大跨度空間結(jié)構(gòu)主要形式及施工方法概述

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摘要：本文闡述了大跨度空間結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)形式及其特點，包括網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)、薄殼結(jié)構(gòu)五大主要結(jié)構(gòu)形式，并介紹大跨度空間結(jié)構(gòu)主要的施工方法和技術(shù)特點。

關(guān)鍵字：大跨度，空間結(jié)構(gòu)，施工工藝

1 引言

隨著科技與經(jīng)濟的發(fā)展，人們對結(jié)構(gòu)有了越來越高的要求，結(jié)構(gòu)的規(guī)模越來越大，形式也越來越復(fù)雜。大跨度空間結(jié)構(gòu)是一類結(jié)構(gòu)受力合理、剛度大、重量輕、桿件單一、制作安裝方便的空間結(jié)構(gòu)體系,它具有良好受力性能、形體優(yōu)美，具有大空間的跨越能力，其良好的經(jīng)濟性、安全性和實用性，使其成為我國發(fā)展最快的結(jié)構(gòu)形式之一，近年來在大跨度、大柱網(wǎng)的公共和工業(yè)建筑中得到了廣泛應(yīng)用。

2 主要結(jié)構(gòu)形式

2.1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

由多根桿件按照某種規(guī)律的幾何圖形通過節(jié)點連接起來的空間結(jié)構(gòu)稱之為網(wǎng)格結(jié)構(gòu),其中雙層或多層平板形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)稱為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)或網(wǎng)架。它通常是采用鋼管或型鋼材料制作而成。主要形式包括：（1）平面桁架系組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；(2) 四角錐體組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；(3) 三角錐組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；(4) 六角錐體組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的主要特點是空間工作,傳力途徑簡捷；重量輕、剛度大、抗震性能好；施工安裝簡便；網(wǎng)架桿件和節(jié)點便于定型化、商品化、可在工廠中成批生產(chǎn),有利于提高生產(chǎn)效率；網(wǎng)架的平面布置靈活,屋蓋平整,有利于吊頂、安裝管道和設(shè)備；網(wǎng)架的建筑造型輕巧、美觀、大方,便于建筑處理和裝飾。

2.2 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)

曲面形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)稱為網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),有單層網(wǎng)殼和雙層網(wǎng)殼之分。網(wǎng)殼的用材主要有鋼網(wǎng)殼、木網(wǎng)殼、鋼筋混凝土網(wǎng)殼等。結(jié)構(gòu)形式主要有球面網(wǎng)殼、雙曲面網(wǎng)殼、圓柱面網(wǎng)殼、雙曲拋物面網(wǎng)殼等。

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)兼有桿系結(jié)構(gòu)和薄殼結(jié)構(gòu)的主要特性，桿件比較單一,受力比較合理；結(jié)構(gòu)的剛度大、跨越能力大；可以用小型構(gòu)件組裝成大型空間,小型構(gòu)件和連接節(jié)點可以在工廠預(yù)制；安裝簡便,不需大型機具設(shè)備,綜合經(jīng)濟指標(biāo)較好；造型豐富多彩,不論是建筑平面還是空間曲面外形,都可根據(jù)創(chuàng)作要求任意選取。

2.3 膜結(jié)構(gòu)

薄膜結(jié)構(gòu)也稱為織物結(jié)構(gòu),是20 世紀(jì)中葉發(fā)展起來的一種新型大跨度空間結(jié)構(gòu)形式。它以性能優(yōu)良的柔軟織物為材料,由膜內(nèi)空氣壓力支承膜面,或利用柔性鋼索或剛性支承結(jié)構(gòu)使膜產(chǎn)生一定的預(yù)張力,從而形成具有一定剛度、能夠覆蓋大空間的結(jié)構(gòu)體系。主要結(jié)構(gòu)形式有空氣支承膜結(jié)構(gòu)、張拉式膜結(jié)構(gòu)、骨架支承膜結(jié)構(gòu)等。

膜結(jié)構(gòu)主要特點是自重輕、跨度大；建筑造型自由豐富；施工方便；具有良好的經(jīng)濟性和較高的安全性；透光性和自結(jié)性好；耐久性較差。

2.4 懸索結(jié)構(gòu)

懸索結(jié)構(gòu)是以能受拉的索作為基本承重構(gòu)件,并將索按照一定規(guī)律布置所構(gòu)成的一類結(jié)構(gòu)體系,懸索屋蓋結(jié)構(gòu)通常由懸索系統(tǒng),屋面系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)三個部分構(gòu)成。結(jié)構(gòu)形式主要包括：單向單層懸索結(jié)構(gòu)、輻射式單層懸索結(jié)構(gòu)、雙向單層懸索結(jié)構(gòu)、單向雙層預(yù)應(yīng)力懸索結(jié)構(gòu)、輻射式預(yù)應(yīng)力懸索結(jié)構(gòu)、雙向雙層預(yù)應(yīng)力懸索結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)結(jié)構(gòu)等。

懸索結(jié)構(gòu)的受力特點是僅通過索的軸向拉伸來抵抗外荷載的作用,結(jié)構(gòu)中不出現(xiàn)彎距和剪力效應(yīng),可充分利用鋼材的強度；懸索結(jié)構(gòu)形式多樣,布置靈活,并能適應(yīng)多種建筑平面；由于鋼索的自重很小,屋蓋結(jié)構(gòu)較輕,安裝不需要大型起重設(shè)備,但懸索結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計理論與常規(guī)結(jié)構(gòu)相比,比較復(fù)雜,限制了它的廣泛應(yīng)用。

2.5 薄殼結(jié)構(gòu)

建筑工程中的殼體結(jié)構(gòu)多屬薄殼結(jié)構(gòu)(學(xué)術(shù)上把滿足t/R≤1/20的殼體定義為薄殼)。薄殼結(jié)構(gòu)按曲面形成可分為旋轉(zhuǎn)殼與移動殼；按建造材料分為鋼筋混凝土薄殼、磚薄殼、鋼薄殼和復(fù)合材料薄殼等。

殼體結(jié)構(gòu)具有十分良好的承載性能,能以很小的厚度承受相當(dāng)大的荷載。殼體結(jié)構(gòu)的強度和剛度主要是利用了其幾何形狀的合理性,以材料直接受壓來代替彎曲內(nèi)力,從而充分發(fā)揮材料的潛力。因此殼體結(jié)構(gòu)是一種強度高、剛度大、材料省的即經(jīng)濟又合理的結(jié)構(gòu)形式。

3 大跨空間結(jié)構(gòu)施工的常用方法

3.1 高空原位拼裝法

高空原位拼裝法是指把桿件和節(jié)點在結(jié)構(gòu)設(shè)計位置直接進(jìn)行拼裝，為了保證大跨度空間結(jié)構(gòu)的安全性，結(jié)構(gòu)往往要設(shè)置臨時支撐來改善結(jié)構(gòu)的受力性能，等結(jié)構(gòu)安裝完成以后再把臨時支撐卸載使結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計狀態(tài)，設(shè)置臨時支撐結(jié)構(gòu)使得高空原位拼裝法得到了非常廣泛的應(yīng)用。

高空原位拼裝法是復(fù)雜大跨度空間結(jié)構(gòu)施工安裝的基礎(chǔ)，其他的施工方法都是從此方法演變而來的。根據(jù)支撐的不同，高空原位拼裝法可以分為全支架安裝法(滿堂紅腳手架法)和胎架安裝法。全支架安裝法就是根據(jù)結(jié)構(gòu)的曲面形狀和高度使用腳手架將結(jié)構(gòu)在空中完成總拼的方法，它適用于高度和跨度都不是很大的“館”類結(jié)構(gòu)，優(yōu)點是施工靈活、回收利用率高且易于控制坐標(biāo)，缺點是使用腳手架的量比較大，施工過程中的不安全因素增多，比起后一種胎架安裝法來說偏不安全，但是較為經(jīng)濟；胎架安裝法是根據(jù)結(jié)構(gòu)特點設(shè)計一種類似腳手架的胎架結(jié)構(gòu)作為建筑物的支撐體系來進(jìn)行安裝。它適用于高度較高、跨度和自重比較大的大跨度空間“場”結(jié)構(gòu)，優(yōu)點是胎架結(jié)構(gòu)的形式多樣、施工安全以及坐標(biāo)精確，缺點是由于回收利用率不高引起的浪費嚴(yán)重。

3.2 滑移就位法

滑移就位法就是指將分區(qū)桿件通過特定的軌道滑移至設(shè)計位置再拼接成整體的安裝方法。此種方法適合在施工場地不利的地區(qū)使用，所建造結(jié)構(gòu)的建筑平面也多為規(guī)則的多邊形或開口的體育場館。運用此方法雖然可以縮短工期，使施工周期大大縮短，但也存在著一些難點，例如如何選取滑移軌道以及如何控制滑移速度等問題。

3.3 整體提升安裝法

整體提升安裝法是利用提升設(shè)備將結(jié)構(gòu)提升至預(yù)想位置再進(jìn)行安裝的一種方法，多用在單層或多層網(wǎng)殼的屋蓋結(jié)構(gòu)施工中。此種施工方法最大的優(yōu)點就是可以節(jié)省大量的臨時支撐且工期相對較短，而相對應(yīng)的施工難點就是對提升點的把握以及對所提升網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力控制。整體提升安裝法是對空間原位拼裝法的補充，一般與其他幾種方法結(jié)合使用。

3.4 整體張拉法

整體張拉法是利用一定數(shù)目的液壓千斤頂將索同步張拉至合理標(biāo)高的一種施工方法，特別適合應(yīng)用于大型索膜結(jié)構(gòu)安裝。這種施工方法的技術(shù)含量高，科學(xué)性較好，操作方便且易于控制，使工人的工作量和施工成本都有較為顯著的下降，所以在索膜結(jié)構(gòu)的施工中使用這種柔性的施工方法是非常合理和可行的。

3.5 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)外擴法

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)外擴法是施工新技術(shù)之一，具體方法是先在地面上將結(jié)構(gòu)中間部分網(wǎng)殼進(jìn)行拼裝，提升到一定的高度之后再拼接四周一部分網(wǎng)殼，而后又將拼接好的網(wǎng)殼進(jìn)行提升，如此反復(fù)直至網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)全部拼裝完畢為止。這種施工方法可以節(jié)省大量臨時支撐并且易于保證施工質(zhì)量，由于大量的拼裝是在地面上進(jìn)行的，所以安全性也是比較好的。鑒于以上優(yōu)點，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)外擴法在大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的施工中得到了越來越多的重視。

3.6 懸挑安裝法

懸挑安裝法就是先在地面拼接好小塊單元，直接利用起重設(shè)備將此單元吊裝至設(shè)計位置進(jìn)行拼裝，它適用于小型的、結(jié)構(gòu)形式不是很復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)。懸挑安裝法可以減少臨時支撐的數(shù)目以達(dá)到降低造價的目的，但是安全性較差，施工質(zhì)量不好保證，可能會產(chǎn)生較大的次應(yīng)力。由于已安裝構(gòu)件的穩(wěn)定性直接影響后面桿件的安裝，所以要求已安裝的結(jié)構(gòu)單元是幾何不變體、有足夠的剛度且相對于設(shè)計位置來說基本沒有變形，這就要求結(jié)構(gòu)在采用懸挑安裝法施工之前要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，做好防護(hù)措施，消除不利影響。

4 結(jié)語

大跨度空間結(jié)構(gòu)往往是衡量一個國家或地區(qū)建筑技術(shù)水平的重要標(biāo)志。國內(nèi)在大跨度空間結(jié)構(gòu)的研究方面也有近40年的歷史,從網(wǎng)架、網(wǎng)殼到懸索結(jié)構(gòu)都有相當(dāng)數(shù)量的工程應(yīng)用, 建造了一大批體育場館, 如北京亞運會各體育場館、天津市體育館、哈爾濱速滑館、2008 年北京奧運主會場等, 建成了多座大跨度機庫, 如首都機場機庫。但是國內(nèi)的大跨度空間結(jié)構(gòu)與國外相比還有差距。如跨度仍不大, 懸索結(jié)構(gòu)發(fā)展較慢, 而薄膜結(jié)構(gòu)、張拉整體結(jié)構(gòu)等剛剛處于起步階段, 同時在建筑造型、結(jié)構(gòu)構(gòu)思等方面還比較單調(diào)。在施工技術(shù)方面，雖然常用的施工方法越來越成熟，但是隨著空間結(jié)構(gòu)的形式越來越奇特，也迫切地需要一些新的安裝方法來解決這些難題。