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膜结构系列

膜结构工程

发布时间: 2017-12-17 18:56 


中国现代悬索结构之发展始于50年代后期和80年代。北京的工人体育馆和杭州的浙江人民体育馆是当时的两个代表作。北京工人体育馆建成于1961年,其屋盖为圆形平面,直径94m,采用车辐式双层悬索体系,由截面为2m X2m的钢筋混凝土圈梁、中央钢环,以及辐射布置的两端分别锚定于圈梁和中央钢环的上索和下索组成。中央钢环直径16m,高11m,由钢板和型钢焊成,承受由于索力作用而产生的环向拉力,并在上、下索之间起撑杆的作用。浙江人民体育馆建成于1967年,其屋盖为椭圆平面,长径80m,短径60m。采用双曲抛物面正交索网结构;长径方向主索垂度4.4m,短径方向副索拱度2,6m。
大家知道,世界上现代悬索屋盖是美国于1953年建成的Releigh体育馆,采用以两个斜放的抛物线拱为边缘构件的鞍形正交索网。我国建造的上述两个悬索结构无论从规模大小或技术水平来看,在当时都可以说是达到国际上较先进水平的。但此后我国悬索结构的发展停顿了较长一段时间,一直到1980年才建成成都城北体育馆。它的直径为61m的圆形屋盖也是采用车辐式双层悬索结构,但作了一些改进:所有的索在中央环处不切断,而是沿环的切线穿越过去,铺在圈梁的对侧位置上。这样不仅节省了一半悬索锚具,而且中央环不再承受环向拉力,而仅起上、下索之间撑杆的作用,从而节省了相当数量的钢材。
尽管存在如上面介绍的一些杰出工程,现在来回顾80年代初期我国悬索结构以致整个空间结构的总体发展水平,仍然只能承认当时仅有平板网架结构的发展是比较成熟的;由于60年代以后全国在平板网架方面投入了不少力量,在工程实践和理论分析方面均积累了较多经验。但在悬索结构、网壳结构、薄壳结构和薄膜结构等其它空间结构类型方面,则相对比较落后,工程实践既有限,理论储备也不足,同国际发展水平相比差距较大。这种状态同当时蓬勃兴起的新的建设形势形成了明显的反差。在设计日益增多的如体育馆等一些大型公共建筑时,普遍感到结构形式的选择余地很有限,无法满足日益发展的对建筑功能和建筑选型多样化的要求。这种生产要求对我国空间结构的发展起到了良好的刺激作用,各设计和研究部门对探讨多样化的空间结构形式和进行相应的理论研究产生了越来越多的兴趣。1982年空间结构委员会的成立集中地反映了这种共同的要求。从那时候起,我国空间结构,包括悬索结构进入了一种较快的协调发展的状态。今天来回顾我国悬索结构十年来的发展。可以看到工程实践的数量有了较大增长,结构的应用形式趋向多样化,理论研究也逐渐完整配套,形势是十分喜人的。

结构形式的发展
从近年来工程实践中所采用的结构形式来看,各种单层索系、双层索系、索-梁(桁)体系、鞍形索网、各种组合悬挂体系都获得了工程应用,形式丰富多样。表1按结构类型列出国内已建成的工程项目,其中绝大多数是近十年内设计和建造的,但为了完整,表中也列入了较早时期建造的几个工程项目。
近十年来的工程实践几乎对各种悬索结构形式都进行了探索,尤其值得称道的是,我国的工程技术人员在学习和吸收国外先进经验的同时,在结合工程具体条件创造更加符合中国国情的结构应用形式方面作了不少尝试和创新。例如山东省淄博等地把悬索结构应用于一些中小型屋盖结构中,颇具特色。他们主要采用单层平行索系(或伞形辐射索系)上加钢筋混凝土屋面板的构造方式。施工时先将屋面板挂在索上(使索正好位于极缝中),在板上加载使索伸长,然后在板缝中浇灌细石混凝土,待
达到一定强度后卸去荷载,即形成具有一定预应力的“悬挂薄壳”。这种构造和施工方法不需要复杂的技术和设备,相应地造价也比较经济,因而很符合各地区建造中、小型建筑的需要。在开拓新的结构形式方面,淄博化纤厂餐厅的悬挂薄壳屋盖采用正方形悬垂索网,并沿二对角线方向加设主索作为中间支承,颇具新意。
提高单层悬索的形状稳定性,除了采用钢筋混凝土板等重型屋面并再进一步形成悬挂薄壳的办法外,安徽体育馆等工程所采用的设置横向加劲梁(或桁架)的办法也是十分有效的。从文献记载上看,这种“索-梁(桁)体系”在国外尚未见用之于工程实践。横向加劲构件的作用有二:一是传递可能的集中荷载和局部荷载,使之更均匀地分配到各很平行的索上;二是通过下压横向加劲构件的两端到预定位置或通过对索进行张拉使整个体系建立预应力,从而提高屋盖的刚度。从安徽体育馆等几个工程的实践来看,这种体系施工方便用料经济,是一种成功的创造。
由一系列承重索和反向的稳定索组成的预应力双层索系,是解决悬索结构形状稳定性的另一种较有效的结构形式。瑞典工程师Jawerth首先在斯德哥尔摩滑冰馆采用由一对承重索和稳定索组成被称为“索桁架”的专利体系,其后这仲平面双层索系在各国获得相当广泛的应用。我国无锡体育馆也采用了这种体系。作为对这种体系的改进,吉林滑冰馆结合具体工程条件,创造了一种新型的空间双层索系(图2)。它的承重素与稳定索不在同一竖平面内,而是错开半个柱距。在跨度中央部分,稳定索高出承重素,形成筒形屋面;上、下索之间设置纵向的衍架式擦条,将两层索撑开。在跨度的两个边缘部分,稳定索低于承重索,二者之间用波形模条拉紧,形成波形屋面。采用这种结构形式,不仅提供了新颖的建筑造型,而且很好地解决了矩形平面悬索屋盖通常遇到的屋面排水问题。这一新颖结构参加了1987年在美国举行的“国际先进结构展览”。  

十年来我国悬索结构发展的另一个特点是在许多工程中运用了各种组合手段。主要的方式是将两个以上的索网或其它悬索体系组合起来,并设置强大的拱或刚架等结构作为中间支撑,形成各种形式的组合屋盖结构。例如四川省体育馆和青岛市体育馆的屋盖是由两片索网和作为中间支撑的一对钢筋混凝土拱组合起来的,丹东体育馆则是由强大的钢筋混凝土中央刚架和两片单层平行索系组合而成。北京朝阳体育馆由两片索网和被称为“索拱体系”的中央支撑结构组成(图3)。索拱体系本身也是一种组合结构。朝阳体育馆采用的中央索拱体系由两条悬索和两个钢拱组成。索和拱的轴线均为平面抛物线,分别布置在相互对称的四个斜平面内,通过水平和竖向连杆两两相连,构成桥梁形式的立体预应力体系。索拱体系的工作性能显示了索和拱两种构件相互配合、相互补充的特点。与单纯的悬索比较,索拱体系具有较大的形状稳定性和刚度。尤其是在抵抗集中或局部荷载时变形较小;与单纯的拱比较,索拱体系中的拱由于同张紧的索相连,其整体稳定性较好,因而不需强大的截面。这种索拱体系的概念是一种有意义的创新。
采用各种组合式屋盖不仅进一步增加了建筑造型的多样性,而且往往能更好地满足某些建筑功能上的要求。例如通过设置中央支承结构适当抬高了体育馆比赛场地上方的净空,而两侧下垂的悬索屋面又恰好与看台的斜度配合一致,所以这种元宝形的屋盖形状给体育馆建筑提供内部空间。
采用组合式屋盖结构往往并非由于技术经济方面的理由。从技术经济的角度,单片索网或其它悬索体系可以经济地跨越很大的跨度,本非必需要采用中间支承结构。事实上,对于一般中等跨度的建筑物。采用单片的悬索体系常可能获得简单经济的设计。所以,采用组合式屋益结构在许多场合毋宁说主要是出于丰富建筑造型和更好地满足建筑物使用功能方面的考虑。毫无疑问,从我国这几年的实践效果来看,它在这方面是起到了预期作用的。
将斜拉体系利用到屋盖结构中来、是近几年出现的另一种组合结构形式。斜拉体系利用由塔柱顶端伸出的斜拉索为屋盖的横跨结构(主梁、桁架、平板网架等)提供了一系列中间弹性支承。使这些横跨结构不需靠增大结构高度和构件截面即能跨越很大的跨度,从而达到节省材料的目的。但与此同时,建造塔柱本身以及可能需要的边缘锚杆和受拉基础等又要增加造价。所以设计时要设法减小各拉索施于塔顶的总水平力。从这个角度来考虑。斜拉屋盖体系适用于大跨度的多跨建筑。或虽为单跨但没有适当附跨的建筑(图4)。这时塔柱两侧均可敷设斜拉索,使塔顶左右受力趋于平衡,塔柱可设计得比较纤柔。反之.如果仅在一侧敷设斜拉索,而靠建造强大的塔柱来抵抗拉索的水平分力,从纯粹技术经济的角度、这样的体系一般是不合算的。鉴于混合式悬挂体系在受力性能方面的潜在优势和在应用形式方面的多样性,可以预期今后将会获得更多的发展。



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