的天穹(Skydome)是一个托去两边的球面穹顶(D=130m),其主要顶盖结构是一系列平行的格构式钢拱顶架,蒙以膜材后,用设于两拱顶中间的钢索向上向上,并在屋面上构成V形灌溉(雪)沟槽。这种骨架是受力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)概念发展一起的所谓索穹顶(CableDome),或许是将近10年来尤为脍炙人口的一种精致张拉体系。Tensegrity原为所指由倒数的拉杆与集中的压杆构成的自均衡体系,其指导思想是充分发挥杆件的不受纳起到。然而严苛意义上的Tensegrity体系没能在工程中构建。

Geiger展开了必要改建,明确提出了受力在圆形刚件周边构件上的预应力拉索-压杆体系,索沿电磁辐射方向布置,并利用膜材作为屋面,他称作索穹顶,并首先用作1988年汉城奥运会的两个体育馆工程。美国的Levy更进一步发展这种体系,转用联成方形拉索网格,使屋面膜单元呈圆形菱形的双曲抛物面形状,并用作1996年亚特兰大奥运会体育馆,其平面呈准椭圆形,尺寸约24lmx192m。

这类张拉式索-压杆-膜体系,重量极轻,加装便利,在大跨度和超大跨度建筑中极具应用于前景。  与世界先进设备水平比起,中国在膜结构方面的差距是十分显著的。几年来在理论研究方面做到了不少工作,应当说道已创建起一定的理论储备。

在膜结构应用于方面近年来也开始呈现出较为开朗的势头。上海为庆贺八运会于1997年竣工的体育场其球场挑篷使用钢骨架受力的膜结构,总覆盖面积36100平米,是我国首次在大型建筑上使用膜结构;但所用膜材是进口的,施工加装也由外国公司展开,价格较便宜。有一点认为的是,中国已经常出现了专门从事膜结构制作与加装的企业,他们已修建了几个较小型的膜结构。

国产膜材的质量也正在改良。各种迹象指出,膜结构这一族富裕潜力的大横跨空间结构新成员在我国的发展已遮住桅尖。    四、理论研究    (1)空间结构的应用于是同适当的理论研究实时发展的。

应当说道我们在空间结构理论研究大面做到了许多工作。主要研究内容偏重于静力起到下的结构性状和分析方法,以符合一般设计工作的拒绝为主要目标。这些研究为我国空间结构的发展获取了基本的理论反对。

早期的工作偏重于以倒数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求解、网壳的白鱼壳求解;桥面结构在荷载起到下要产生较小偏移,因而计算出来中不应考虑到几何非线性,当时发展了一系列限于于有所不同形式桥面结构的考虑到大偏移的解析方法。在一段时期内,当计算机仍未普遍运用于结构计算出来以前,各种解析方法曾对空间结构的发展起过最重要起到,但解析方法注定有其局限性,它们具备有所不同程度的近似于性,而且往往仅有限于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普遍运用为空间结构的加快发展建构了确实的条件。许多大型的和类似形式的精致空间结构不能用计算机程序展开分析。

我国从80年代开始相继编成出有限于于有所不同空间结构的各种计算机分析程序和CAD软件,且功能日益完善。现在我们设计空间结构完全全部依赖计算机。事实上,当设计由成千杆件和结点构成的大型空间网格结构,特别是在是当使用螺栓球结点时,离开了限于的CAD软件是无法想象的。

但也应该认为,对某些形式的桥面结构来说,非常简单简单的解析方法依然有意义;对于像双层索系等比较简单的体系,解析力法已几乎可以获取精确而原始的计算结果。例如,吉林滑冰馆的大型桥面屋盖设计是由非常简单的手筹来已完成的。  十余年来关于空间结构研究的一个特点是做到了大量的试验。这是我国结构研究领域的一个优良传统。

80年代乃至90年代初期修建的完全每一个有代表性的大型空间结构,都所作模型试验或现场测算。这些试验研究同理论分析工作一起,以及它们之间的互相印证,使我们对原本有可能较为生疏的各种精致空间结构的基本性能理解得更加全面,为设计这些结构累积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,一些更加基础性的理论研究也受到了推崇,例如关于网壳稳定性的研究已获得许多最重要成果。

  稳定性是网壳结构、特别是在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-偏移全过程曲线中获得原始的概念;这种全过程曲线要由较准确的非线性分析得出结论。从非线性分析的角度来实地考察,结构的平稳问题和强度问题是互相联系在一起的。结构的荷载-偏移全过程曲线可以把结构的强度、稳定性以至于刚性的整个变化历程回应得清清楚楚。

当实地考察创立缺失和荷载产于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展开研究。  但是当利用计算机对具备大量维度的简单体系展开有效地的非线性有限元分析仍未能允分构建的时候,要展开网壳结构的全过程分析是十分困难的。在较长一段时期内,人们被迫无可奈何倒数化理论(白鱼壳法)将网壳转化成为倒数壳体结构,然后通过某些近似于的非线性解析方法来求出有壳体结构的稳定性承载力。

这种方法似乎有较小局限性:倒数化壳体稳定性理论本身未完备,事实上仅有对少数特定的壳体(例如球面壳)才能得出结论较简单的公式;此外,所辩论的壳体一般是等厚度的和各向同性的,无法体现实际网壳结构的不均匀分布结构和各向异性的特点。因此,在许多最重要场合还必需依赖精细的模型试验来测量稳定性承载力,谈与有可能的计算结果互相印证。

  随着计算机的发展和广泛应用,非线性有限元分析方法蓬勃发展,并渐渐沦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。

在总结国外已获得成果的基础上,在理论表达式的精确化、合理搭配均衡路径追踪的计算方法、灵活性的递归策略等方面展开了深入细致的探寻,使具备大量维度的简单结构体系的全过程分析沦为有可能;并编成出有适当的分析程序。此外,在研究初始缺失对网壳稳定性的影响时,对所明确提出的完全一致缺失模态欲求(即指出初始缺失按低于屈曲模态产于时有可能具备最有利影响)的合理性和有效性展开了细心论证,并使之规范化。  在上述理论成果的基础上,使用大规模参数分析的方法,展开了网壳稳定性分所简单方法的研究。

即融合有所不同类型的网壳结构,在其基本参数(几何参数、结构参数、荷载参数等)的常用变化范围内,展开大规模的实际结构全过程分析,对扣除结果展开统计分析和概括,实地考察网壳稳定性的变化规律,最后通过重返分析明确提出网壳稳定性验算的简单公式。近几年来,总计对2800余例各种形式的实际尺寸网壳结构展开了全过程分析,获得了非常规律性的结果。

所明确提出的简单公式用一起较为简单,然而是创建在准确分析方法的基础之上的。这一工作很不受广大设计部门青睐。这些公式已列为正在编成的网壳结构技术规程(印发稿)。

应当说道,我国关于网壳稳定性的研究是非常了解和精细的。  (3)相对来说,国内外关于网壳结构在风和地震荷载起到下的反应研究得较较少。作者个人指出,对网壳结构来说,风荷载的动力起到有可能不是设计中的主要问题,但随着网壳尺度的减小,深入研究其外用地震性能则具备最重要意义。

在抗震领域,对高层和高耸结构研究得较为明了;但网壳等大横跨结构的动力性能具备有所不同特点,例如其频率分布较为密集,往往从低于阶算起前面数十个振型都有可能对其地震反应有贡献,因而一般的振型分解成法否限于是一个有一点探究的问题,有所不同方法(还包括线脚)的地震起到引发的反应往往是同量级的,因此考虑到多维输出有可能是一个非常最重要的问题;国外已建的和我国今后即将辟的一些超大跨度网壳尺度十分极大,因而在计算出来中或许有适当考虑到地震动力的空间相关性;此外,单层网壳结构在静力起到下的稳定性是设计中的最重要因素,它们在地震起到下某种程度不存在动力失稳问题,其严重性如何?对于某些动力反应过大的网壳结构,否有适当采行必要的振动控制措施?诸如此类问题都是我国学术界正在了解思维或已著手展开研究的问题。  (4)具备曲面形状的空间结构是最充份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(或从理费孝通分析角度称为形态分析)具备十分最重要的意义。对于钢筋混凝土薄壳和钢网壳等较刚性的体系,其形态分析主要牵涉到结构几何形状的优化。对索网、膜和索-膜等柔性结构体系,形态分析具备更加基本的意义,因为在一定边界条件下,柔性体系仅当不存在必要预应力时才具备确认的形状,且其几例形状是随受力条件和预应力产于形态而变化的;因而结构设计的首要内容就是所谓的去找状(Form-finding),借以来确认形状-预应力-受力条件这一综合系统与用于拒绝之间的优化组合。

去找状一般使用非线性有限元分析方法,但理论上预想定型。英国Barnes等明确提出的动力松弛法和德国Linkwitz等明确提出的力密度法等近似于方法也能顺利地应用于一些特定类型问题。日本半谷近年来明确提出形态分析的概念企图使空间结构的形体设计理论更进一步系统化,很有意义。这一理论尚待之后发展。

我国在桥面结构和膜结构的去找状分析或更加清楚地说道初始平衡状态分析方面不作过不少工作,并编成了一些适当的软件。今后似应在下列两方面展开更加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,创建起统一的形态分析理论,与计算机图形学结合,系统追踪柔性空间结构的成形受力全过程并构成适当的软件;另一方面是在形态分析理论的基础上,明确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起到下的反应及其抗风设计方法十分最重要。

这一课题具备较小理论可玩性,国内外研究尚少,在许多方面基本上是空白,因而积极开展这一研究奇不具最重要意义。  我们对桥面结构的风振问题做到过一定研究,针对这种大横跨柔性结构频域长且频率分布密集的特点,明确提出了限于的随机风振反应分析方法;并且,针对桥面结构这种非线性体系,明确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明确提出了简单的简单计算方法。还的组织过适当的刚性模型和气弹模型的风洞实验。  对于有所不同的结构体系,其风振特性也有差异。

使用传统屋面材料的桥面结构整体工作性能比较较好(局部变形较小),结构的整体偏移对气流场的转变并不大。这类结构在风起到下的振动一般归属于限幅随机振动。膜和索-膜结构具备有所不同特点,膜既是受力构件又是覆面材料,且质轻面薄,结构的局部刚性较小,在风起到下,局部膜单元的加速度和速度反应较小,有可能对周围的空气流场速度产生影响,造成气弹反应和颤振。

因此在研究膜结构和索-膜结构的风振问题时,应付有可能的动力失稳问题展开了解的理论分析和风洞实验研究。  作者坚信,在作好上面这些理论研究工作以后,将使我国大横跨空间结构领域构成较完整的理论体系并转入世界先进设备行列,为我国大跨度建筑的更进一步发展获取充份的理论反对。.。


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