建筑工程新結構體系探究獲獎科研報告

建筑工程新結構體系探究獲獎科研報告摘

要：現階段，隨著社會的發(fā)展，我國的科學技術的發(fā)展也有了很大的進步。建筑行業(yè)的不斷發(fā)展以及建筑技術的逐步提高，進入21世紀以來，人們對建筑結構、建筑設計以及建筑質量的要求越來越高，從而提出了一系列新的結構體系。本文結合當代建筑工程的實際發(fā)展情況，介紹了目前建筑工程應用最多的幾種新型結構體系。

關鍵詞：建筑工程;新結構體系;探究

引言

近年來經濟的快速發(fā)展，使人們對建筑的要求也隨之提高，當前建筑物多以混凝土材料為主，這就導致裂縫問題無法避免，從而影響到建筑物結構的承載力，一旦裂縫過大還會導致鋼筋生銹，降低結構的耐久性，導致房屋滲漏問題發(fā)生，并影響建筑物的美觀性。因此針對于這類建筑物需要采取相應的加固措施，以此來確保其質量和安全。

1鋼—混凝土混合結構

20世紀80年代，我國引進芝加哥的鋼—混凝土混合結構，并將其普遍應用于高層建筑當中。我國建設部和冶金工業(yè)局非常重視鋼—混凝土混合結構的綜合使用效益，從20世紀末到21世紀初便一直將其列為重點結構綜合使用，尤其在高層辦公大樓、高層住宅建筑、高校建筑以及醫(yī)院建筑等方面應用的最為普遍。如今，鋼—混凝土混合結構形式依然遵循最初的建設及應用標準，較多應用于我國高層建筑領域當中，已經成為了當前超高層建筑的主要結構材料。據相關部門調查分析可知：我國高層建筑采用鋼―混凝土混合結構可以大大提高建筑材料的綜合利用比率，相比全鋼結構的使用周期和施工速度，鋼—混凝土混合結構明顯優(yōu)化了許多，是目前高層建筑建設中最為有效的工程結構形式。鋼—混凝土混合結構主要由三大部分組合而成，分別是：鋼構件、鋼、混凝土組合構件，由于各部件各具特點和建筑優(yōu)勢，因此它們可以組成各種不同的混合結構形式。具體而言，鋼結構和混凝土結構各自具有建筑優(yōu)勢，鋼結構重量輕、強度好、建筑施工較為簡便，混凝土結構的剛度大、材料消耗少且防火性能較好，兩種建筑材料各具優(yōu)勢，將兩者有效結合才能為我國高層建筑建設開辟一條全新的發(fā)展道路。簡言之，與其他材料結構相比，鋼—混凝土混合結構的主要優(yōu)點是整體性能較好，可以灌筑成為一個有效的整體;可塑造性強，可以灌筑成為各種尺寸和形狀的結構;結構強度和防火性能較好，工程造價和維護費用都相對較低。然而，在具體建設過程中，也需要注意混合結構的缺點和不足之處，鋼構件、鋼與混凝土組合構件之間的協(xié)作性能還需進一步加強和提高，相應的控制指標還需進一步改善和優(yōu)化;由于在室外施工，受天氣、氣候和季節(jié)的影響較大;新舊混凝土融合度較差，加大了后期的修復難度。

2索張拉結構

20世紀40年代末期，美國著名建筑師Fuller利用“拉壓共存”原理首次提出了索張拉整體體系，強調不連續(xù)的受壓構件與連續(xù)的受拉構件相互聯系，是一種高效率的鋼壓桿與預應力鋼索整合結構體系。該結構體系可以通過減少受壓狀態(tài)而使結構處于連續(xù)的張拉狀態(tài)，從而實現拉桿與壓桿相互聯系的最佳效應。分析建筑物結構的基本受力情況可知，結構的基本受力構件由受壓構件、受彎構件以及受拉構件三個部分組成。具體而言，受壓構件需要良好的整體配比，當受壓構件整體過長或者是整體過細都不利于有效發(fā)揮構件的穩(wěn)定性，構件失衡便無法發(fā)揮自身的使用效益;受彎構件的截面應力不均勻，往往會使得構件無法發(fā)揮最大效用;相比而言，只有受拉構件的截面應力相對均勻，不會發(fā)生整體失衡的狀態(tài)。因此，在建筑工程中最大限度地發(fā)揮受拉構件的綜合作用，不僅可以提高構件的承載力和受壓能力，充分發(fā)揮各種建筑材料的自身強度，還能切實提高構件的使用效率和經濟效能。下面將通過一個典型的索張拉結構建筑實例———上海浦東國際機場，展示該結構的整體特點。20世紀末上海浦東國際機場正式建成，主要建筑航站樓由主樓和候機長廊兩大部分組成，由兩條信道連接，三層結構建成，總面積高達28萬平方米。該工程主要由主樓、高架進廳、登機長廊三大部分組成，主樓和高架進廳為連接3跨，跨度由東向西約為50m和40m，縱向長度約為410m。根據建筑結構和受力特點，航站樓的屋蓋斜挑鋼結構為國內外罕見的結構體系，主要采用了鋼筋混凝土結構和鋼結構兩大結構體系，標高12米以下的部分主要采用鋼筋混凝土結構體系，12米以上的大空間覆蓋面積主要采用鋼結構體系，兩種結構協(xié)調搭配，不但保證了航站樓的穩(wěn)定性，也保證了其較高的經濟效益和使用效率。上海浦東機場的登機長廊跨度約為50m，縱向長度約為1400m，鋼屋架通過托架梁支撐在兩側不同的傾斜鋼柱上，張弦梁的上下弦均為圓弧形結構，其中，下弦為高強鋼索的梭子型鋼屋架結構體系，高端通過托架梁支撐在傾斜的鋼柱上，低端通過硂框架支撐在大梁上，通過縱向穩(wěn)定以及橫向堅固措施加強整體結構建設，以此確保該工程成為了索張拉結構的經典之作。

3索穹頂結構

索穹頂結構來源于美國著名設計師Fuller的“張拉結構”思想，經過美國工程師Geiger和Levy的相繼改造，索穹頂結構在不斷發(fā)展中愈加完善，在美國、韓國等國家的體育館建設中得到了具體的實踐應用。20世紀80年代，我國從國外引進索穹頂結構，自從索穹頂結構引入中國，便以合理的受力、經濟的造價和簡便的施工等顯著優(yōu)點贏得了廣大工程師的厚愛，發(fā)展至今，國內已經建成了三個索穹頂標志性工程，索穹頂結構無疑成為了近年來炙手可熱的建筑工程研究熱點之一。具體而言，索穹頂結構是效率極高的張力集成體系，主要的構件是鋼索，因其利用膜材作為屋面，始終處于張力狀態(tài)的索段構成穹頂而得名為索穹頂。索穹頂建筑結構體系將鋼索的強度特性發(fā)揮的淋漓盡致，不但有效避免了柔性結構的松弛狀況，而且整體材料較為輕薄，便于正常建設與施工，堪稱建筑界的“經濟造價之王”，普遍適用于跨度較大的結構之中。值得一提的是，索穹頂結構中的預應力鋼索壓桿少而短，極大提高了建筑鋼材的拉力和預應力。然而，索穹頂結構普遍存在索網平面外剛度不足、容易失穩(wěn)等固有缺點，在建筑過程中，需要提出進一步的完善舉措。下面將通過一個典型的索穹頂結構建筑實例———天津理工大學體育館，展示該結構的別樣之處。天津理工大學體育館是第13屆全國運動會的競賽場館之一，是國內第一個跨度超過100米的長短軸馬鞍形索穹頂結構，也是目前天津市在施場館中難度最大的一項工程。天津理工大學體育館是一座綜合性很高的體育場館，該項目用地面積43045m2，項目總建筑面積17100m2，主要由中心場地、訓練館及配套用房組成。該場館采用鋼筋混凝土框架結構，外墻采用蒸壓加氣混凝土砌塊，屋面采用鋁鎂錳合金板防水屋面、雙層膜結構及花崗石屋面，建筑物的使用年限以及安全系數都達到了同類建筑物之首。該場館不僅造型獨特，還兼顧了采光、牢固、實用等多重功效，體育館的屋蓋采用了膜結構和金屬結構相結合的建造方式，采用質量極佳的上好材料膜，實現了大跨度建筑材料的完美應用，充分保證了場館白天的采光性能。然而，由于屋蓋罩面采用的是異形結構，兩個坡坡面能夠在一點實現交匯，在交角處實現平滑過渡，才能保證索穹頂結