空间结构的新发展浅析大跨空间结构的新发展

空间结构的新发展浅析大跨空间结构的新发展

1维结构分析自21世纪以来，在土木工程领域，空间结构的出现是一个重要的进展。所谓的“空间结构”相当于“平面结构”。我们日常所采用的梁、桁架、拱等都属平面结构。一般说来,它所承受的荷载以及由此而产生的内力和变形都被考虑为二维,即在一个平面内,而空间结构的荷载与内力、变形则是三维的,即作用在空间内。它的结构分析也要考虑空间作用,用一般二维的假设无法得到准确的解答。由于以上的特点,空间结构可以做到高效、经济、美观。当代大跨空间结构归纳起来,主要有二大类:一类是格构式空间结构,如网架、网壳等结构,另一类是连续式空间结构,如薄壳结构、膜结构等。近年来,平板网架、网壳以及悬索结构等空间结构在我国得到了广泛的应用。为了满足社会对空间结构尤其是大跨度高性能空间结构的需求,空间结构向着轻量、大跨方向发展。2五种结构体系2.1初始预应力的施加“张拉整体”概念是美国著名建筑师富勒的发明,是指“张拉”和“整体”的缩合。张拉整体结构可定义为一组不连续的受压构件与一套连续的受拉单元组成的自支承、自应力的空间网格结构。这种结构的刚度由受拉和受压单元之间的平衡预应力提供,在施加预应力之前,结构几乎没有刚度,并且初始预应力的大小对结构的外形和结构的刚度起着决定性作用。由于张拉整体结构固有的符合自然规律的特点,最大限度地利用了材料和截面的特性,可以用尽量少的钢材建造超大跨度建筑。2.2作为覆盖结构的部膜结构是20世纪中期发展起来的一种新型建筑结构形式,是由多种高强薄膜材料及加强构件(钢架、钢柱或钢索)通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状,作为覆盖结构,并能承受一定的外荷载作用的一种空间结构形式。膜结构可分为充气膜结构和张拉膜结构两大类。充气膜结构是靠室内不断充气,使室内外产生一定压力差(一般在10mm~30mm水柱之间),室内外的压力差使屋盖膜布受到一定的向上的浮力,从而实现较大的跨度。张拉膜结构则通过柱及钢架支承或钢索张拉成型,其造型非常优美灵活。2.3合结构的愈合方式开合屋盖结构最初是人们在自然环境下观赏体育竞赛时为避免不利气候的影响而发展起来的。它是在很短时间内部分或全部屋盖结构可以移动或开合的结构形式,建筑物在屋顶开启和关闭的两个状态下都可以使用。开合结构的开合方式有以下几种类型:(1)水平移动。单纯通过屋盖水平移动形成开合。(2)重叠方式。又可细分为:(1)水平重叠,通过数段屋盖水平重叠搭接形成开合;(2)上下重叠,将屋盖上下分成数段,底段固定,上面几段可上下滑动形成开合;(3)因转重叠,通过数块屋盖回转重叠形成开合;(4)水平回转移动重叠,既有水平移动又有回转移动,最后重叠搭接形成开合。(3)折叠方式。又可细分为:(1)水平折叠,构件水平方向折叠形成开合;(2)回转折叠,构件水平回转折叠形成开合;(3)上下折叠,一般采用膜屋面,类似于折叠伞,通过吊起或放下屋面形成开合。(4)混合方式。上述这些开合方式的组合。2.4结构几何自锁式折叠结构是一种用时展开、不用时可折叠收起的结构。折叠结构一般可重复使用,且折叠后体积小,便于运输及储存,与永久性建筑物相比不仅在施工上省时省力,而且可避免不必要的资金再投入而造成的浪费。依据不同的标准,折叠结构有着不同的类型划分:按照折叠结构组成单元的类型可分为杆系单元、板系单元,而杆系单元又可再分为剪式单元及伸缩式单元;根据结构展开成型后的稳定平衡方式可分为结构几何自锁式、结构构件自锁及结构外加锁式;根据结构组成是否采用索单元可分为刚性结构及柔性结构;根据结构展开过程的驱动方式可分为液压(气压)传动方式、电动方式、节点预压弹簧驱动方式等。结构几何自锁式又称自稳定折叠结构,是工程界普遍重视的一种结构。其自锁原理主要是由结构的几何条件及材料的力学特性决定。在这种结构中,一些剪彩式单元(简称剪铰)以一定的方式相连而组成锁铰。锁铰中每根杆件只有在折叠状态与完全展开时,才与结构的几何状态相适应,杆件应力为零,而在展开过程中杆件弯曲变形,储存外荷能量,最后反方向释放这些能量。自稳定折叠结构展开方便、迅速,但其杆件抗弯刚度比较小,因而承受外荷载能力低,只适合小跨度情况。结构构件自锁式的自锁机理主要是靠铰接处的销钉在结构展开时自动滑入杆件端部预留的槽孔处而锁定结构。结构外加锁式亦称附加稳定结构,在结构展开过程中,杆件内无应力,整个结构是一个机构体系,在展开到预定跨度时,在结构的端部附加杆件或其他约束而消除机构形成结构。这种结构的杆件刚度比较大,可满足较大跨度的要求。根据结构组成是否采用索单元可分为刚性结构及柔性结构。柔性结构在收纳状态时,索呈松驰状态,刚性杆件可形成捆状便于运输储存。在展开时可拉紧驱动索使结构展开,亦可增加压杆长度来张拉索,在完全展开时可形成张拉整体体系。这种结构自重轻、展开成型后刚度较大,可用于跨度较大的结构。折叠结构根据其在展开过程中所表现的运动特性可分为两大类:一类是各部分运动为刚体运动,称其为多刚体体系,它的运动描述及内力分析比较容易解决;另一类则是部件在空间中经历着大的刚性运动的同时,还存在自身的变形运动,表现出刚性运动与变形运动互相影响,强烈耦合的特征。折叠结构的节点必须能够保证杆件在展开过程中运动自如,杆件与节点连接处没有较大摩擦或易于弯曲的变形;在结构收纳状态时能够保证杆件成紧密捆状,以便储存;并有足够的强度来承受杆件的拉压及局部的弯、剪、摩擦等各种作用。2.5板片空间结构体系板片空间结构体系是在综合薄壳、网架、网壳、悬索与张力膜五种空间结构体系的基础上发展起来的一种适合中国国情的新型结构体系。它吸取了薄壳结构用材大众化的优点,吸取了网架、网壳结构建造工厂化、系列化的优点,吸取了悬索结构及张力膜结构受力张力化的优点,从而使结构体系体轻壁薄,达到了受力合理、用材经济的目的。板片空间结构体系是由厚度很薄的板片和薄壁金属骨架通过特定的方式组合而成的。它先以一系列板片组合成各式各样的单元,再将这些单元组合成形式各异的整体结构,是一种杆件和板片共同受力的空间结构体系,具有轻质、高强的结构特性,能从根本上改变“肥梁、胖柱、重屋盖”的状况;同时可以集承重、围护、装饰为一体;还具有保温、隔热、造型灵活优美等诸多优点,因此是一种很有发展前途的新型空间结构体系。板片空间结构体系本质上是航空结构的“轻质、高强”原理在土建屋盖结构上的具体应用。以小板为基本构件的板片空间结构,从结构形式的构成特点出发,可以将这类结构分为四大类。第一类是单层多折的折壳结构,第二类是以一系列组合单元组合形成的双层板片空间结构,第三类是以板片锥体和杆件组成的板锥网架类组合空间结构,第四类是板锥网壳类组合空间结构。折壳结构是美国A.Kolozsvary于20世纪60年代末提出广义折板体系(UFPSystem)的总结和发展。这类结构可以由一系列三角形小板按一定的规律折叠而成,形成造型独特的结构。这类结构还可以利用单一的折叠菱形板作为基本构件,使用一种特制的可逆转节点,通过它们,各构件可以在不同的相对位置被连接起来。由于构件的可逆转连接性,大量具有不同形状、横截面和平面形式的结构,就能用简单的广义折板构件形成。这种结构的最大优点是,可以通过标准化、工业化生产基本折叠构件,形成各种不同类型、不同要求的折壳结构形式。双层板片空间结构先由板片组合成各类典型单元,如四面体体心单元、盒子单元和六面体体心单元等。以这些典型单元为核心,可以构造成平板型或拟曲面型的各种类型的双层空间板系结构。双层板片空间结构,由于增大了结构的截面高度,使得结构整体刚度和承载能力大为提高,从而使材料更能充分发挥其效用。同时,由于其结构本身具有夹芯层,这样可大大改善建筑物的保温、隔热性能。利用这种类型的结构,可以用强度、弹性模量偏低的有机板材,组成较大跨度的板片空间结构。板锥网架类组合空间结构是先由板片组成锥体,再将各锥底边相连组合成整体结构。在组合整体结构时,锥体可以正放,亦可以倒放。为了加强结构的整体刚度,再用梁或杆将各锥锥顶依据一定的规律连接起来,形成板锥网架组合空间结构。当然,只有三角形、正方形、矩形及正六边形底的锥体单元,才能通过其底部没有间隙地连接起来,作为屋面覆盖一个给定的平面。锥体正放时,板材经过防水处理,可以形成结构暴露的屋盖。板锥网壳结构既可以达到充分利用各种板材的目的,又可以使结构的受力性能得到良好的改善。板锥网壳的类似结构在国外得到了广泛的应用。板锥网格类板片空间结构,是受锥形网格结构的启发产生