我国大跨度空间钢结构的发展与展望

我国大跨度空间钢结构的发展与展望

1.前言

本文所指的大跨度空间钢结构主要是指网架、网壳结构及其组合结构(两种或两种以上不同建筑材料组成)和杂交结构(两种或两种以上不同结构形式构成)。这是一类结构受力合理、刚度大、重量轻、杆件单一、制作安装方便的空间结构体系，在近一二十年来获得蓬勃发展，并在大跨度、大柱网的公共和工业建筑中得到广泛应用。它不仅可用于屋盖结构，而且可用于楼层结构、墙体结构和特种结构。

我国自1964年建成第一幢网架结构--上海师范学院球类房屋盖以来，据不完全的统计，至1999年底我国已建成各类网架、网壳结构10000幢(其中网壳结构占4％为400幢)，复幢建筑面积约1200万平方米。目前，年增长的复盖建筑面积为80．1 00万平方米。我国网架、网壳结构生产制造厂已超过100家，如徐州飞虹网架集团公司、杭州大地网架制造有限公司、常州网架厂等，逐步形成了一个新兴的空间钢结构制造行业，可进行批量规模生产。

2.大跨度、大面积网架结构

众所周知的首都体育馆，平面尺寸99m×112．2m，为我国矩形平面屋盖中跨度最大的网架。上海体育馆，平面为圆形，直径110m，挑檐7．5m，是目前我国跨度最大的网架结构。

1996年建成的首都机场四机位机库，平面尺寸(153十153)mx90m[1]，见图1；1999年新建成的厦门机场太古机库，平面尺寸(155十157)mx70m，是我国当前建筑复盖面积最大的单体网架结构，也是目前世界上最大的机库。如包括前几年建成的成都双流机场机库，(平面尺寸87mx140m)、上海虹桥机场机库(平面尺寸95mxl50m )等，表明了中国大型机场的机库都采用了大跨度网架结构。

近十年来，网架结构在我国工业厂房屋盖中得到大面积的推广应用，其建筑复盖面积超过300万平方米，这在世界上是领先的。云南玉溪卷烟厂的连片网架厂房达12万平方米。工业厂房网架中跨度最大的为60m的上海江南造船厂新建厂房[2]。

为增大结构刚度、降低内力峰值、小材大用、方便制作、运输和安装，我国在八十年代后期开始采用三层网架，至今共建成10 幢。首次建成的三层网架是长沙黄花机场机库屋盖[3] 尺寸48m×64m，网架高5m，开口边为四层网架，高7．5m。前面提到的首都机场四机位机库，采用斜放四角锥焊接球节点三层网架，两块网架的实际平面尺寸为84m×150m，网架6m，也是我国跨度最大的三层网架。

3.大跨度、大悬臂网壳结构

1994年建成的天津新体育馆，平面为圆形，直径108m，挑檐13．5m，总直径达135m，曾是我国圆形平面跨度最大的球面网壳。1998年初建成的长春体育馆，平面为120mxl66m枣形，连同支架的平面为146m×192m，是当今我国跨度最大、复盖建筑面积最大的网壳结构[4]]，见图2。我国长期以来网壳结构跨度未突破百米大关的历史已成过去。

正在建设中的深圳市市民中心大屋顶采用了平面尺寸为(154-120)m×486m大鹏展翅形变厚度、双曲率网壳结构，在纵向分为三段，两翼支承在18个树枝形(双向W形)柱帽上，中部支承在36m大圆筒及36m×48m大方筒的侧壁上，建成后使我国复盖建筑面积最大的网壳结构将再创新的记录。

在电厂干煤棚工程中采用网壳结构是近几年来发展起来的，已建的工程有十多幢。嘉兴电厂干煤棚(跨度103．5m，长度80m)和1998年建成的杨州第二发电厂干煤棚(跨度103．6m，长度120m)[5]是我国矩形平面最大跨度的两幢三心圆柱面网壳。

为增加网壳的刚度、改善受力性能，台州电厂干煤棚(跨度80．1m，长度82．2m) 采用了纵向带折线形的圆柱面网壳[6]，见图3。1999年建成的漳州后石电厂干煤棚，采用了直径125m的超过半球的球面网壳，成为我国跨度最大的球面网壳。电厂干煤棚采用网壳结构的平

均用钢量为50-70kg／m2，比以往采用门式刚架或拱结构的平均用钢量80-125kg／m2降低了40％以上，其经济效益是十分明确的。

大型体育场的挑篷采用空间网壳结构有日益增多的趋势。1992年建成的深圳体育场周圈挑篷(沿环向分为12段)，采用变高度螺栓球节点双层正放四角锥网壳结构，挑篷宽度31m，悬挑25．5m。为昆明99’世博会开幕用的昆明拓东体育场挑篷，首次采用周圈连续的变厚度双层正放四角锥网壳结构，挑篷宽度34m，悬挑26m。上海八运会八万人体育场挑篷采用了大悬臂大网格双向交叉桁架结构与支承模结构组合而成的杂交结构[7]，复盖建筑总面积36100m2，最大悬臂跨度为73．5m。两向交叉桁架共构成57个大网格，其上架立57个由8根拉索1根压杆组成的伞状拉索结构，并敷设美国进口的乳白色半透明膜材面层。这是我国悬臂跨度最大的外形呈马鞍形的交叉桁架--支承膜杂交结构。

4. 组合网架结构

以钢筋混凝土上弦板代替钢上弦杆的组合网架结构是近十多年来开发的新结构体系E8][9]，它可充分发挥混合土受压、钢材受拉两种不同材料的强度优势，使结构的承重和围作用合二为-。

我国已建成40幢组合网架结构，它用于屋盖结构，也用于多层和高层建筑的楼层结构，形式之多、跨度之大、应用范围之广在世界上是领先的。1980年在我国首次建成了平面为21m ×54m的蜂窝形三角锥组合网架，用于徐州夹河煤矿大食堂屋盖；跨度最大的组合网架是1987 年建成的45．5m×58m江西抚州地区体育馆屋盖；用于多层建筑中跨度最大的组合网架1987年建成的35m×35m新乡百华大楼(加四层)楼层结构，见图4；用于高层建筑楼层结构合网架的是平面24m×27m长沙纺织大厦(地下二层、地上十-层、柱网10mxl2m及7x 12m)[10]。

5．组台网壳结构

当在单层钢网壳结构上敷设的预制带肋混凝土面板在连接灌缝形成整体后不仅起围护作用，而且起承重作用，从而形成由钢网壳与钢筋混凝土带助壳两种不同材料与不同结构形式组合而成的新型空间结构--组合网壳。由于组合网壳的协同工作，大大改善了单层钢网壳的性能，通常情况下，组合网壳的设计不是由单层钢网壳的稳定性控制。这种组合网壳在我国已建成10幢，它应用于民用建筑，也用于工业厂房。早在1984年就建成18m×24m三向型双曲组合扁网壳，作为山西汾西矿务局工程处食堂屋盖。1993年及1994年共建成四幢直径34．1m 的肋环型组台球面网壳，用于山西潞安矿务局常村矿井洗煤厂倒圆锥台煤仓的顶盖；在施工拼装第三幢组合网壳时，未设置中心临时文撑(施工第一、二幢时是设置的)，曾发生单层钢网壳翻面失稳的事故，这是应该吸取经验教训的[11]。

6．预应力网架与网壳结构

把现代预应力技术引用到网架与网壳结构中去，可起到提高整个结构的刚度、减小结构挠度、改善内力分布、压低应力峰值的作用，从而可降低材料耗量，具有明显的技术经济效果。因此，预应力网架与网壳结构是一种新型的有广阔发展前景的空间结构。

我国已建的预应力网架与网壳结构工程约有10幢。1993年建成的上海国际购物中心七、八层楼，采用在下弦平面下20cm处增设四束高强钢丝铸锚束的预应力正放四角锥组合网架，平面尺寸27m×27m，截去一个腰长为12m的等腰三角形，见图6，采用预应力后节省钢材用量32％[12]。

广东清远市体育馆，采用六支点预应力六块组合型三向扭网壳，见图7，平面尺寸为边长46．82m正六边形，对角柱跨度89．0m，周边设六道预应力拉索，每索选用4索9×75，建立预应力值1600kN[13]。四川攀枝花体育馆，采用八支点预应力短程线型球面网壳，平面尺寸74．8m×74．8m缺角八边形，对角柱跨度64．9m，周边设人道预应力索，每索建立预应力值700kN，比非预应力钢网壳可节省用钢量25 ％[14]。