现代建筑结构的新体系发展现状及研究手段

一现代建筑结构的新体系的发展现状及研究手段

1.1 引言

随着科学技术的迅猛发展，土工工程学科进入了全新的领域，新型结构体系纷纷涌现，结构的建筑形体越来越复杂，结构也从单一的简单的结构形式向复合化、多元化的结构体系发展，从而对结构的造型、结构设计理论及分析手段的要求越来越高，新型结构体系的建立需要综合的运用拱、壳、张弦、索、树枝结构等多种复杂结构形式和结构手段，结构的非线性程度也越来越高，因此结合新型结构体系的特点，充分运用现代计算机技术，对正向大型化、复杂化方向发展的现代土木工程结构体系及复杂构件进行全面系统的研究和分析，探索并掌握这种分析手段和方法将变得非常迫切和必要。本文首先介绍最近20~30年开始越来越多应用的几种新型建筑结构体系，包括：钢--混凝土混合结构、索张拉结构、索穹顶结构、膜结构和高效预应力结构。

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2 现代建筑结构的种类和特点

1.2.1钢--混凝土混合结构

钢--混凝土混合结构是我国目前在高层建筑领域里应用较多的一种结构型式。钢结构和混凝土结构各有所长，前者具有重量轻、强度高、延性好、施工速度快、建筑物内部净空气大等优点，而后者刚度大、耗钢量少、材料费省、防火性能好。综合利用这两种结构的优点为高层以建筑的发展开辟了一条新途径。统计分析表明，高层建筑采用钢--混凝土混合结构和用钢量约为钢结构70%,而施工速度与全钢结构相当于，在综合考虑施工周期、结构占用使用面积等因素后，混合结构的综合经济指标优于全钢结构和混凝土结构的综合经济指标。代表建筑有：上海金茂大夏和香港长江中心。

1.2.2索张拉结构

建筑结构的基本受力构件有三类：受压构件、受弯构件和受拉构件。对于受

压构件，当构件长细比较大时，由于构件会发生整体失稳，构件的作用不能充分发挥。对于受弯构件，由于构件截面应力不均匀，截面边缘的最大应力往往控制构件的设计，使得构件材料不能充分发挥作用。只有受拉构件，截面的应力均匀，不会发生整体失稳，如利用高强钢索做成受拉构件，能最大限度地发挥受拉构件的作用，提高结构的经济性。

在结构体系中巧妙利用张拉构件，结合少数刚性受压构件，可构成受力合理的高效张拉结构体系，不仅承载力高、刚度大，且能使各种材料的强度均得到很好的发挥。

代表性的索张拉结构有；巴赛罗那克赛罗那塔、上海世纪公园三号钢结构大门、浦东国际机场钢屋架。

1.2.3索穹顶结构

索穹顶结构实际上是一处特殊的索-膜结构，是近几年才发展起来的一种结构效率极高的张力集成体系，其外形类似于穹顶，而主要的构件是钢索，由始终处于张力状态的索段构成穹顶，利用膜材作为屋面，因此被命名为索顶顶。由于整个结构除少数几根压杆外都处于张力状态，所以充分发挥了钢索的强度，只要能避免柔性结构可能发生的结构松弛，索穹顶结构便无弹性失稳之虞，所以，这种结构重量极轻，安装方便，可具有新颖的造型，经济合理，被成功地应用于一些大跨度和超大跨度的结构。

索穹顶结构有如下一些特点：

1. 全张力状态

索穹顶结构处于连续的张力状态，从而让压力成为张力海洋中的孤岛。由始终处于张力状态的索段构成穹顶。

2. 与形状有关

与任何柔性的索系结构一样，索穹顶的工作机理和能力依赖于自身的形状。如果不能找出使之成形的外形，索穹顶结构不能工作。如果找不到结构的合理形态，也没有良好的工作性能。所以，索穹顶的分析和设计主要基于形态分析理论。所谓形态分析应是形状、柘朴和状态的分析。

3. 预应力提供刚度

与索系结构相同，索穹机的刚度主要由预应力（初应力）提供。结构几乎不存在自然刚度。因此，结构的形状、刚度与预应力分布及预应力值密切相关。由于形状不定，对结构分析带来相当于的困难。但这些预应力产生于索元的内部应力，而并不需要由外部加载加张拉。

4.自支承体系

索穹顶结构是一种自支承体系。索穹顶可以分解为功能迥异的三个部分：索系、桅杆、及箍（环）索。索系支承于受压桅杆之上。索系和桅杆互锁。

5.自平衡

索穹顶是一种自平衡体系，在结构成形过程中不断平衡。在荷载态，桅杆、下端的环索和支承结构中钢筋混凝土环梁或环形立体钢网架幸均是自平衡构件。

6.与施工方法和过程相关

索穹顶的形成过程即是施工过程。因此，施工法和过程如果与理论分析时的假定手算法不符，那么有可能形成的结构面目全非或者极大地改变了结构形状。结构在安装过程中同时完成了预应力及结构成形。

7.非保守结构

索穹顶结构是一种非保守结构体系。索穹顶结构构在加载后，尤其在非对称荷载作用下，结构产生变形。同时结构的刚度发生变化。当卸去这些荷载后结构不能完全恢复到原来的形状和位置，也不能恢复原来的刚度。

采用索穹顶结构的典型建筑有伦敦千禧穹顶（直径320m）、汉城的奥运会体育馆（直径119.8m）、亚特兰大体育馆（双曲抛物型全张力穹顶，240.79×192.02m 的椭圆形平面）等。

1.2.4膜结构

膜结构是张力结构体系的一种。它以具有优良性能的柔软织物为膜材，由膜内的空气压力支承膜面（充气式膜结构或所承式膜结构），或利用钢索或风性支承结构向膜内预施加张力（张力膜结构），从而形成具有一定刚度、能够覆盖大

空间的结构体系。膜结构采用的薄膜的材料，大多采用涂层织物薄膜，分为两部分，内部为基材织物，主要决定膜材的力学性质，提供材料的抗拉强度、抗撕裂强度等；外层为涂层，主要解决膜材的物理性质，提供材料的耐火、耐久性及防水、自洁性等，常用膜材一般为聚酯织物涂敷氯乙烯涂层膜材、玻璃纤维织物涂敷聚四氟乙烯涂层或有机硅树酯涂层膜材。膜材并接的结构接缝多采用热焊，非结构接缝采用缝合。

膜结构具有如下特点：造型活泼优美，富有时代气息；自重轻，适合大跨度的建筑，充分利用自然光，减少能源消耗；价格相对低廉，施工速度快；结构抗震性能好。

充气膜结构有单层、双层、气肋式三种形式，充气膜结构一般需要长期不间断地能源供应，在低拱度大跨度建筑中的单层膜结构必须是封闭的空间，以保持一定气压差。在气候恶劣的地方，空气膜结构的维护有一定的困难，不少建筑曾遭意外的漏气而下瘪。

膜结构的发展最初主要以充气结构为主，但张力膜结构出现后，充气式膜结构除在特殊领域应用外，已大部分被张膜结构代替。张力膜结构有悬挂式和支承式膜结构才种类型，自80年代以来在发达国家获得极大发展。这种体系的膜张紧在刚性或柔性边缘构件上，通过特殊构造将钢索和膜悬挂在桅杆上（悬挂式）或以刚性支撑为骨架，将膜支承在若干独立或边疆结构。另外，以平板网架或曲面网壳作为支撑骨架而成的支承式膜结构，不仅应用了已经成熟的网架、网壳设计技术，而且结构的构造也较简单，是一种很有推广价值的结构形式。

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帐篷式索膜结构单元组成。每个单元悬挂于中央支住，外缘通过边缘索张紧在若干独立的锚固装置上，内缘则绷紧紧在直径为133m的中央环索上。。

中国近年来在理论研究方面已做了不少工作，也开始出现一些实际的工程项目。如上海八万人体育场的看台挑篷用用钢骨架支承的膜结构，是我国首次在大型建筑上采用膜结构，深圳欢乐谷中心剧场是我国技术人员自行设计、制作和安