世界上最大跨度懸索屋蓋結(jié)構(gòu)的誕生大跨度懸索結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與發(fā)展

世界上最大跨度懸索屋蓋結(jié)構(gòu)的誕生大跨度懸索結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與發(fā)展

1懸索結(jié)構(gòu)發(fā)展概況1.1年—發(fā)展概述世界上第一個現(xiàn)代懸索屋頂是美國在1953年修建的“雷里”體育城。它是一種帶有兩個傾斜軸的鞍形“正交索網(wǎng)”結(jié)構(gòu)。圓形平面直徑為91.5米。1962年瑞典工程師賈維斯在斯德哥爾摩滑冰館中首先采用了“索桁架”結(jié)構(gòu),這種平面雙層索系結(jié)構(gòu)很快在世界各國得以廣泛應(yīng)用。1967年前蘇聯(lián)在列寧格勒建成列寧格勒紀念體育館,其平面為圓形車輻式索桁架方案,直徑達93m,索桁架的高跨比為1/17,這在當時被列入世界上巨型體育建筑之一。為籌辦第22屆奧運會,前蘇聯(lián)又于1980年建成直徑160m圓形車輻式索桁架列寧格勒比賽館,并在索桁架上弦鋪設(shè)薄鋼板,既作屋面防護,又使其成為與上弦索共同工作的索膜結(jié)構(gòu)。與此同時,在莫斯科也建成平面為橢圓形,長軸224m,短軸183m,覆蓋面積達38800m2,可容納觀眾4.5萬人的奧運會中心體育館。該建筑采用了桁架式勁性索,并與屋面防護鋼板組成索膜結(jié)構(gòu),是當時世界上幾個巨型室內(nèi)體育建筑之一,結(jié)構(gòu)用鋼量為126kg/m2(其中包括鋼筋混凝土外環(huán)梁的配筋46kg/m2),這樣大跨度結(jié)構(gòu)屋蓋其承重結(jié)構(gòu)自重僅106kg/m2。在平行雙層懸索體系方面,我國1961年建成的圓形車輻式雙層懸索結(jié)構(gòu)北京工人體育館及1986年建成的索桁架結(jié)構(gòu)吉林滑冰館,在吸取國外先進技術(shù)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上有所創(chuàng)新,從規(guī)模大小和技術(shù)水平來看,在當時都達到國際先進水平,受到國內(nèi)外工程界的好評。迄今為止,北京工人體育館仍為我國跨度最大的懸索結(jié)構(gòu)。自美國于1953年建成“雷里”體育館,首先創(chuàng)建了預應(yīng)力鞍形“索網(wǎng)”結(jié)構(gòu)之后,1983年加拿大又建成了卡爾加里滑冰館,平面為橢圓形,長軸135.3m,短軸129.4m,該體育建筑為世界上目前最大跨度的預應(yīng)力鞍形“索網(wǎng)”結(jié)構(gòu)。我國在鞍形“索網(wǎng)”結(jié)構(gòu)方面也有成功的范例。1967年建成的杭州體育館,平面為橢圓形,其長、短軸尺寸為80m、60m,索的邊緣構(gòu)件為鋼筋混凝土空間曲梁,由雙向正交拋物面預應(yīng)力鞍形索網(wǎng)組成屋面,上懸穩(wěn)定索施加預應(yīng)力后相當于對下層承重索施加了40kg/m2的垂直荷載,以抗風并保證穩(wěn)定,有較好的技術(shù)經(jīng)濟指標,達到當時的世界先進水平。1.2使索體表面的張力得到平衡由于雙層懸索體系(索桁架、鞍形索網(wǎng)、圓形車輻式雙層懸索)是完全柔性結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)剛度主要由索體中的張力提供,使其具備承受外荷載和保形能力。但是,通過對索施加預應(yīng)力使其“剛化”的手段,又會加大邊緣支承結(jié)構(gòu)的負擔,往往要設(shè)置強大的邊緣構(gòu)件以平衡索體的張力,極大的影響了技術(shù)經(jīng)濟指標。針對于此,隨著懸索結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展,又出現(xiàn)了幾種新型的懸索結(jié)構(gòu)形式。1.2.1結(jié)構(gòu)承載性能勁性索是以實腹或桁架構(gòu)件代替柔性索的懸掛結(jié)構(gòu)體系,這種結(jié)構(gòu)體系的代表有1964年建成的日本代代木體育館、前蘇聯(lián)1980年建成的22屆奧運會游泳館和莫斯科奧運會中心體育館。該結(jié)構(gòu)特點是在全跨荷載作用下,懸掛勁性索的受力以受拉為主,鋼材強度得以充分利用;勁性索具有一定的抗彎剛度,在不對稱荷載作用下變形、支座反力、撓度都較小,屬剛性索梁體系;勁性索無需通過施加預應(yīng)力提供“剛化”,有良好的結(jié)構(gòu)承載性能,可有效地減少邊緣構(gòu)件的水平拉力;同時,勁性索取材方便,耐久性能良好。1.2.2橫向加勁懸索結(jié)構(gòu)建筑的應(yīng)用安徽省體育館為該結(jié)構(gòu)體系的代表,通過橫向擱置在單層懸索上的剛性桁架支座的強迫位移,對索施加預應(yīng)力,以保持屋面的穩(wěn)定,同時,利用周邊功能用房鋼筋混凝土屋面,組成自平衡的邊緣支承構(gòu)件,為世界上首例建成的橫向加勁懸索結(jié)構(gòu)建筑,其相關(guān)資料多次在國際空間結(jié)構(gòu)會議上交流,獲得國內(nèi)外工程界的好評。隨后,上海楊浦體育館、廣東潮州體育館又相繼建成,尤其是潮州體育館在采用該結(jié)構(gòu)方案的同時又在建筑造型上有所創(chuàng)新。相信,這種施工方便、經(jīng)濟適用的結(jié)構(gòu)體系會在今后得到創(chuàng)新和發(fā)展。1.2.3結(jié)構(gòu)形態(tài)定義這是近十余年來在大跨度結(jié)構(gòu)中應(yīng)用發(fā)展最為迅速的一種結(jié)構(gòu)體系,是一種力學自平衡的結(jié)構(gòu)。除因溫度應(yīng)力對支承結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平推力外,外荷載不產(chǎn)生推力。我國1997年首次在上海浦東國際機場航站樓中采用,設(shè)計人員在引進法國技術(shù)方案的基礎(chǔ)上作了較大改動和創(chuàng)新,建成水平投影跨度82.6m的張弦梁。其后,2002年又在廣州國際會展中心建成跨度126.6m張弦立體桁架屋蓋,2003年在哈爾濱國際會展中心再次采用,建成跨度達128m,這是目前我國建成最大跨度的張弦梁結(jié)構(gòu)。為釋放溫度應(yīng)力,一側(cè)支承為鋼筋混凝土剪力墻,另一側(cè)設(shè)人形搖擺柱,形成可水平移動的鉸支座,同時,下弦鋼索錨固端設(shè)在上弦立體桁架支座斷面形心處,使上弦立體桁架弦桿一開始就處于均勻受力狀態(tài)。根據(jù)張弦梁的加工制作、施工及受力特點,設(shè)計時將其結(jié)構(gòu)形態(tài)定義為“零狀態(tài)”、“初始狀態(tài)”和“荷載狀態(tài)”三種?！傲銧顟B(tài)”是拉索張拉前的狀態(tài),是確定各桿件尺寸的狀態(tài),也稱為施工放樣階段;“初始狀態(tài)”即結(jié)構(gòu)竣工后狀態(tài),“荷載狀態(tài)”即外荷載作用在“初始狀態(tài)”結(jié)構(gòu)上,結(jié)構(gòu)發(fā)生變形后的平衡狀態(tài),這就是張弦梁結(jié)構(gòu)的受力特點。與懸索結(jié)構(gòu)不同的是,張弦梁結(jié)構(gòu)中的預應(yīng)力并不能為結(jié)構(gòu)提供較高的剛度,變形計算應(yīng)從結(jié)構(gòu)“初始狀態(tài)”為參照標準,同時,計算表明,張弦梁結(jié)構(gòu)非線性特征并不明顯,屬半剛性結(jié)構(gòu)。張弦結(jié)構(gòu)中的鋼索與撐桿的連接構(gòu)造,是該結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)成部分,有資料表明,節(jié)點造價往往占結(jié)構(gòu)總造價的3%~5%,目前我國在張弦結(jié)構(gòu)中都采用“索球”與豎桿連接節(jié)點,制作工藝復雜,造價昂貴,與前蘇聯(lián)建造的22屆奧運會列寧格勒比賽館中采用的“鋼索瓦”與豎桿連接節(jié)點相比,后者更符合設(shè)計假定,制作簡便,造價也相應(yīng)較低。1.2.4網(wǎng)殼受力分析這是由日本空間結(jié)構(gòu)權(quán)威川口教授首先提出的結(jié)構(gòu)體系,是將“索穹頂”整體張拉結(jié)構(gòu)思路用于剛性網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)上,創(chuàng)造出“弦支穹頂”結(jié)構(gòu)體系。眾所周知,單層或雙層剛性網(wǎng)殼都具有水平推力,對邊緣支承構(gòu)件都有抗水平推力的要求。“弦支穹頂”結(jié)構(gòu),通過徑向拉索、豎向撐桿、環(huán)向箍索組成一個完整的自平衡閉合力系,邊緣構(gòu)件不再承受水平推力。該結(jié)構(gòu)傳力路徑明確,在結(jié)構(gòu)最初建成時通過撐桿上的伸縮套筒使撐桿伸長,在對索施加預應(yīng)力的同時,對網(wǎng)殼也產(chǎn)生向上減少變形的反力,在外載作用下自相平衡。與此同時,網(wǎng)殼構(gòu)件內(nèi)力也有相應(yīng)調(diào)整,部分壓桿內(nèi)力相應(yīng)減少,從而顯著地提高了結(jié)構(gòu)的整體剛度。施加預應(yīng)力后的弦支穹頂結(jié)構(gòu)非線性特征表現(xiàn)并不明顯,可以首先用線性分析計算方法進行初步計算。計算表明,對索施加預應(yīng)力后的弦支穹頂網(wǎng)殼中的內(nèi)力得到調(diào)整和改善,但更多的是集中在外圍桿件中,對內(nèi)層桿件的影響并不顯著。我國首次在天津保稅區(qū)商務(wù)中心大堂建成直徑為35.4m、矢高為4.6m的弦支穹頂屋蓋,隨后,又相繼建成安徽大學體育館、08年奧運會羽毛球館等工程,都取得了優(yōu)異的綜合效益。1.2.5張拉預應(yīng)力索,以及在網(wǎng)殼中的應(yīng)用現(xiàn)代預應(yīng)力技術(shù)與空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)(網(wǎng)架、網(wǎng)殼)相結(jié)合,便構(gòu)成了預應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。施加預應(yīng)力通常有兩種方案:一種是在網(wǎng)格下弦桿外設(shè)置預應(yīng)力索;另一種是在下弦桿內(nèi)設(shè)置預應(yīng)力索,后者應(yīng)用較多。通過張拉預應(yīng)力索,在網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中建立與外荷載作用相反的內(nèi)力和撓度,從而提高了整個網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的剛度,改善了結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布。同時對網(wǎng)殼施加預應(yīng)力,還可解決水平推力問題,形成自平衡體系。近十年來,我國有多項成功的工程范例,創(chuàng)造了極好的技術(shù)經(jīng)濟指標。從目前工程實踐來看,網(wǎng)格中設(shè)置預應(yīng)力拉索的目的,主要是降低網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的撓度,減少變形。從結(jié)構(gòu)承載能力來看,過高的預應(yīng)力反而會增加結(jié)構(gòu)負擔,其“受益桿件”和“非受益桿件”比例要選擇適當,因此,在索中施加預應(yīng)力取值方面,應(yīng)根據(jù)其目的綜合考慮。1.2.6索頂結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法與設(shè)計要點索網(wǎng)支承式膜結(jié)構(gòu)的典型代表就是“索彎頂”,它是由美國工程的蓋格爾創(chuàng)建,并首先于1986年建成直徑120m的漢城奧運體育館,1990年又在美國佛羅里達州建成“雷聲穹頂”大型體育館,直徑達210m。1993年臺灣桃園再建直徑136m體育館。到目前為止,該類型結(jié)構(gòu)全世界也僅建成十余幢,均由美國人設(shè)計,相關(guān)資料極其封閉。迄今,我國尚無該類項目建成,但近年來我國在“索穹頂”結(jié)構(gòu)研究方面,做了大量的工作,有相當?shù)睦碚搩?即將在濟南建成的直徑120m的體育館,將是我國索穹頂結(jié)構(gòu)零的突破?！八黢讽敗笔且环N受力合理、結(jié)構(gòu)效率高的結(jié)構(gòu)體系,該體系由連續(xù)的拉索和不連續(xù)的承壓豎桿組成,“壓桿的孤島懸浮在拉索的海洋之中”;通過張拉徑向斜索對結(jié)構(gòu)進行“剛化”,沒有索中的預應(yīng)力就沒有結(jié)構(gòu)剛度,就不能承受外荷載;無論在何種狀態(tài)下,該體系都是壓力和拉力有效的自平衡,是一個封閉的平衡體系?！八黢讽敗钡氖┕び?種方法:(1)由外向內(nèi)逐圈張拉徑向斜索建立預應(yīng)力;(2)僅張拉外圈斜索建立預應(yīng)力;(3)由外向內(nèi)逐圈伸長豎桿建立預應(yīng)力;(4)僅伸長外圈豎桿建立預應(yīng)力。需要強調(diào)的是,“索穹頂”建立體系預應(yīng)力提升施工的過程,就是結(jié)構(gòu)形成的過程,當所有桿件提升到位后,桿件內(nèi)的預應(yīng)力也即達到設(shè)計要求。美國工程師李維又在蓋格爾體系的基礎(chǔ)上作了改進,為提高結(jié)構(gòu)抗變形能力,改進后的體系不同之處在于:將脊索由輻射狀布置改為聯(lián)方網(wǎng)格形式,取消了起穩(wěn)定作用的谷索;斜索和撐桿也作相應(yīng)調(diào)整;屋面膜單元變?yōu)榱庑蔚碾p曲拋物面形狀,可自然的繃緊成形。李維體系的整體空間作用明顯加強,在不對稱荷載作用下剛度有較大提高。1992年建成的美國亞特蘭大佐治亞穹頂采用了李維體系,橢圓形平面長、短軸尺寸分別為241m和192m,可容納70000人,是目前世界上最大的室內(nèi)體育館,但耗鋼量僅為30kg/m2。2anasas軟件的應(yīng)用(1)隨著計算機的發(fā)展和普及,懸索結(jié)構(gòu)的離散化分析方法,尤其是以離散化理論為基礎(chǔ)的節(jié)點位移法和相應(yīng)的各種迭代解法取得了迅速發(fā)展。相應(yīng)的計算機程序也陸續(xù)編制成功,特別是近幾年來國外一些大型通用程序的引入和應(yīng)用,使懸索結(jié)構(gòu)獲得更加方便的分析手段。20世紀80年代后期建成的重要懸索結(jié)構(gòu)工程大都是由計算機進行分析的,但是,這并不能排除各種解析計算方法的作用。事實上,通過對索建立基本平衡微分方程和變形協(xié)調(diào)方程求解的解析計算方法,概念清晰,在方案確定和對計算機分析結(jié)果進行判斷時具有重要作用。ANSYS有限元計算程序可對結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析和地震作用下的時程分析,索網(wǎng)、弦支穹頂、鑄鋼節(jié)點等都可使用該程序。以張弦梁結(jié)構(gòu)計算為例:利用ANSYS程序?qū)伍旒苓M行初始張拉形態(tài)及荷載態(tài)進行分析;對下部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用SATWE程序考慮上部屋蓋荷載進行分析;再用MIDAS/Gen軟件對屋蓋下部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行整體分析,并對上述結(jié)果進行復核。(2)“初始狀態(tài)”和“荷載狀態(tài)”的定義:懸索結(jié)構(gòu)分析屬幾何非線性問題,“初始狀態(tài)”不同,即使荷載增量相同,引起的內(nèi)力和變形增量也不相同。為此,首先應(yīng)明確給定其“初始狀態(tài)”,一般取某種設(shè)計或施工狀態(tài)作為“初始狀態(tài)”,在此狀態(tài)下,內(nèi)力和變形為已知,并以此為標準求解在附加荷載增量作用下懸索的內(nèi)力和變形,并將荷載增量作用后的狀態(tài)稱為“荷載狀態(tài)”。(3)鋼索“設(shè)計強度”的可靠性分析:目前鋼索“設(shè)計強度”的取值是通過安全系數(shù)K,從“極限強度”換算成“設(shè)計強度”。國內(nèi)已建成的懸索結(jié)構(gòu)工程設(shè)計中采用的安全系數(shù)約為2.5~4(安徽省體育館取K=3.5),取中間值K=3,通過換算抗力分頂系數(shù)ΥR=2.443,以此求得“設(shè)計強度”,其對應(yīng)的“可靠性指標”β>6,而我國現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定建筑結(jié)構(gòu)目標可靠度指標β=4.2,因此,取安全系數(shù)K=3是偏于安全的。隨著今后懸索工程的發(fā)展,有足夠的試驗資料數(shù)據(jù)來推導統(tǒng)計出抗力分項系數(shù)ΥR,更加準確地求得“設(shè)計強度”,使結(jié)構(gòu)設(shè)計更合理、安全。3節(jié)點設(shè)計注意事項節(jié)點設(shè)計的原則: