大跨空间和钢筋结构的进展与工程应用上传

...wd......wd......wd...大跨空间及钢构造的最新进展与工程应用10.1概述(1)新型材料、新型构造及新型构件的应用与开展.促进了人们对其受力性能及设计方法的研究近年来.随着国民经济的开展及人民生活水平的提高.新材料、新的构造形式、新的构件和新的节点形式在工程中不断涌现出来.极大地促进了钢构造技术的进步和开展。建筑钢构造体系和构件形式的多样化推动了新型空间钢构造及构件在大型钢构造工程工程中的广泛应用.先后向人们展现了一大批新型构造及构件形式。目前正值20xx年奥运会及上海世博会前的大好建设契机.新构造及新构件在建筑师和构造师的笔下应运而生。在整体张拉构造和杂交构造领域.索作为构造体系中最活泼的构件或单元体.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、轻巧的构造构型.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.二是要形成或提高构造的刚度.最终到达提高构造的承载效率。索穹顶构造和弦支穹顶构造是整体张拉构造中典型的代表.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构造形式.但在我国只有少数几个小跨度的弦支穹顶构造建成。除此之外.张弦梁及张弦桁架构造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构造及张弦桁架构造.其中后二者的跨度达126m左右。拱形构造是一种传统的构造形式.其材料从古代的石材圆弧拱到现代的钢构造拱.拱的构造形式也不断的多样化。以钢构造拱为例.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构造或组合截面拱构造.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构造中.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构造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、航站楼及索膜构造中；从钢构造拱的轴线形式讲.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.抛物线拱那么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.取决于构造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构造设计的主要内容.可以通过大量数值计算及试验研究建设各种截面拱的稳定承载力设计理论和方法。各种形式的索一拱构造抑制了纯拱构造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开展.从而极大地改善了纯拱构造的弯矩及变形分布。车辐构造是索一拱构造的典型代表.在国内外均有工程应用实例。斜拉构造和悬吊构造被广泛应用在空间构造领域.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构造悬吊起来。这些斜拉索相当于刚性屋面的弹簧支座.不仅削减了屋面构造的弯矩峰值.而且提高了屋面构造的刚度。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构造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.在现代构造中常被建筑师看好。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。不仅建筑及构造形式向多样化开展.而且钢材品种及钢制品也向多样化开展.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)已开场在国家重点工程工程中应用；耐火钢和低屈服点钢的开发也取得了一定的成果.已开场在工程工程中应用.前者有望从基本上解决钢构造耐火差的缺点.后者有望在钢构造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。本章涉及到的构造形式还有钢管构造、树枝构造、玻璃构造及其支承体系、高层钢构造新型抗侧力体形及应用等内容。(2)大型复杂钢构造施工力学问题日益受到重视.钢构造加工及施工技术得到全面提升大型复杂钢构造施工力学问题日益受到研究、设计及施工技术人员的重视.其中大型复杂钢构造施工全过程中内力和变形的跟踪模拟计算、构造加工及安装变形预调值的分析和计算、大型钢屋盖拆撑(或落架)过程的跟踪模拟计算、刚性构造和柔性构造的找形分析和计算、预应力钢构造施工过程的模拟计算及张拉方案的优化、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.国家体育场钢构造主次构造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构造安装变形预调值的计算.促进了我国在施工力学学科的开展及应用。随着大型复杂钢构造工程工程建设的不断增多.我国钢构造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。在钢构造制作方面.厚板的焊接、曲线及曲面构件的加工.已经积累了丰富的经历。例如.国家体育场空间扭曲箱形构件的制作.把我国钢构造的制作技术推进到国际领先地位。在高层钢构造安装领域.从昔日帝王大厦的钢构造安装到目前正在进展的上海环球大厦及中央电视台新台址主楼钢构造的建造.创造了一系列钢构造安装技术和工法.积累了丰富的钢构造施工经历。中央电视台新台址主楼钢构造的大悬臂采用逐步悬伸对接的施工方案.要求准确计算施工过程中两塔楼及悬臂构造的加工变形及安装变形预调值大小.保证安装完成后的构造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构造的安装确定.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。在大跨度钢构造及空间构造领域.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、钢构造屋盖整体提升及顶升施工技术、大面积空间钢构造屋盖拆撑施工技术、复杂钢构件的制作加工技术在一大批工程工程中得到应用.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构造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构造施工技术的最新水平。(3)钢构造科研和设计队伍日渐壮大.各类构造的设计标准及标准日趋完善我同钢构造科研和设计队伍稳定开展.工程应用标准、标准得到全而修订。随着建筑钢构造市场的迅猛开展.一大批钢构造科研成果在重大工程及标准制定中被采纳。一是对常规钢构造性能的理论和试验研究不断深入.进一步完善既有构造的设计理沦和设计方法.二是对目前大量涌现出的新构造、新构件及新节点.通过理论和试验研究建设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构造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工程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.伴随着新构造形式的不断开展.?铸钢节点技术规程?、?钢管构造技术规程?、?拱形钢构造技术规程?及?预应力钢构造技术规程?正在编制中；?民用高层钢构造技术规程?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构造形式的构成规律、主要受力特点以及它们的应用范同作了简要的概述；结合众多钢构造工程实例.介绍了我国新近建成或正在建设的钢构造工程工程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杂交构造及整体张拉构造体系1．索穹顶构造1954年.由Snelson斯内尔森和建筑大师Fuller富勒最先提出张力集成构造体系的构思；1962年.Fuller获得“张拉整体构造〞专利。美国工程师Ceiger对实现这种构造思想做出了极大的奉献.他借鉴张拉集成思想并作了实质性的推广和开展.于1986年开发出一种实用的大跨度空间构造体系——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.成为构造工程的典范。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。为了减少屋盖外表薄膜材料的费用.在设计时使构造的曲面最小；为了增加构造的刚度.在脊索之间增加了谷索。该体系具有整体构造简单.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.增强了构造稳定性.减小了脊索所需的预张力值.而且丰富了构造的平面体型.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又设计了索穹顶构造的台北棒球馆、墨西哥十万人体育馆.在阿根廷建造了LaPlala双峰索穹顶构造.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构造.使得索穹顶构造进一步显示了广阔的应用前景。从构造的观点来看.索穹顶这种构造形式较其他构造更为合理。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.假设能防止柔性构造有可能的构造松弛.索穹顶构造便不存在弹性失稳问题。其次.使用薄膜材料作为屋面材料.构造自重相当轻.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.索穹顶构造可到达相当大的跨度.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.这类构造的跨度可以到达400m左右。索穹顶构造体系的形状、刚度、预应力分布、预应力值之间密切相关。索穹顶构造的设计和分析主要分成三个局部：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构造形状；成形分析是怎样使这一构造形状得以实现.主要包括预应力分析、施工工艺分析；荷载态分析是构造的受力分析.研究构造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.且平均造价不会随构造跨度的增加而明显增大.从而使得索穹顶构造具有很好的经济性。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.到达了构造形态和视觉形态“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。目前有关索穹顶构造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构造的介绍资料也较少。我国自20世纪90年代以来.进展了较多的研究.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．弦支穹顶构造从已有的工程实践看.Geiger式的索穹顶构造得到了广泛的应用.如图10.2所示的亚特兰大Georgia索穹顶.它具有以下优点。一是绝大局部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.改变构造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.索穹顶构造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构造的优点.同时又防止它的缺乏之处呢?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构造体系。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))的根基上.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构造的刚度.提高构造的稳定性.降低环梁内力.改善构造的受力特性。因此.弦支穹顶很好地综合了两者的构造特性.从而成为一种全新的、性能优良的构造体系。M．Kawaguchi教授创造了弦支穹顶构造体系以后.于1994年将这种构造体系应用于日本东京Hikarigaoka穹顶和Fureai穹顶.并对后者进展了足尺试验.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展了一些工程实践.如昆明柏联广场采光中庭.采用椭球型的弦支穹顶构造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构造。但是.弦支穹顶构造不可能到达较大的跨度.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构造的概念(如图10.4).并对其非线性稳定性进展了研究。研究结果说明它更适合于超大跨度构造.跨度可以做到300～400m.是一般弦支穹顶构造的改进形式。3．张弦梁或张弦桁架构造张弦梁构造(BeamStringStructure.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“弦通过撑杆对梁进展张拉〞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构造均通过撑杆连接抗弯受压构件和抗拉构件.所以M．Saitoh教授对这种构造给出的定义是“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；张弦拱那么在通过撑杆减小弯矩和挠度的同时.由弦抵消拱端推力.充分发挥拱型的构造优势和高强索的高抗拉强度的材料优点.从而实现大跨构造甚至超大跨构造.如浦东国际机场(图10.6)。图10.6浦东国际机场的张弦梁构造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构造。张弦桁架构造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.张弦桁架构造在大跨度的会展中心和博览中心构造中应用较多.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构造的承载效力。正在建设的国家体育馆就采用了双向张弦桁架构造.其平面为矩形.最大跨度达195m。张弦梁构造或张弦桁架构造是自平衡构造体系.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)构造的稳定性计算.只要能保证梁(或桁架)不发生平面外失稳.那么整个张弦梁构造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.使构造到达设计位形；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)与拉索到达设计位形.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.保证落架后的构造既满足设计受力要求也满足构造设计位形的要求。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一样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.以到达最大程度地节约施工成本。4．悬吊索系构造或斜拉构造悬吊索系构造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构造形式.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构造自重和外荷载作用；稳定索通过施加一定的预应力用来提高构造体系的整体刚度；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构造。斜拉构造那么是通过拉索给构造一个或多个弹性支承点.拉索另一端那么固定于塔柱或者其他刚体上.如斜拉桁架构造和斜拉桥等.如图10.8至图lO.10所示。图10.8北京曲棍球馆图10.9悬吊索系构造悬吊索系构造通过对稳定索施加一定的预应力作用.可以提高构造体系的整体刚度。假设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构造体系是不稳定的。在大跨度悬吊索系构造体系中.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构造体系非常重要。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。第一种方法在构造受力变形后.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构造受力后稳定索不退出工作.而后者在荷载作用构造受力变形后.稳定索中的应力基本不发生变化。美国的Arecibo望远镜的馈源支撑构造体系(图10.11)是一典型的悬吊索系构造.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构造体系恳吊起来.因固定平台构造体系自重较大.构造在自重作用下就具有比较好的整体刚度。因此.在Arecito望远镜的馈源支撑构造体系中未使用增加构造刚度的稳定索。我国正在研究和实施的重大工程FAST工程.就是一个跨度为500m级的悬吊索系构造体系。确定斜拉索系中的预应力水平是斜拉索系构造设计的关键问题.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.该比值视构造形式不同而不同.主要考虑构造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.该值主要由构造的刚度要求决定。5．车辐构造在自行车车轮中.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。局部辐条因缩短而卸载.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构造中.即按车辐式布置拉索系.形成一种索—拱杂交构造.称为车辐构造.如图10.14所示。目前.索—拱杂交构造中研究和应用较多的是斜拉索—拱构造.而对车辐构造的研究那么很少。与纯拱构造相比.车辐构造的刚度显著提高.稳定性明显改善.而且拱脚的水平推力变得可以调节。车辐构造形式早在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volkwiMarg设计.取得了举世公认的出色成就。不过.该构造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。车辐构造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。车辐构造设计的核心问题是其稳定性的计算.涉及到稳定承载力确实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钢管构造近20年来.钢管构造在国内外得到了迅猛开展.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。钢管构造从构造形式上可分为梁式管构造和拱式管构造；从布置形式上可分为平面管构造和空间管构造。管构造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.使得构造更加整齐美观。管构造和拉索结合形成的混合构造体系.如前述的张弦梁构造充分发挥了不同材料或构件的优越性.是今后构造开展的一个方向。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钢管构造管节点设计在管构造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。管节点因在构造中的位置不同.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.同时新的构造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构造设计中的核心内容.包括单根构件的稳定性计算和整体构造平面外的稳定性计算.特别对于大跨度的管桁架构造或管桁架拱形构造.其平面外整体稳定性的计算不可无视。目前.关于管桁架构造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准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树枝构造近年来.一种造型新颖的构造形式——树枝构造被应用于空港、桥梁、厂房中。这种构造具有如下构造和受力特点：①构造有规律地分叉.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枝叉顶端与屋面构造连接.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.使得树枝构造被应用于航空港、车站、码头、展览馆、厂房等构造中(图10.19)。单独的树枝构造可以应用于展览台、候车亭等小尺度的构造。两个枝形构造组合在一起形成一榀.可以将静跨增加至少一倍.假设干个枝形构造通过屋面构造联结在一起.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构造和北京西直门轻轨车站.见图l0.20。树枝构造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构造已经建成.丰富了构造类型.给人以美的享受。但是作为一个构造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玻璃构造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。点支承玻璃幕墙由构造支承体系、驳接头和玻璃组成。点支承玻璃幕墙的构造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构造。最常用的构造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索桁构造支撑体系；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)构造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构造支承体系的构件.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外表内.形成的玻璃幕墙外表平整.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局部.它既是玻璃幕墙构造的维护构件.同时也参与整体构造的受力。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.国内也开场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拱形钢构造钢构造及构件形式多种多样.所表现出的构造设计问题也不尽一样。拱形钢构造是众多钢构造体型中的一种.由于它优美的造型及良好的受力特性.在建筑构造及钢拱桥构造中有着十分广泛的应用.并且随着社会开展及人类生活水平的提高.其建筑和构造造型日益新颖和多样化。目前应用比较多的拱形钢构造的形式有：①实腹式截面拱形钢构造；②腹板开洞(孔)的实腹式截面拱形钢构造；③管桁架式拱形钢构造。钢构造拱由于其自重轻.特别在全跨荷载作用下具有良好的受力特性.更适合于大跨度构造.但在偏跨荷载作用下其刚度较弱。与钢构造直构件相比.钢构造拱表现出的稳定问题十分突出而且相当复杂.常常是拱构造设计的控制因素。众所周知.拱形钢构造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.它们构成了拱形钢构造稳定性计算和设计理论的核心内容。但是.由于拱形构造的轴线呈曲线变化.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.致使人们对拱形钢构造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；在拱构造设计中.设计人员更多的是验算拱形钢构造的强度和刚度.忽略了拱形构造稳定性的计算.即使进展面内稳定性计算.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构造的造型愈来愈新颖化.从而给拱形构造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构造(图10.25和图10.26).其中洞的引入使拱形构造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构造.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.玻璃构造在我国大量兴建.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构造或构件。对这些工程工程.如不进展稳定性验算.必然存在着很大的安全隐患。图10.27桁架拱构造桁架拱形构造(图10.27)广泛地应用于大跨度构造中.如体育馆、会展中心、航站偻等。拱形管桁架构造也类似于实腹式拱形构造.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构造.其整体稳定性问题更加突出；如何计算拱形管桁架构造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构造的稳定性计算要复杂得多；加上拱形管桁架构造的截面变化多样(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.给计算拱形桁架构造的稳定性带来了很大的难度。尽管有不少管桁架拱形构造落成.但大局部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构造的跨中挠度.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构造的工程工程愈来愈多.相贯节点的应用使得人们不能直接利用现有?钢构造设计标准?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构造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构造计算分析软件.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一样.其计算结果及评价也有差异。10.7高层钢构造新型抗侧力体系——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)构造是自20世纪70年代开展起来的一种新型抗侧力构造体系。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。当钢板沿构造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.而水平边缘构件那么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提醒了其独特的性质.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开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.钢板墙主要具有以下特点：①在弹性阶段.钢板墙有很大的初期刚度.能有效地降低构造的弹性侧移.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。研究说明.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研究说明.当构造的侧向刚度一样时.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.抑制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珍贵的使用空间。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。在此根基上.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构造的建筑已达数十幢.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ShinNittetsuBuilding(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构造体系的建筑物。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HyattRegencyrHotel(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局部组成。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：假设采用钢框架.构件断面尺寸会很大.减少了使用空间；假设两个方向均采用钢支撑框架.那么需要外包很厚的墙体.同样占有了珍贵的空间。②施工方面：由于建筑物不规那么.建造商不愿采用钢筋混凝土框架构造。并且.钢框架一混凝土剪力墙构造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构造体系耗钢量大约少1／3。我国44层的上海新锦江饭店核心筒也采用了钢板墙构造.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(KobeCityHall.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构造破坏.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SanFrenando地震后.兴建了六层的SylmarCountyHospital.用来取代在地震中严重损坏的OLiveViewHospltal。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构造体系。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说明.顶部最大加速度到达1.71g.最大速度也到达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。但一些非构造构件如吊顶、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.非构造构件的连接设计也不容无视。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.防止受到挤压破坏；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外表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.在大震作用下进展耗能。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.对高层构造抗侧能力的奉献及钢板墙的消能减震.到达了完美的统一。在过去的三十年间.对钢板墙的研究大致可分为两大局部：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。在此研究根基上.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到达了完美的结合。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展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?高层民用钢构造技术规程?中。10.8防屈曲耗能支撑框架构造和框架—支撑构造在中高层建筑中的应用十分普遍。纯框架构造的抗侧刚度有限.限制了它的应用高度。框架支撑构造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展了改进.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构造形式。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．为防止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.也要防止支撑设计太强引起构造构件的现行破坏.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.可以应用在已建构造及新建构造中.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构造制品.由于性能指标直接与制造工艺和材料密切相关.应由专门的钢构造制造厂生产.并应有严格的产品制作和验收标准。清华大学在修汀?高层民用建筑钢构造技术规程?中负责无粘结消能支撑构件一节的主笔.也正对这一构件进展理论和试验研究.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.是建筑与构造的完美结合；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.目前各国钢构造标准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说明.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工程为依托.对上述三管梭形格构柱进展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构造受力要求就可以了.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构造形式(图10.37)。洞常常被引入到构造构件中来.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；另一类是构造要求.为了降低构造自重.减少冗余.构造工程师把一些发挥作用不显著的局部从构造中剔除出去。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表达了这两类要求。其造型美观.去掉了局部腹板后显得更加轻盈.并且可以让各种管道很方便地通过.在不影响构造功能和使用功能的情况下降低了构造层的高度。从构造的观点来看.在一样重量的情况下.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.由这样的截面的构造效率更高.适合于从中等跨度到大跨度的各种构造。开洞的种类也是多种多样的.比方圆形洞.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工程中.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构造工程师的注意。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.各国标准中也没有具体规定.实际工程的广泛应用还受到很大程度的限制。因此.需要进展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?拱形钢构造技术规程?有借鉴作用。3．铸钢节点铸钢结点最早应用于机械工业.近年来已开场应用在建筑构造领域。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构造中经常出现的多根构件多个方向汇交的节点。对于大跨度复杂构造的支座节点．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。铸钢结点在树枝构造中应用较多.如德国斯图加特国际机场航站楼的树枝支承构造.深圳文化中心的黄金树构造均采用了铸钢节点。深圳文化中心是我国第一个采用国产铸钢节点的工程工程.随后大批钢构造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国内大型钢构造工程及其构造形式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、训练馆和群众体育活动服务中心)及运发动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构造.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.使整个构造不再是一个简单的穿插梁系构造。笔者认为这就是构造设计的成功之处；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构造的空间刚度.更主要的是限制辐射桁架下弦的平面外位移.保证辐射桁架下弦局部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。广州新体育馆桁架构造的受力特点主要表达在构造体系的布置上(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构造.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构造.桁架采用三角形断面.跨度约为126.8m；鱼头是卡车通道.围护构造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)是一典型的预应力构造.属自平衡体系.适用于大跨度构造.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)、指廊和东西高架连廊四大局部组成.各局部由缝自然分割而成。一期工程占地面积8万m2米.总建筑面积35万m2。其中核心工程航站主楼占地5万m2.总建筑面积20万m2。航站主楼屋面外形为双向弯曲弧形.由空间桁架和人字形柱组成(图10.45).沿纵向由伸缩缝分成三局部.即中段局部和两端局部。屋盖采用大跨度巨型三角形钢管桁架构造.跨度77m.最大悬挑23m.柱距18m.桁架两端支承在混凝土柱和外围人字形布置的三管梭形格构柱上.内侧与膜支承桁架相连.外侧为悬臂构造。人字形柱呈梭形格构截面.高度从37.4m到14.7m不等。梭形柱的设计新颖.且具有极佳的稳定承载能力.是航站楼设计的难点.航站楼钢构造采用了多种构造形式(图lO.45和图10.46)：桁架构造.膜构造.梭形柱等新技术。安装采用多轨道变高度整体桁架曲线滑移施工法.滑移胎架设计及实施有一定难度。该工程的施工单位是中建三局深圳建升和钢构造公司.设计单位(国内)是广东省建筑设计院。航站楼钢构造的分析计算.人字柱的稳定承载力的计算及足尺寸破坏性试验研究(图10.47).整体曲线滑移方案及计算由清华大学土木工程系完成。图10.44新白云国际机场航站楼1图10、46新白云机场航站楼图10.47梭型钢管柱4．广州新白云国际机场大型维修机库广州新白云国际机场飞机维修设施工程是国家重点建设工程.由广州飞机维修工程投资建设。位于花都区花东镇与白云区人和镇交界处。占地面积55818m2.建筑面积108413m2。10号机库由维修机库、喷漆机库、航材库和附楼等组成.建筑面积95120m2.钢屋盖投影面积约85000m2。10号机库从使用功能角度分为一区、二区、三区.跨度依次为lOOm.150m和100m.能满足三架飞机维修和一架宽体飞机喷漆维修.堪称亚洲第一机库。图10.48广州新白云机场维修库图10.48广州新白云机场维修库屋盖整体提升10号机库(图10.48)的钢屋盖是由H型钢平面桁架形成的穿插梁系构造.其主要特点是承受的荷载大.桁架高度大(F和s桁架高达11米).H型钢翼缘板厚(F桁架上下弦翼缘板厚77mm)；支承柱高达40m.由两段组成.上段为钢桁架柱或钢格构柱.下段为混凝土柱；钢屋盖构造安装采用整体提升施工方案(图10.49).提升面积为2500m2.提升吨位近4000t。从整体提升面积考虑.堪称中国第一提。提升计算和设计是提升工作的重中之重.具体包括提升塔架柱的整体稳定性计算.提升桁架的加固方案及计算.提升地锚的设计及计算.其中提升塔架柱的稳定计算比较复杂且非常重要。该机库国内设计院(国内)是北京市航空部四院.施工单位是中建三局深圳建升和钢构造公司；提升计算和设计由清华大学土木工程系完成。5．深圳文化中心深圳文化中心(图10.50)是深圳市重点建设工程.由深圳市政府投资建设.是市政府面向21世纪投资兴建的大型现代化文化设施。文化中心建筑造型独特.构思精巧.极富现代感.堪称城市建筑的精品之作。图10.50深圳文化中心图10.51深圳文化中心黄金树构造文化中心座落在深圳未来城市中心区的黄金地段.位于深圳市福田中心区北部.莲花山南侧.占地29612m2.总建筑面积86000m2.构造层数8层.建筑总高度40m。总长312m.总宽89.7m。建筑主要分为图书馆及音乐厅两局部.南侧为图书馆.北侧为音乐厅.图书馆北侧、音乐厅南侧人口厅处各设一棵黄金树(图l0.51).两颗黄金树沿建筑中轴对称分布。音乐厅和图书馆正立面采用玻璃垂幕.外形酷似手风琴的琴弦.也似风拂过水留下的涟漪.所以人们称为流水垂幕。图书馆和音乐厅屋盖均为H型钢组成的平面桁架体系.前面由四枝分岔柱支承；黄金树采用独特的树枝构造.多根钢管杆件以不同的角度汇交于一点.屋面呈多个空间三维锥体系.构造新颖、空间角度复杂。黄金树钢管聚集节点采用刚性节点.能承担弯距.故采用铸钢节点。铸钢节点为多根(最多10根)大直径钢管直接汇交.72个铸钢节点形状各异(每侧36个.两侧对称).节点外形复杂、体积庞大。铸钢节点采用半空心半实心的构造处理.一方面抑制了全空心铸钢节点无法浇铸的难题.又能防止实心节点过重以及钢管与其焊接所导致的过大应力集中；总之.铸钢节点的选材深化设计、成型、铸造、验收、检验以及异种钢材的焊接是设计考虑的主要因素。深圳文化中心工程的国内设计院是北京市建筑设计院.施工单位是中建三局建升和钢构造公司。树枝构造及铸钢节点的计算分析由清华大学土木系完成。6．深圳会展中心深圳会展中心是目前世界上最大的会展中心之一.它分为一楼展览大厅和二楼会议厅(见图10.52和图10．53)。一楼展厅跨度方向为126+30+126(m).最大标高30m；会议厅设在二楼中部.跨度60m.二楼楼面标高45m.屋脊标高60m；展览厅采用双箱梁拉杆(钢棒)拱架构造.跨度60m.双箱梁轴线间距3m.通过一短水平箱梁连接.每个单箱梁的截面尺寸为2600mm×1000mm×24mm×16mm．；撑杆采用圆钢管；拉杆为三根平行的圆钢棒.直径为150mm；会议厅为双箱梁拱形构造.单梁截面尺寸是2000mm×1000mm×35mmx20mm。展厅双箱梁拉杆拱架构造形似普通的张弦梁构造.但不施加预应力.设计要求预起拱.通过施工过程中回落胎架使拉杆受拉并与双箱梁拱架共同工作；该构造虽然略显笨重.但也不乏为一种新构造形式；特别从建筑设计上让钢骨架外露.形似一道道肋骨.给人一种力量感。在施工过程中.采用了先落放支承胎架后再固定高端处的拱脚位置.这样释放了钢拱架拱脚的水平推力(由于自重产生).减轻了对拱脚处的根基负担。安装由中建三局深圳建升和钢构造公司承担.施工计算及钢拱架的起拱计算由清华大学土木系完成。图10.52深圳会展中心7．中山大学珠海校区风雨球场中山大学风雨球场(图10．54)是预应力索拱杂交构造的典型应用.它是中山大学珠海分校的室内体育馆.位于依山傍水.风景秀丽.气候宜人的珠海市香州区唐家区内。构造采用9榀索一拱空间钢桁架.通过纵向鱼腹式桁架、穿插拉索支撑等构件连接在一起；外墙采用彩色压型钢板.屋面采用彩板拱形构造。建筑平面尺寸为70m×120m.建筑面积约为8960m2。构造造型新颖.富有变化.不落俗套.具有现代气息。索—拱构造剖面图如图10.55所示。拱架采用三角形空间桁架.并与斜柱铰接；斜撑杆能有效地控制构造在重力荷载作用下的变形.又能有效地抵抗风吸力的作用。主索与斜索预应力比例的取值原那么是在常遇荷载工况作用下.B点柱子的弯矩最小且A点的水平位移最小；预应力幅值的大小那么以满足拱架跨中的挠度要求取值。8．澳门多功能体育场馆澳门多功能体育场馆(图10．56)屋盖钢构造形式为多点支承的空间桁架构造.由纵向四层的空间梯形拱桁架与横向一系列倒三角形空间桁架组成.形成一个空间的穿插梁系构造(图10.57)。整个构造除拱脚支承外.还有一道环向支承柱和主入口处的H形支承体系；纵向桁架跨度370m.四层的空间梯形拱桁架的高度11m．上弦宽度4m；横向倒三角形桁架跨度260m；所有桁架圆钢管构件均为相贯线连接.是拱桁架构造的典型范例。澳门多功能体育场馆屋盖钢构造的施工采用了主桁架的整体提升方案.由中国机械工业建设集团完成负责施工和安装.清华大学土木工程系负责提升计算和设计。图10.56澳门多功能体育馆效果图图10.57澳门多功能体育馆9．南京奥体南京奥体构造(图10.58和图lO.59)新颖.双曲面的屋盖空间管桁架与主空间拱构造组成了构造主体.共同承受竖向荷载和水平荷载；主拱桁架斜放.跨度350m.其几何稳定性稍差；构造的主要特点是主拱桁架在它的面内承受屋面的重力荷载.同时又受屋面桁架的支承．二者相互依赖.相互支持。斜拱的整体稳定性汁算是钢屋盖构造设汁的难点.正确的计算和评价是保证构造安全的重要前提。图10.58南京奥体中心模型图图10.59南京奥体中心10．南通体育会展中心体育场(开合构造)南通体育会展中心体育场屋盖为开合钢构造.分为固定屋盖和活动屋盖.屋盖水平投影直径226m.投影面积4万多平方米。固定屋盖的上弦轴线节点所在曲面为半径204m的球面.活动屋盖杆件的节点所在曲面为半径206.8m的球面上。建筑和构造方案与日本某开合构造类似.所不同的是原日本某体育馆的一道纵向“一〞形的拱桁架被代换成一个“眼睛〞形的拱桁架.其最大跨度278m.最大矢高55m；在跨度方向(横向)有6道主拱和5道副拱共同支承固定屋盖.其中6道主拱又作为活动屋盖的轨道支承。纵横向拱桁架均采用三角形立体管桁架.拱架在拱脚处与钢筋混凝土根基刚接。活动屋盖采用单层三向曲面网壳.周边通过桁架加强。图10.60南通体育场闭合状态图10.61南通体育场开启状态本工程的设计难点主要表达在三个方面.其一是固定拱架的稳定性分析及计算.其二是活动屋盖和固定屋盖的刚度匹配问题.其三是机械传动及控制系统设计.其中第二个问题与第三个问题严密相关.并且相互依赖。桁架拱构造的稳定性计算是一个比较复杂的问题.准确的分析必须在考虑初始挠度的情况下.应用大挠度弹塑性有限元理论求解其稳定极限承载力.并由刚度和承载力双重控制；对于活动屋盖和固定屋盖的刚度匹配问题.设计时可以考虑两种方案.其一是活动屋盖可以设计的相对柔一点.固定屋盖的刚度可以相对大一点.这样可以保证活动屋盖有足够的变形从而保证轮压的设计值控制在一定的范围.其二是活动屋盖和固定屋盖都设计的足够强.但可能会产生由于屋盖钢构造制作偏差导致个别轮压的吃空现象.除非在轮压的位置设置弹簧以减少这种吃空现象。南通体育场由同济大学建筑设计院设汁.由清华大学土木工程系进展复核计算及审校工作。图10.60和图lO.61南通体育场的闭合和开启状态的效果示意图。11．天津泰达市民文化广场图10.62广场整体建筑效果图天津泰达市民文化广场(图10.62)是天津市经济技术开发区的标志性建筑物之一。建成后将成为我国玻璃幕墙规模最大、幕墙和钢构造支撑体系最为复杂的构造之一；除层间玻璃幕墙外.整个广场的玻璃幕墙可以分为三局部：①大金字塔玻璃幕墙及钢构造支撑体系.建筑高度135m.是我国目前最大最高的金字塔构造；②三折面钢构造及玻璃幕墙.即大斜坡.位于6个风帆(膜构造)下面.跨度方向50m.纵向长度262m；③宾馆人口和建筑物顶部的三棱锥体幕墙。整个建筑物总建筑面积近18万m2.构造形式涉及到钢构造、玻璃幕墙、膜构造及它们的组合.特别是钢构造与玻璃幕墙的严密结合成为构造的一大设计难点。大金字塔(图10.63)由两个直立面、一个斜面和一个顶面组成。两个直立面为可开合的双层幕墙.外露钢管构造分割成正交斜放网格；斜面幕墙和顶面幕墙为单层幕墙.网格分割呈菱形。外露钢构造(包括三条棱线)均是由外管、内管和腹杆组成的桁架构造。点式玻璃的支承构造包括单索索网和双向鱼腹式预张力拉杆体系两种形式。金字塔与其内部塔楼之间的连接采用了弹簧支座.提高了金字塔抵抗水平风荷载的能力.而且在地震荷载作用下.两者能相互约束而减小地震作用。此外.其他某些部位也采用了弹簧支座.有效地减小了支座反力。图10.63大金字塔入口和采光天顶处的三棱锥形幕墙(图10．64)共分为三类：A类为入口斜三棱锥形幕墙；B类为建筑物顶部正立三棱锥形幕墙；c类为建筑物内部倒挂三棱锥形幕墙。A类幕墙采用双鱼腹拉杆桁架作为支撑体系．B、C类幕墙均采用单层索网作为支撑体系。棱线均采用桁架体系.不仅承担和传递荷载.而且提供了强有力的边缘约束.以保证锥面的挠跨比的控制要求。大斜坡玻璃幕墙(图10．65)支承钢构造构造采用刚性构造(钢管构造)和柔性构造(双鱼腹式拉杆桁架)相结合的混合构造体系。钢管构造的一、二、三级受力构造体系分别为三角形空间桁架、平面桁架和鱼腹式拉杆桁架。拉杆桁架的应用.减少了构造本身的自重及用钢量.使得整个构造更加透彻、轻巧。在斜幕墙及钢构造的上空.有6块巨型风帆(图10．65).为骨架式膜构造。膜构造总面积约6m×1100m.采用PTFE膜材。其支承钢构造局部的基本形式选定为曲面网壳构造。网壳的周边为三角形空间桁架.中间是两向正交的双曲单层网壳.单层网壳中间布置十字拉索并施加预应力。弧形三角形空间边框桁架呈梭形截面变化。边框桁架有三个支点.其中一点坐落在入口的湖面上.另两点坐落在主体钢构造楼层上。整个钢构造和玻璃幕墙的设计和计算由清华大学土木系和珠海红海玻璃幕完成.大小金字塔由珠海红海玻璃幕施_丁.大斜坡玻璃幕墙由陕西艺林玻璃幕墙完成。图10.64小金字塔图10.56大斜坡及膜构造效果图12．国家体育场钢构造(鸟巢)国家体育场钢构造由24榀门式桁架围绕着体育场内部碗状看台区旋转而成.其中22榀贯穿或基本贯穿(图10.66)。构造组件相互支撑.形成网格状构架.组成体育场整体的“鸟巢〞造型。鸟巢构造平面呈椭圆形.长轴332.3m.短轴296.4m。建筑顶面为鞍形曲面.最高点高度68.5m.最低点高度40.1m。屋盖顶部的洞口尺寸是185.3m×127.5m。屋盖支承在24根桁架柱之上.柱距为37．9m。主看台采用钢筋混凝土框架剪力墙构造.与钢构造完全分开。国家体育场钢构造的设计问题除了构造及构件静力承载力校核外.主要是构造的抗震设计及抗震设计指标确实定。体育场的基本构件呈箱形截面形式.由四块板焊接而成。出于建筑效果的要求.其主桁架的截面尺寸最大为1200mm×1200mm.次桁架的截面尺寸为1000mm×1000mm和1200mm×1200mm.以保证主次桁架在建筑视觉上基本协调。对于箱形薄壁构件及节点在地震作用下的滞回和延性性能.由于焊缝材料及其在反复荷载作用下不断变脆的特性.以及复杂的初始缺陷分布及剩余应力变化的影响.导致有限元分析结果与实际构造的受力性能存在一定的差异。因此.必要的试验研究可客观的评价箱形薄壁构件及节点在反复地震作用下的破坏机理和延性性能。对于整体构造而言.验算在罕遇地震作用下的变形能力.有限元弹塑性时程分析是必要的。对于这样一个众多构件形成的庞然大物.弹塑性时程分析是一项艰巨的工作。主要涉及到求解方法的选择、弹塑性时程分析软件的可行性、截面或构件恢复力模型的建设等。恢复力模型由恢复力骨架曲线及滞回规那么二者组成。特别是薄壁构件.其骨架曲线和滞回规那么与板件的宽厚比密切相关。因此.对于在罕遇地震作用下的弹塑性时程分析.仅仅依据FEMA356提供的构件弹塑性骨架曲线是缺乏以反映实际构件的滞回性能。鸟巢构造的特点是采用了空间扭曲箱形构件.其制作难度极大。下料尺寸通过专门开发的cAD软件完成.把一个不可展曲面绘在一个平直面板上。除了几何展开外.也要考虑展开过程中除了材料的塑性变形外还有弹性变形的复原.其恢复量与板厚及曲面目标位形有关。浙江精工集团开发了一种多压头的成型机.可对下料板多点冲压(塑性变形)形成空间曲面。每个点的冲压深度取决于板的厚度、曲面的目标位形以及变形的回弹量等。鸟巢构造的安装方案在设计阶段就确定下来：即先装主桁架.然后落架使主桁架受力.在此根基上再安装次桁架.最后安装膜构造。这种安装方案的基本思路是.次桁架在落架后安装.不参与落架受力.其后与主桁架共同承担新荷载的作用。目前.主次桁架构造均按照未落架的位形(即设计位形)进展施工图深化设计.并依此在工厂制作。目前.主要的矛盾反映在设计、制作及安装之间对构造设计位形及安装位形的不协调。主桁架按照设计位形制作和安装是可行的.因为78根支承胎架已经为主桁架提供了一个安全可靠的安装支承平台。撤除支承胎架后.主桁架落位并进入受力状态。随后.在安装次桁架过程中.主桁架将不断地调整自己的位形.这给次桁架的安装带来了比较大的难度。一方面.次桁架按照主桁架落架前的基准位形加工.在经历了主桁架落架产生的变形后.次桁架与主桁架的对接偏差就已经存在；另一方面.在次桁架安装过程中.主桁架在不断产生变位.又给次桁架与主桁架的对接、焊接增加附加偏差。为了解决这一难题.现场安装时在主次桁架连接处留有活动接头.以应对上述偏差引起的对接不上问题。但是.这一安装方案将经历严峻的考验。图10.66国家体育馆钢构造效果图13．广州新电视塔广州市新中轴线电视塔位于广州市新城市中轴线与珠江景观轴交汇处.北临珠江.与21世纪中央商务区——珠江新城及海心沙市民广场隔江相望。将来与珠江新城中的“双子塔〞构成大三角.与珠江新城南端的广州市歌剧院、广东省博物馆构成小三角.地位显赫。新电视塔将以旅游、观光功能为主.在满足发射电视信号的需要之外.还要表达文化特色。塔设计高度为610m.其中塔身主体高度450m.桅杆天线高160m。建成后将成为世界第一高塔。且其外观设计更是将突破目前现有世界高塔的传统“水桶腰〞或三角形等形式.世界独一无二。该塔另一特色是：观光塔内是一组内有各个花园的气候层.不同楼层的功能分布根据其所在的气候区而确定。图10.67为新电视塔仰视图。广州市新中轴线电视塔构造采用筒中筒抗侧力体系：外筒是由立柱、斜撑及环向构件组成的钢构造支撑框架筒；内筒为一个钢筋混凝土核心简。本工程一个突出的特点是整个构造呈两端大中间小的“细腰〞型.由组成外框简平面的基本元素——椭圆自下而上连续变化并且沿顺时针方向旋转45。而成。外框筒钢构造的顶、底部平面及核心筒