大跨空間和鋼筋結(jié)構(gòu)的進(jìn)展與工程應(yīng)用上傳

...wd......wd......wd...大跨空間及鋼構(gòu)造的最新進(jìn)展與工程應(yīng)用10.1概述(1)新型材料、新型構(gòu)造及新型構(gòu)件的應(yīng)用與開(kāi)展.促進(jìn)了人們對(duì)其受力性能及設(shè)計(jì)方法的研究近年來(lái).隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的開(kāi)展及人民生活水平的提高.新材料、新的構(gòu)造形式、新的構(gòu)件和新的節(jié)點(diǎn)形式在工程中不斷涌現(xiàn)出來(lái).極大地促進(jìn)了鋼構(gòu)造技術(shù)的進(jìn)步和開(kāi)展。建筑鋼構(gòu)造體系和構(gòu)件形式的多樣化推動(dòng)了新型空間鋼構(gòu)造及構(gòu)件在大型鋼構(gòu)造工程工程中的廣泛應(yīng)用.先后向人們展現(xiàn)了一大批新型構(gòu)造及構(gòu)件形式。目前正值20xx年奧運(yùn)會(huì)及上海世博會(huì)前的大好建設(shè)契機(jī).新構(gòu)造及新構(gòu)件在建筑師和構(gòu)造師的筆下應(yīng)運(yùn)而生。在整體張拉構(gòu)造和雜交構(gòu)造領(lǐng)域.索作為構(gòu)造體系中最活潑的構(gòu)件或單元體.以其自身強(qiáng)度高及張拉受力的特點(diǎn).通過(guò)與壓桿的“交織〞組合.形成了許多簡(jiǎn)捷、輕巧的構(gòu)造構(gòu)型.備受建筑師青睞。通常索要施加預(yù)應(yīng)力.其目的一是要減少及平衡外荷載產(chǎn)生的彎矩.二是要形成或提高構(gòu)造的剛度.最終到達(dá)提高構(gòu)造的承載效率。索穹頂構(gòu)造和弦支穹頂構(gòu)造是整體張拉構(gòu)造中典型的代表.它們均以大跨度、低用鋼量著稱.在世界其他國(guó)家有不少體育場(chǎng)館采用了這種構(gòu)造形式.但在我國(guó)只有少數(shù)幾個(gè)小跨度的弦支穹頂構(gòu)造建成。除此之外.張弦梁及張弦桁架構(gòu)造也在工程中有廣泛地應(yīng)用范圍.上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)、廣州國(guó)際會(huì)議展覽中心、深圳國(guó)際會(huì)議展覽中心就采用了張弦梁構(gòu)造及張弦桁架構(gòu)造.其中后二者的跨度達(dá)126m左右。拱形構(gòu)造是一種傳統(tǒng)的構(gòu)造形式.其材料從古代的石材圓弧拱到現(xiàn)代的鋼構(gòu)造拱.拱的構(gòu)造形式也不斷的多樣化。以鋼構(gòu)造拱為例.從其截面形式講.有實(shí)腹式和格構(gòu)式兩種。前者主要包括圓管和方矩管單拱構(gòu)造或組合截面拱構(gòu)造.后者以方矩管和圓管形成的平面桁架拱及立體桁架拱應(yīng)用居多。實(shí)腹式拱宜應(yīng)用在中小跨度構(gòu)造中.但也有應(yīng)用在大跨度體育場(chǎng)館的例子.如稚典奧運(yùn)會(huì)主場(chǎng)館就采用了兩對(duì)實(shí)腹式巨型截面圓鋼管拱.用于懸掛體育場(chǎng)館的屋蓋體系。平面及立體桁架拱以承受更大荷載、跨越更大跨度的優(yōu)點(diǎn)在大跨度建筑及橋梁構(gòu)造拱橋中有較多的應(yīng)用；腹板開(kāi)洞的工形截面拱以其通透美觀也應(yīng)用在輕軌站篷、航站樓及索膜構(gòu)造中；從鋼構(gòu)造拱的軸線形式講.有圓弧形拱、橢圓形拱及其他各種軸線變曲率的拱；各種軸線形式的拱有其不同的受力性能.圓弧拱以承受均布徑向壓力為主.拋物線拱那么以抵抗均布垂直壓力為主。拱的軸線形式主要由建筑師來(lái)決定.取決于構(gòu)造的使用功能及建筑師的創(chuàng)意。確定實(shí)腹式截面拱及桁架拱的穩(wěn)定承載力是拱構(gòu)造設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容.可以通過(guò)大量數(shù)值計(jì)算及試驗(yàn)研究建設(shè)各種截面拱的穩(wěn)定承載力設(shè)計(jì)理論和方法。各種形式的索一拱構(gòu)造抑制了純拱構(gòu)造在偏跨荷載作用下承載力低、剛度弱及對(duì)反對(duì)稱初始幾何缺陷敏感等缺點(diǎn)．通過(guò)設(shè)置托索限制某些不利變形的發(fā)生和開(kāi)展.從而極大地改善了純拱構(gòu)造的彎矩及變形分布。車輻構(gòu)造是索一拱構(gòu)造的典型代表.在國(guó)內(nèi)外均有工程應(yīng)用實(shí)例。斜拉構(gòu)造和懸吊構(gòu)造被廣泛應(yīng)用在空間構(gòu)造領(lǐng)域.其顯著的構(gòu)成特點(diǎn)是通過(guò)穿出(或高出)屋面的支承構(gòu)件.如梭形柱或預(yù)應(yīng)力撐桿柱.在其頂端聯(lián)系斜拉索把剛體屋面構(gòu)造懸吊起來(lái)。這些斜拉索相當(dāng)于剛性屋面的彈簧支座.不僅削減了屋面構(gòu)造的彎矩峰值.而且提高了屋面構(gòu)造的剛度。斜拉索往往要施加一定大小的預(yù)應(yīng)力.其取值可以根據(jù)拉索的截面尺寸與構(gòu)造的剛度要求綜合決定。梭形柱以承受軸心壓力為主.其造型美觀、受力合理.在現(xiàn)代構(gòu)造中常被建筑師看好。如我國(guó)的新白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓的人字支承柱采用了三管梭形格構(gòu)柱、首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓(三期)支承柱采用了單管梭形柱。梭形柱分單管梭形柱及多管梭形格構(gòu)柱.前者又分圓鋼管和方鋼管.二者在工程中都有應(yīng)用；后者分兩肢梭形鋼管格構(gòu)柱、三肢梭形鋼管格構(gòu)柱及多肢梭形鋼管格構(gòu)柱等。梭形柱設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容是穩(wěn)定性汁算.涉及到整體穩(wěn)定性、分肢穩(wěn)定性計(jì)算及連接綴材的設(shè)計(jì)等。不僅建筑及構(gòu)造形式向多樣化開(kāi)展.而且鋼材品種及鋼制品也向多樣化開(kāi)展.以不斷滿足建筑市場(chǎng)的需求；高強(qiáng)度鋼及高強(qiáng)度厚鋼板(t≥40mm)已開(kāi)場(chǎng)在國(guó)家重點(diǎn)工程工程中應(yīng)用；耐火鋼和低屈服點(diǎn)鋼的開(kāi)發(fā)也取得了一定的成果.已開(kāi)場(chǎng)在工程工程中應(yīng)用.前者有望從基本上解決鋼構(gòu)造耐火差的缺點(diǎn).后者有望在鋼構(gòu)造防屈曲耗能支撐構(gòu)件、鋼板耗能器及鋼板剪力墻中派上用場(chǎng)。本章涉及到的構(gòu)造形式還有鋼管構(gòu)造、樹(shù)枝構(gòu)造、玻璃構(gòu)造及其支承體系、高層鋼構(gòu)造新型抗側(cè)力體形及應(yīng)用等內(nèi)容。(2)大型復(fù)雜鋼構(gòu)造施工力學(xué)問(wèn)題日益受到重視.鋼構(gòu)造加工及施工技術(shù)得到全面提升大型復(fù)雜鋼構(gòu)造施工力學(xué)問(wèn)題日益受到研究、設(shè)計(jì)及施工技術(shù)人員的重視.其中大型復(fù)雜鋼構(gòu)造施工全過(guò)程中內(nèi)力和變形的跟蹤模擬計(jì)算、構(gòu)造加工及安裝變形預(yù)調(diào)值的分析和計(jì)算、大型鋼屋蓋拆撐(或落架)過(guò)程的跟蹤模擬計(jì)算、剛性構(gòu)造和柔性構(gòu)造的找形分析和計(jì)算、預(yù)應(yīng)力鋼構(gòu)造施工過(guò)程的模擬計(jì)算及張拉方案的優(yōu)化、施工技術(shù)創(chuàng)新及應(yīng)用等已被提到議事日程上來(lái).正在展開(kāi)廣泛的研究和應(yīng)用。例如.國(guó)家體育場(chǎng)鋼構(gòu)造主次構(gòu)造的安裝方案及施工全過(guò)程模擬計(jì)算、中央電視臺(tái)新臺(tái)址主樓鋼構(gòu)造安裝變形預(yù)調(diào)值的計(jì)算.促進(jìn)了我國(guó)在施工力學(xué)學(xué)科的開(kāi)展及應(yīng)用。隨著大型復(fù)雜鋼構(gòu)造工程工程建設(shè)的不斷增多.我國(guó)鋼構(gòu)造制作安裝隊(duì)伍日益強(qiáng)大.制作和安裝技術(shù)不斷提升.大型起吊機(jī)械和設(shè)備正在發(fā)揮作用。在鋼構(gòu)造制作方面.厚板的焊接、曲線及曲面構(gòu)件的加工.已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)歷。例如.國(guó)家體育場(chǎng)空間扭曲箱形構(gòu)件的制作.把我國(guó)鋼構(gòu)造的制作技術(shù)推進(jìn)到國(guó)際領(lǐng)先地位。在高層鋼構(gòu)造安裝領(lǐng)域.從昔日帝王大廈的鋼構(gòu)造安裝到目前正在進(jìn)展的上海環(huán)球大廈及中央電視臺(tái)新臺(tái)址主樓鋼構(gòu)造的建造.創(chuàng)造了一系列鋼構(gòu)造安裝技術(shù)和工法.積累了豐富的鋼構(gòu)造施工經(jīng)歷。中央電視臺(tái)新臺(tái)址主樓鋼構(gòu)造的大懸臂采用逐步懸伸對(duì)接的施工方案.要求準(zhǔn)確計(jì)算施工過(guò)程中兩塔樓及懸臂構(gòu)造的加工變形及安裝變形預(yù)調(diào)值大小.保證安裝完成后的構(gòu)造完全落在設(shè)計(jì)位形或目標(biāo)位形上。無(wú)論是央視新臺(tái)址主樓鋼構(gòu)造的安裝確定.還是其施工過(guò)程中加工和安裝變形預(yù)調(diào)值的計(jì)算.其難度均創(chuàng)造了目前施工技術(shù)之最。在大跨度鋼構(gòu)造及空間構(gòu)造領(lǐng)域.新的安裝施工技術(shù)也日趨成熟.大跨度桁架及網(wǎng)架的滑移施工技術(shù)、鋼構(gòu)造屋蓋整體提升及頂升施工技術(shù)、大面積空間鋼構(gòu)造屋蓋拆撐施工技術(shù)、復(fù)雜鋼構(gòu)件的制作加工技術(shù)在一大批工程工程中得到應(yīng)用.獲得了巨大的技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)效益。例如新白云機(jī)場(chǎng)主航站樓鋼構(gòu)造桁架的整體曲線滑移施工技術(shù)、新白云機(jī)場(chǎng)大型維修機(jī)庫(kù)鋼屋蓋的整體提升施工技術(shù).國(guó)家大劇院和國(guó)家體育場(chǎng)(鳥(niǎo)巢)鋼屋蓋的拆撐(落架)施工技術(shù)以及施工全過(guò)程模擬跟蹤汁算.均代表了目前國(guó)內(nèi)鋼構(gòu)造施工技術(shù)的最新水平。(3)鋼構(gòu)造科研和設(shè)計(jì)隊(duì)伍日漸壯大.各類構(gòu)造的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及標(biāo)準(zhǔn)日趨完善我同鋼構(gòu)造科研和設(shè)計(jì)隊(duì)伍穩(wěn)定開(kāi)展.工程應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)得到全而修訂。隨著建筑鋼構(gòu)造市場(chǎng)的迅猛開(kāi)展.一大批鋼構(gòu)造科研成果在重大工程及標(biāo)準(zhǔn)制定中被采納。一是對(duì)常規(guī)鋼構(gòu)造性能的理論和試驗(yàn)研究不斷深入.進(jìn)一步完善既有構(gòu)造的設(shè)計(jì)理淪和設(shè)計(jì)方法.二是對(duì)目前大量涌現(xiàn)出的新構(gòu)造、新構(gòu)件及新節(jié)點(diǎn).通過(guò)理論和試驗(yàn)研究建設(shè)了它們的設(shè)汁理論和設(shè)計(jì)方法.三是以科研單位和高校教師為代表的一大批鋼構(gòu)造技術(shù)骨干力量已涌入了國(guó)家建設(shè)的主戰(zhàn)場(chǎng).通過(guò)解決大型復(fù)雜工程工程中存在的核心設(shè)計(jì)及施工技術(shù)問(wèn)題.真正做到了理論與實(shí)踐相結(jié)合.進(jìn)一步提高了他們的科研水平。目前.伴隨著新構(gòu)造形式的不斷開(kāi)展.?鑄鋼節(jié)點(diǎn)技術(shù)規(guī)程?、?鋼管構(gòu)造技術(shù)規(guī)程?、?拱形鋼構(gòu)造技術(shù)規(guī)程?及?預(yù)應(yīng)力鋼構(gòu)造技術(shù)規(guī)程?正在編制中；?民用高層鋼構(gòu)造技術(shù)規(guī)程?在修訂過(guò)程中.也補(bǔ)充了防屈曲耗能支撐、鋼板剪力墻及消能減振(震)等新技術(shù)的應(yīng)用。本章重點(diǎn)對(duì)近年來(lái)出現(xiàn)的新構(gòu)造形式的構(gòu)成規(guī)律、主要受力特點(diǎn)以及它們的應(yīng)用范同作了簡(jiǎn)要的概述；結(jié)合眾多鋼構(gòu)造工程實(shí)例.介紹了我國(guó)新近建成或正在建設(shè)的鋼構(gòu)造工程工程以及在這些工程項(xiàng)日中表現(xiàn)出來(lái)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)和施工問(wèn)題。10.2雜交構(gòu)造及整體張拉構(gòu)造體系1．索穹頂構(gòu)造1954年.由Snelson斯內(nèi)爾森和建筑大師Fuller富勒最先提出張力集成構(gòu)造體系的構(gòu)思；1962年.Fuller獲得“張拉整體構(gòu)造〞專利。美國(guó)工程師Ceiger對(duì)實(shí)現(xiàn)這種構(gòu)造思想做出了極大的奉獻(xiàn).他借鑒張拉集成思想并作了實(shí)質(zhì)性的推廣和開(kāi)展.于1986年開(kāi)發(fā)出一種實(shí)用的大跨度空間構(gòu)造體系——索穹頂.其實(shí)質(zhì)是用一個(gè)周邊受壓環(huán)梁來(lái)平衡張拉體系。他成功地為漢城設(shè)計(jì)出直徑分別為120m和90m的奧運(yùn)會(huì)體操館和擊劍館.成為構(gòu)造工程的典范。此外他還設(shè)計(jì)了直徑為210m的美國(guó)太陽(yáng)海岸穹頂?shù)取７派湫约顾?、斜索和環(huán)索組成的連續(xù)張力索網(wǎng)和不連續(xù)受壓桿.以及中央拉環(huán)、周邊壓力環(huán)構(gòu)成了ceiger型穹頂?shù)幕倔w系(圖10.1)。荷載從中央的張力環(huán)通過(guò)一系列輻射狀的脊索、環(huán)索和中間的斜索傳遞至周邊的壓力環(huán)。為了減少屋蓋外表薄膜材料的費(fèi)用.在設(shè)計(jì)時(shí)使構(gòu)造的曲面最??；為了增加構(gòu)造的剛度.在脊索之間增加了谷索。該體系具有整體構(gòu)造簡(jiǎn)單.施工難度低.且對(duì)施工誤差不敏感等優(yōu)點(diǎn)。但由于其幾何形狀類似平面桁架.體系平面剛度比較小。LEvy和Jing改變了Geiger型索穹頂脊索的布置方法.變放射狀的脊索為三角化聯(lián)方型布置的脊索.增強(qiáng)了構(gòu)造穩(wěn)定性.減小了脊索所需的預(yù)張力值.而且豐富了構(gòu)造的平面體型.同時(shí)取消了在薄膜鋪設(shè)中起穩(wěn)定作用的谷索。他們?cè)O(shè)計(jì)的亞特蘭大Georgia體育館為雙曲拋物形張力集成穹頂(圖10.2).平面為240.79m×192.02m的橢圓形.由聯(lián)方型索網(wǎng)、三根環(huán)索、桅桿及中央桁架組成(如圖10.1所示)。繼亞特蘭大Georgia體育館后.Levy和Jing又設(shè)計(jì)了索穹頂構(gòu)造的臺(tái)北棒球館、墨西哥十萬(wàn)人體育館.在阿根廷建造了LaPlala雙峰索穹頂構(gòu)造.并在沙特阿拉們的利雅德大學(xué)體育館中成功實(shí)現(xiàn)了可開(kāi)啟式穹頂構(gòu)造.使得索穹頂構(gòu)造進(jìn)一步顯示了廣闊的應(yīng)用前景。從構(gòu)造的觀點(diǎn)來(lái)看.索穹頂這種構(gòu)造形式較其他構(gòu)造更為合理。首先.它大量采用預(yù)應(yīng)力鋼索而較少使用壓桿.能夠充分利用鋼材的抗拉剛度.假設(shè)能防止柔性構(gòu)造有可能的構(gòu)造松弛.索穹頂構(gòu)造便不存在彈性失穩(wěn)問(wèn)題。其次.使用薄膜材料作為屋面材料.構(gòu)造自重相當(dāng)輕.單位面積的重量很小。亞特蘭大Georgia體育館的重量還不到30kg／m2；跨度為210m的圣彼德堡的雷聲穹頂?shù)闹亓繛?4.4kg／m2。再次.索穹頂構(gòu)造可到達(dá)相當(dāng)大的跨度.而且隨其跨度增大單位面積重量并不明顯增加.初步分析證明.這類構(gòu)造的跨度可以到達(dá)400m左右。索穹頂構(gòu)造體系的形狀、剛度、預(yù)應(yīng)力分布、預(yù)應(yīng)力值之間密切相關(guān)。索穹頂構(gòu)造的設(shè)計(jì)和分析主要分成三個(gè)局部：找型分析、成型分析、荷載態(tài)分析。形態(tài)分析就是尋找一種合理的構(gòu)造形狀；成形分析是怎樣使這一構(gòu)造形狀得以實(shí)現(xiàn).主要包括預(yù)應(yīng)力分析、施工工藝分析；荷載態(tài)分析是構(gòu)造的受力分析.研究構(gòu)造在靜荷載以及動(dòng)荷載下的反映。從經(jīng)濟(jì)方面來(lái)看.索穹頂耗材少、施工簡(jiǎn)單.且平均造價(jià)不會(huì)隨構(gòu)造跨度的增加而明顯增大.從而使得索穹頂構(gòu)造具有很好的經(jīng)濟(jì)性。從建筑觀點(diǎn)來(lái)看.索穹頂構(gòu)造輕盈、造型別致、色彩明快。由于索很細(xì).因此看起來(lái)整個(gè)屋蓋像懸浮在空中.給人以美的享受；同時(shí).在薄膜的映襯下.索與桿有規(guī)律的組合營(yíng)造了簡(jiǎn)潔、均衡和穩(wěn)定的視覺(jué)效果.到達(dá)了構(gòu)造形態(tài)和視覺(jué)形態(tài)“力與美〞的完美統(tǒng)一。在當(dāng)今“建筑是環(huán)境中的建筑〞這一觀點(diǎn)深入人心的年代.索穹頂更是建筑師們的傾心選擇。目前有關(guān)索穹頂構(gòu)造設(shè)計(jì)計(jì)算理論和施工技術(shù)方面等方面的研究成果很少見(jiàn)國(guó)外文獻(xiàn)介紹.關(guān)于已建成的索穹頂構(gòu)造的介紹資料也較少。我國(guó)自20世紀(jì)90年代以來(lái).進(jìn)展了較多的研究.取得了大量的研究成果.惟一遺憾的是.到目前為止還未建成實(shí)際工程。2．弦支穹頂構(gòu)造從已有的工程實(shí)踐看.Geiger式的索穹頂構(gòu)造得到了廣泛的應(yīng)用.如圖10.2所示的亞特蘭大Georgia索穹頂.它具有以下優(yōu)點(diǎn)。一是絕大局部受力構(gòu)件可設(shè)計(jì)成受拉的索.截面受力均勻.可充分發(fā)揮鋼索的高強(qiáng)度性能。同時(shí).自重可大大減輕。其二.受拉構(gòu)件是最穩(wěn)定的.無(wú)失穩(wěn)問(wèn)題?？刹豢紤]彎矩、扭矩和剪力的問(wèn)題。因此可以利用較少的材料跨越和覆蓋很大的空間。其三.因壓桿數(shù)量少、長(zhǎng)度短.截面選用時(shí)也容易滿足其穩(wěn)定性條件。其四.改變構(gòu)造剛度可通過(guò)調(diào)節(jié)預(yù)應(yīng)力來(lái)實(shí)現(xiàn).而不必改變構(gòu)件的幾何尺寸。但是.任何事物都具有它的兩面性.索穹頂構(gòu)造在擁有以上優(yōu)點(diǎn)的同時(shí).也存在以下缺點(diǎn)。其一.計(jì)算分析難度較高。其二.預(yù)應(yīng)力施加難度高.成型過(guò)程不易控制.施工難度高。其三.預(yù)應(yīng)力損失影響嚴(yán)重。那么如何能夠更好地利用索穹頂構(gòu)造的優(yōu)點(diǎn).同時(shí)又防止它的缺乏之處呢?日本的M．Kawaguchi教授于1993年提出了弦支穹頂?shù)母拍?該體系由單層網(wǎng)殼、撐桿及預(yù)應(yīng)力索組成.如圖10.3所示。顯而易見(jiàn).弦支穹頂是將索穹頂?shù)纳喜坷魅坎捎脛傂詷?gòu)件而構(gòu)成一單層網(wǎng)殼.同時(shí)保持其他構(gòu)件形式不變的一種新型的混合空間構(gòu)造體系。如圖10.3(c)所示.弦支穹頂亦可以看作是由單層網(wǎng)殼轉(zhuǎn)變而來(lái).它是在原有的單層網(wǎng)殼(圖10.3(a))的根基上.引入了一個(gè)由撐桿、斜索和環(huán)索構(gòu)成的預(yù)應(yīng)力體系(10.3(b))組合而成。即有這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的關(guān)系：?jiǎn)螌泳W(wǎng)架+預(yù)應(yīng)力體系=弦支穹頂。不言而喻.單層網(wǎng)殼具有較好的剛度.施工方法亦非常簡(jiǎn)便。而下部的預(yù)應(yīng)力體系可以增加構(gòu)造的剛度.提高構(gòu)造的穩(wěn)定性.降低環(huán)梁內(nèi)力.改善構(gòu)造的受力特性。因此.弦支穹頂很好地綜合了兩者的構(gòu)造特性.從而成為一種全新的、性能優(yōu)良的構(gòu)造體系。M．Kawaguchi教授創(chuàng)造了弦支穹頂構(gòu)造體系以后.于1994年將這種構(gòu)造體系應(yīng)用于日本東京Hikarigaoka穹頂和Fureai穹頂.并對(duì)后者進(jìn)展了足尺試驗(yàn).為今后的工程應(yīng)用奠定了良好的開(kāi)端。我國(guó)在弦支穹頂也進(jìn)展了一些工程實(shí)踐.如昆明柏聯(lián)廣場(chǎng)采光中庭.采用橢球型的弦支穹頂構(gòu)造體系的鞍山羽毛球館.天津開(kāi)發(fā)區(qū)商務(wù)中心大堂弦支穹頂。正在建設(shè)的武漢體育館.是目前我國(guó)跨度最大的弦支穹頂構(gòu)造。但是.弦支穹頂構(gòu)造不可能到達(dá)較大的跨度.這是因?yàn)閱螌泳W(wǎng)殼不可能承擔(dān)較大的撐竿穿力.會(huì)引起網(wǎng)殼的局部強(qiáng)度破壞或失穩(wěn)。清華大學(xué)郭彥林教授和崔曉強(qiáng)博士提出了巨型網(wǎng)格弦支穹頂構(gòu)造的概念(如圖10.4).并對(duì)其非線性穩(wěn)定性進(jìn)展了研究。研究結(jié)果說(shuō)明它更適合于超大跨度構(gòu)造.跨度可以做到300～400m.是一般弦支穹頂構(gòu)造的改進(jìn)形式。3．張弦梁或張弦桁架構(gòu)造張弦梁構(gòu)造(BeamStringStructure.簡(jiǎn)稱BSS)的概念由日本人學(xué)M．Saitoh教授在20世紀(jì)80年代初首先提出.它得名于“弦通過(guò)撐桿對(duì)梁進(jìn)展張拉〞這一基本形式.如圖10.5所示。雖然其形式多種多樣.并不僅僅局限于梁、桿、索等簡(jiǎn)單組合.但各種形式的張弦梁構(gòu)造均通過(guò)撐桿連接抗彎受壓構(gòu)件和抗拉構(gòu)件.所以M．Saitoh教授對(duì)這種構(gòu)造給出的定義是“用撐桿連接抗彎受壓構(gòu)件和抗拉構(gòu)件而形成的自平衡體系〞。張弦直梁主要通過(guò)撐桿提供彈性支承.從而減小梁中彎矩.主要適用于樓板或小坡度屋面情況；張弦拱那么在通過(guò)撐桿減小彎矩和撓度的同時(shí).由弦抵消拱端推力.充分發(fā)揮拱型的構(gòu)造優(yōu)勢(shì)和高強(qiáng)索的高抗拉強(qiáng)度的材料優(yōu)點(diǎn).從而實(shí)現(xiàn)大跨構(gòu)造甚至超大跨構(gòu)造.如浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)(圖10.6)。圖10.6浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)的張弦梁構(gòu)造為了實(shí)現(xiàn)大跨度和超大跨度.張弦梁可進(jìn)一步改進(jìn)成張弦桁架構(gòu)造。張弦桁架構(gòu)造又根據(jù)跨度大小采用三角形斷面和梯形斷面的立體桁架(見(jiàn)圖10.7)。近年來(lái).張弦桁架構(gòu)造在大跨度的會(huì)展中心和博覽中心構(gòu)造中應(yīng)用較多.如廣州國(guó)際會(huì)展中心和深圳國(guó)際會(huì)展中心等。張弦梁和張弦桁架可以雙向布置.更好地發(fā)揮它們的空間作用.可以大大提高張弦梁和桁架構(gòu)造的承載效力。正在建設(shè)的國(guó)家體育館就采用了雙向張弦桁架構(gòu)造.其平面為矩形.最大跨度達(dá)195m。張弦梁構(gòu)造或張弦桁架構(gòu)造是自平衡構(gòu)造體系.設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題是根據(jù)其承受的重力荷載計(jì)算出最小預(yù)應(yīng)力.并根據(jù)反向荷載(如風(fēng)載)校核預(yù)應(yīng)力的合理取值.即張弦梁和桁架在各種荷載工況作用下.其預(yù)應(yīng)力拉索不失效。對(duì)于張弦梁(或桁架)構(gòu)造的穩(wěn)定性計(jì)算.只要能保證梁(或桁架)不發(fā)生平面外失穩(wěn).那么整個(gè)張弦梁構(gòu)造不會(huì)有面外失穩(wěn)的可能性.除非梁(或桁架)是下凹梁(或桁架)。如果梁或桁架的平面外穩(wěn)定性不能保證.最有效的措施是增設(shè)平面外支撐。張弦梁或張弦桁架的核心施工技術(shù)是拉索預(yù)應(yīng)力張拉及控制.其張拉施工方法可以歸結(jié)為兩種.一是直接張拉預(yù)應(yīng)力拉索.使構(gòu)造到達(dá)設(shè)計(jì)位形；二是采用滿堂腳手架支承體系.按照預(yù)先設(shè)定的幾何位形安裝梁(桁架)及預(yù)應(yīng)力拉索.然后落架使梁(桁架)與拉索到達(dá)設(shè)計(jì)位形.并共同進(jìn)入工作狀態(tài)。不過(guò).采用第二種方法要特別注意安裝位形與設(shè)計(jì)位形的差異.保證落架后的構(gòu)造既滿足設(shè)計(jì)受力要求也滿足構(gòu)造設(shè)計(jì)位形的要求。雙向張弦梁和桁架的拉索預(yù)應(yīng)力張拉比單向張弦梁(桁架)要復(fù)雜的多.前者在預(yù)應(yīng)力拉索張拉施工時(shí)不僅一樣方向的張弦梁或桁架相互影響.而且兩個(gè)正交方向的張弦梁或桁架也相互影響。預(yù)應(yīng)力張拉的相互影響表現(xiàn)在：(1)后張拉索對(duì)先前張拉索的影響.(2)x方向張拉索對(duì)y方向張拉索的影響。因此.對(duì)于雙向張拉桁架.可以通過(guò)預(yù)應(yīng)力拉索張拉全過(guò)程施工跟蹤模擬計(jì)算.確定最優(yōu)施工張拉方案.以到達(dá)最大程度地節(jié)約施工成本。4．懸吊索系構(gòu)造或斜拉構(gòu)造懸吊索系構(gòu)造是以懸吊在支座或豎直塔架上的懸索作為承重構(gòu)件的一種構(gòu)造形式.其主要由主索、穩(wěn)定索、塔架和懸掛體組成。主索和穩(wěn)定索固定于支座或周圍塔架上。主索作為承載索用來(lái)承擔(dān)構(gòu)造自重和外荷載作用；穩(wěn)定索通過(guò)施加一定的預(yù)應(yīng)力用來(lái)提高構(gòu)造體系的整體剛度；懸掛體可以為單質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量塊.也可以為具有特定用途的一定尺度和剛度的懸掛構(gòu)造。斜拉構(gòu)造那么是通過(guò)拉索給構(gòu)造一個(gè)或多個(gè)彈性支承點(diǎn).拉索另一端那么固定于塔柱或者其他剛體上.如斜拉桁架構(gòu)造和斜拉橋等.如圖10.8至圖lO.10所示。圖10.8北京曲棍球館圖10.9懸吊索系構(gòu)造懸吊索系構(gòu)造通過(guò)對(duì)穩(wěn)定索施加一定的預(yù)應(yīng)力作用.可以提高構(gòu)造體系的整體剛度。假設(shè)無(wú)穩(wěn)定索或穩(wěn)定索中無(wú)預(yù)應(yīng)力作用.當(dāng)懸掛質(zhì)量比較小時(shí)整個(gè)構(gòu)造體系是不穩(wěn)定的。在大跨度懸吊索系構(gòu)造體系中.這個(gè)問(wèn)題變得尤為突出.因此.穩(wěn)定索及其施加的預(yù)應(yīng)力作用對(duì)整個(gè)構(gòu)造體系非常重要。穩(wěn)定索中的預(yù)應(yīng)力施加主要有兩種方法.一種是直接對(duì)穩(wěn)定索施加預(yù)應(yīng)力作用.另一種是在穩(wěn)定索端部懸掛滑輪懸掛重物來(lái)給穩(wěn)定索施加恒力作用。第一種方法在構(gòu)造受力變形后.穩(wěn)定索中的應(yīng)力會(huì)發(fā)生變化.特別是在豎向荷載作用下穩(wěn)定索會(huì)卸載.因此預(yù)應(yīng)力要比較大才能保證構(gòu)造受力后穩(wěn)定索不退出工作.而后者在荷載作用構(gòu)造受力變形后.穩(wěn)定索中的應(yīng)力基本不發(fā)生變化。美國(guó)的Arecibo望遠(yuǎn)鏡的饋源支撐構(gòu)造體系(圖10.11)是一典型的懸吊索系構(gòu)造.它是通過(guò)固定于周圍混凝土塔架的三組主索將承載饋源艙的固定平構(gòu)造體系懇吊起來(lái).因固定平臺(tái)構(gòu)造體系自重較大.構(gòu)造在自重作用下就具有比較好的整體剛度。因此.在Arecito望遠(yuǎn)鏡的饋源支撐構(gòu)造體系中未使用增加構(gòu)造剛度的穩(wěn)定索。我國(guó)正在研究和實(shí)施的重大工程FAST工程.就是一個(gè)跨度為500m級(jí)的懸吊索系構(gòu)造體系。確定斜拉索系中的預(yù)應(yīng)力水平是斜拉索系構(gòu)造設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題.主要包括兩項(xiàng)內(nèi)容.其一是確定各拉索之間預(yù)應(yīng)力水平的比值.該比值視構(gòu)造形式不同而不同.主要考慮構(gòu)造或主要受力單元的受力平衡及其合理性。其二是確定預(yù)應(yīng)力的幅值.該值主要由構(gòu)造的剛度要求決定。5．車輻構(gòu)造在自行車車輪中.當(dāng)輪軸處受到豎向荷載作用時(shí).荷載通過(guò)受拉輻條傳遞至輪箍.輪箍便發(fā)生變形.如圖10.12和圖10.13所示。局部輻條因縮短而卸載.其余輻條受拉伸長(zhǎng)。線條越粗表示拉力越大。受拉的輻條抵抗輪箍的繼續(xù)變形.提高了輪箍的剛度.稱為車輻受力原理。圖10.12倫敦航空眼〔D=135m〕將車輻受力原理引人到拱構(gòu)造中.即按車輻式布置拉索系.形成一種索—拱雜交構(gòu)造.稱為車輻構(gòu)造.如圖10.14所示。目前.索—拱雜交構(gòu)造中研究和應(yīng)用較多的是斜拉索—拱構(gòu)造.而對(duì)車輻構(gòu)造的研究那么很少。與純拱構(gòu)造相比.車輻構(gòu)造的剛度顯著提高.穩(wěn)定性明顯改善.而且拱腳的水平推力變得可以調(diào)節(jié)。車輻構(gòu)造形式早在20世紀(jì)五六十年代在前蘇聯(lián)作為一種索拱體系提出.但直到1989年完成的漢堡歷史博物館庭院的玻璃屋頂(如圖10．15所示)中才得到應(yīng)用。該玻璃屋頂由德國(guó)建筑師volkwiMarg設(shè)計(jì).取得了舉世公認(rèn)的出色成就。不過(guò).該構(gòu)造與本文的研究對(duì)象有所不同.它的索盤通過(guò)一根可滑動(dòng)的索連接于鄰近的外墻上。車輻構(gòu)造設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的問(wèn)題是其選型問(wèn)題。除了純拱設(shè)計(jì)中包含的拱的跨度、矢跨比、軸線形式和截面形式等.還包括拉索的數(shù)量、索盤位置、輻射形式等。車輻構(gòu)造設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題是其穩(wěn)定性的計(jì)算.涉及到穩(wěn)定承載力確實(shí)定及剛度的控制要求。通過(guò)非線性設(shè)計(jì)可以很好的解決這一問(wèn)題.關(guān)于它們性能研究和設(shè)計(jì)理論.可參見(jiàn)清華大學(xué)的研究成果。10.3鋼管構(gòu)造近20年來(lái).鋼管構(gòu)造在國(guó)內(nèi)外得到了迅猛開(kāi)展.在現(xiàn)代工業(yè)廠房、倉(cāng)庫(kù)、體育館、展覽館、會(huì)場(chǎng)、航站樓、車站及辦公樓、賓館等建筑物中得到廣泛應(yīng)用。由于它的良好性能.在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較多且越來(lái)越廣泛.見(jiàn)圖10.16至圖10.18。鋼管構(gòu)造從構(gòu)造形式上可分為梁式管構(gòu)造和拱式管構(gòu)造；從布置形式上可分為平面管構(gòu)造和空間管構(gòu)造。管構(gòu)造主要采用兩種截面形式的管：圓管和方矩管。管與管之間通過(guò)相貫焊縫連接.因?yàn)檫@種連接不需要附加節(jié)點(diǎn)板.使得構(gòu)造更加整齊美觀。管構(gòu)造和拉索結(jié)合形成的混合構(gòu)造體系.如前述的張弦梁構(gòu)造充分發(fā)揮了不同材料或構(gòu)件的優(yōu)越性.是今后構(gòu)造開(kāi)展的一個(gè)方向。管桁架在體育館、航站樓、會(huì)展中心.娛樂(lè)中心等大跨度設(shè)施中得到了廣泛的應(yīng)用。圖10.16廣州新白云機(jī)場(chǎng)航站樓圖10.17南京站新建無(wú)站臺(tái)柱雨棚廣州市新中軸線電視塔日本大阪機(jī)場(chǎng)航站樓圖10.18鋼管構(gòu)造管節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)在管構(gòu)造設(shè)計(jì)中占有非常重要的地位.它包括管節(jié)點(diǎn)局部應(yīng)力應(yīng)變分析、失效機(jī)制研究、彈塑性分析、設(shè)計(jì)參數(shù)研究、作用荷載和支管約束的影響、疲勞壽命等非常廣泛的課題。管節(jié)點(diǎn)因在構(gòu)造中的位置不同.連接的構(gòu)件形式不同.受力狀況以及施工的要求不同.其構(gòu)造形式很多.同時(shí)新的構(gòu)造形式又不斷產(chǎn)生出新的節(jié)點(diǎn)形式.目前的研究成果還不能覆蓋所有的管節(jié)點(diǎn)形式。管桁架的穩(wěn)定性計(jì)算也是管構(gòu)造設(shè)計(jì)中的核心內(nèi)容.包括單根構(gòu)件的穩(wěn)定性計(jì)算和整體構(gòu)造平面外的穩(wěn)定性計(jì)算.特別對(duì)于大跨度的管桁架構(gòu)造或管桁架拱形構(gòu)造.其平面外整體穩(wěn)定性的計(jì)算不可無(wú)視。目前.關(guān)于管桁架構(gòu)造的平面外穩(wěn)定計(jì)算還沒(méi)有成熟的方法.近似的做法是可以通過(guò)特征值分析確定桁架平面外彈性屈曲荷載.其值與設(shè)計(jì)荷載之比不應(yīng)小于某一特定值。當(dāng)然.在假設(shè)桁架存在平面外初始撓度的情況下.應(yīng)用大撓度彈塑性分析可以比較準(zhǔn)確地確定其面外穩(wěn)定承載力.其值與設(shè)計(jì)荷載之比不應(yīng)小于1.5。平面外支撐對(duì)提高面外穩(wěn)定承載力非常有效.設(shè)計(jì)時(shí)盡可能采取這一措施保證其面外的穩(wěn)定性。管桁架平面內(nèi)承載力主要受單根構(gòu)件強(qiáng)度和穩(wěn)定性控制.其剛度由整體撓度控制。10.4樹(shù)枝構(gòu)造近年來(lái).一種造型新穎的構(gòu)造形式——樹(shù)枝構(gòu)造被應(yīng)用于空港、橋梁、廠房中。這種構(gòu)造具有如下構(gòu)造和受力特點(diǎn)：①構(gòu)造有規(guī)律地分叉.由一點(diǎn)或幾點(diǎn)向空間伸展.形狀恰似樹(shù)枝；②構(gòu)件多采用圓鋼管.具有良好的空間受力性能；節(jié)點(diǎn)多采用鑄鋼節(jié)點(diǎn).具有較高的強(qiáng)度；③枝叉頂端與屋面構(gòu)造連接.構(gòu)成整體受力；④屋蓋多采用輕型屋面體系。新穎的仿植物外形.使得樹(shù)枝構(gòu)造被應(yīng)用于航空港、車站、碼頭、展覽館、廠房等構(gòu)造中(圖10.19)。單獨(dú)的樹(shù)枝構(gòu)造可以應(yīng)用于展覽臺(tái)、候車亭等小尺度的構(gòu)造。兩個(gè)枝形構(gòu)造組合在一起形成一榀.可以將靜跨增加至少一倍.假設(shè)干個(gè)枝形構(gòu)造通過(guò)屋面構(gòu)造聯(lián)結(jié)在一起.能夠創(chuàng)造任意平面形狀的大尺度的空間.如深圳文化中心黃金樹(shù)構(gòu)造和北京西直門輕軌車站.見(jiàn)圖l0.20。樹(shù)枝構(gòu)造的應(yīng)用先于其理論研究的步伐。雖然一些在國(guó)外和國(guó)內(nèi)有影響的樹(shù)枝構(gòu)造已經(jīng)建成.豐富了構(gòu)造類型.給人以美的享受。但是作為一個(gè)構(gòu)造體系的研究還不夠完善.其最優(yōu)布置形式、分叉形式、穩(wěn)定性能、節(jié)點(diǎn)性能都還沒(méi)有系統(tǒng)的研究成果.清華大學(xué)在這方面的研究工作有一定的進(jìn)展。10.5玻璃構(gòu)造及其支承體系點(diǎn)支承玻璃幕墻是近十年來(lái)興起的玻璃幕墻建造技術(shù).由于其輕巧通透.構(gòu)成形式靈活多變.適用于大型公共建筑物如展覽廳、機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓、歌劇院、采光頂和大門入口天棚等。點(diǎn)支承玻璃幕墻由構(gòu)造支承體系、駁接頭和玻璃組成。點(diǎn)支承玻璃幕墻的構(gòu)造支承體系承擔(dān)作用于玻璃上的荷載.并將其傳遞到周邊主體構(gòu)造。最常用的構(gòu)造支承體系可以分為下面幾類(圖10.21)：①單桿構(gòu)件或鋼桁架支承體系；②索桁構(gòu)造支撐體系；③拉索(桿)桁架支承體系；④單索網(wǎng)格支撐體系等．其中。拉索(桿)構(gòu)造支承體系在現(xiàn)在的點(diǎn)支承玻璃幕墻中得到了廣泛的應(yīng)用。駁接頭是連接玻璃和構(gòu)造支承體系的構(gòu)件.分為通透式和背切式兩種。通透式駁接頭穿透玻璃上的圓孔.駁接頭暴露在玻璃外面；背切式駁接頭深入玻璃厚度大約60％.固定于玻璃內(nèi)部。通透式駁接頭又分為沉頭式和浮頭式.沉頭式駁接頭沉人玻璃外外表內(nèi).形成的玻璃幕墻外表平整.形式美觀；浮頭式玻璃幕墻駁接頭露在玻璃外面。玻璃是玻璃幕墻的主要組成局部.它既是玻璃幕墻構(gòu)造的維護(hù)構(gòu)件.同時(shí)也參與整體構(gòu)造的受力。點(diǎn)支承玻璃幕墻的玻璃一般采用無(wú)色透明的鋼化夾膠玻璃.形成的玻璃幕墻開(kāi)敞明亮、晶瑩剔透.給人強(qiáng)烈的美的感受。近年來(lái).國(guó)內(nèi)也開(kāi)場(chǎng)從事點(diǎn)支撐玻璃技術(shù)的研究和應(yīng)用.如廣州新白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)(圖10.22)、深圳機(jī)場(chǎng)新航站樓、深圳文化中心、天津泰達(dá)開(kāi)發(fā)區(qū)溫室植物園(圖10.23)、天津泰達(dá)市民文化中心(圖10.24)等大型點(diǎn)式玻璃幕墻建筑已投付使用。圖10.22廣州新白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)圖10.23天津開(kāi)發(fā)區(qū)溫室植物園圖10.24天津泰達(dá)市民文化廣場(chǎng)金字塔10.6拱形鋼構(gòu)造鋼構(gòu)造及構(gòu)件形式多種多樣.所表現(xiàn)出的構(gòu)造設(shè)計(jì)問(wèn)題也不盡一樣。拱形鋼構(gòu)造是眾多鋼構(gòu)造體型中的一種.由于它優(yōu)美的造型及良好的受力特性.在建筑構(gòu)造及鋼拱橋構(gòu)造中有著十分廣泛的應(yīng)用.并且隨著社會(huì)開(kāi)展及人類生活水平的提高.其建筑和構(gòu)造造型日益新穎和多樣化。目前應(yīng)用比較多的拱形鋼構(gòu)造的形式有：①實(shí)腹式截面拱形鋼構(gòu)造；②腹板開(kāi)洞(孔)的實(shí)腹式截面拱形鋼構(gòu)造；③管桁架式拱形鋼構(gòu)造。鋼構(gòu)造拱由于其自重輕.特別在全跨荷載作用下具有良好的受力特性.更適合于大跨度構(gòu)造.但在偏跨荷載作用下其剛度較弱。與鋼構(gòu)造直構(gòu)件相比.鋼構(gòu)造拱表現(xiàn)出的穩(wěn)定問(wèn)題十分突出而且相當(dāng)復(fù)雜.常常是拱構(gòu)造設(shè)計(jì)的控制因素。眾所周知.拱形鋼構(gòu)造都存在平面內(nèi)極值點(diǎn)失穩(wěn)、平面內(nèi)二次分岔失穩(wěn)及平面外失穩(wěn)三種可能性.它們構(gòu)成了拱形鋼構(gòu)造穩(wěn)定性計(jì)算和設(shè)計(jì)理論的核心內(nèi)容。但是.由于拱形構(gòu)造的軸線呈曲線變化.其失穩(wěn)模式呈多樣性和不確定性.給其穩(wěn)定問(wèn)題的計(jì)算帶來(lái)了一定的難度.致使人們對(duì)拱形鋼構(gòu)造在大撓度彈塑性范圍內(nèi)的失穩(wěn)機(jī)理及穩(wěn)定極限承載力的研究工作大大滯后.至今沒(méi)有形成成熟且完整的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法；在拱構(gòu)造設(shè)計(jì)中.設(shè)計(jì)人員更多的是驗(yàn)算拱形鋼構(gòu)造的強(qiáng)度和剛度.忽略了拱形構(gòu)造穩(wěn)定性的計(jì)算.即使進(jìn)展面內(nèi)穩(wěn)定性計(jì)算.也往往是在線彈性范圍內(nèi).很難考慮材料的彈塑性及初試缺陷的影響；平面外的穩(wěn)定性更是沒(méi)有合理的計(jì)算和評(píng)價(jià)方法。圖10.25腹板開(kāi)洞的工形截面10.26金昌機(jī)場(chǎng)航站樓建筑師的豐富想像使得構(gòu)造的造型愈來(lái)愈新穎化.從而給拱形構(gòu)造的穩(wěn)定性計(jì)算帶來(lái)了諸多新課題.如腹板開(kāi)洞的工字形拱形構(gòu)造(圖10.25和圖10.26).其中洞的引入使拱形構(gòu)造的穩(wěn)定性計(jì)算難上加難；我國(guó)新近建成的幾個(gè)腹板開(kāi)洞的工形截面的拱形鋼構(gòu)造.設(shè)計(jì)人員均未考慮其穩(wěn)定性的計(jì)算.無(wú)論是平面內(nèi)穩(wěn)定性計(jì)算還是平面外穩(wěn)定性計(jì)算.其重要原因是沒(méi)有類似的研究成果或相應(yīng)的計(jì)算公式。目前.玻璃構(gòu)造在我國(guó)大量興建.建筑師為了追求通透的效果.愈來(lái)愈多地采用了開(kāi)洞的實(shí)腹式拱形構(gòu)造或構(gòu)件。對(duì)這些工程工程.如不進(jìn)展穩(wěn)定性驗(yàn)算.必然存在著很大的安全隱患。圖10.27桁架拱構(gòu)造桁架拱形構(gòu)造(圖10.27)廣泛地應(yīng)用于大跨度構(gòu)造中.如體育館、會(huì)展中心、航站僂等。拱形管桁架構(gòu)造也類似于實(shí)腹式拱形構(gòu)造.同樣存在平面內(nèi)與平面外的整體失穩(wěn)問(wèn)題.特別對(duì)于跨度大及矢跨比大的桁架拱形構(gòu)造.其整體穩(wěn)定性問(wèn)題更加突出；如何計(jì)算拱形管桁架構(gòu)造的平面內(nèi)和平面外穩(wěn)定性.還是一個(gè)沒(méi)有完全解決的問(wèn)題。由于桁架斷面是由管件組成的格構(gòu)式截面.其整體穩(wěn)定性的計(jì)算比實(shí)腹式拱形鋼構(gòu)造的穩(wěn)定性計(jì)算要復(fù)雜得多；加上拱形管桁架構(gòu)造的截面變化多樣(如三角形截面和梯形截面等)、截面高度和寬度也多沿拱軸線變化以及多曲率拱軸線的采用.給計(jì)算拱形桁架構(gòu)造的穩(wěn)定性帶來(lái)了很大的難度。盡管有不少管桁架拱形構(gòu)造落成.但大局部設(shè)計(jì)人員對(duì)其整體穩(wěn)定性的計(jì)算還不知所措.只是驗(yàn)算單根構(gòu)件的穩(wěn)定和強(qiáng)度以及整個(gè)構(gòu)造的跨中撓度.對(duì)其在平面內(nèi)的整體穩(wěn)定性和平面外的整體穩(wěn)定性計(jì)算還無(wú)據(jù)可循.更是無(wú)法評(píng)估其安全程度。目前應(yīng)用管桁架的拱形構(gòu)造的工程工程愈來(lái)愈多.相貫節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用使得人們不能直接利用現(xiàn)有?鋼構(gòu)造設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?中關(guān)于構(gòu)件的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)的規(guī)定.更無(wú)法計(jì)算它的整體穩(wěn)定性。對(duì)這些大跨度桁架拱形構(gòu)造的面內(nèi)及面外的穩(wěn)定性計(jì)算還沒(méi)有成熟的計(jì)算方法.人們不得不利用現(xiàn)有的大型構(gòu)造計(jì)算分析軟件.在大撓度彈塑性范圍內(nèi)計(jì)算它的穩(wěn)定極限承載力.而且由于每個(gè)人的知識(shí)水平的不同.可能考慮的影響因素及計(jì)算內(nèi)容不盡一樣.其計(jì)算結(jié)果及評(píng)價(jià)也有差異。10.7高層鋼構(gòu)造新型抗側(cè)力體系——鋼板剪力墻1．鋼板剪力墻的構(gòu)成特點(diǎn)鋼板剪力墻(下簡(jiǎn)稱鋼板墻)構(gòu)造是自20世紀(jì)70年代開(kāi)展起來(lái)的一種新型抗側(cè)力構(gòu)造體系。鋼板墻單元由內(nèi)嵌鋼板和豎向邊緣構(gòu)件(柱或豎向加勁肋)、水平邊緣構(gòu)件(梁或豎向加勁肋)構(gòu)成。當(dāng)鋼板沿構(gòu)造某跨自上而下連續(xù)布置時(shí).即形成鋼板剪力墻體系。圖10.28為鋼板墻的組成示意圖。鋼板墻整體的受力特性類似于底端固接的豎向懸臂組合梁：豎向邊緣構(gòu)件相當(dāng)于翼緣.內(nèi)嵌鋼板相當(dāng)于腹板.而水平邊緣構(gòu)件那么可近似等效為橫向加勁肋。過(guò)去三十年來(lái).關(guān)于鋼板墻作為主要水平抗側(cè)力體系的試驗(yàn)研究和數(shù)值分析提醒了其獨(dú)特的性質(zhì).包括較大的彈性初始剛度、大變形能力和良好的塑性性能、穩(wěn)定的滯回特性等.鋼板墻已成為一種非常具有開(kāi)展前景的高層抗側(cè)力體系.尤其適用于高烈度地震區(qū)建筑。概括起來(lái).鋼板墻主要具有以下特點(diǎn)：①在彈性階段.鋼板墻有很大的初期剛度.能有效地降低構(gòu)造的彈性側(cè)移.減小P—△效應(yīng)；進(jìn)入屈服階段后.鋼板墻發(fā)生塑性變形(厚板).同時(shí)拉力帶(薄板)仍能繼續(xù)承受荷載。研究說(shuō)明.在循環(huán)往復(fù)荷載作用下.鋼板墻有穩(wěn)定的滯回性能.具有較大的延性和較強(qiáng)的耗能能力。②鋼板墻本身只承受水平力作用.豎向力作用完全由周邊的框架柱承擔(dān)。因此完全符合第一道抗震防線低軸壓比的抗震設(shè)計(jì)要求.是非常理想的抗側(cè)力體系。③研究說(shuō)明.當(dāng)構(gòu)造的側(cè)向剛度一樣時(shí).其耗鋼量比鋼框架或鋼框架一支撐方案少。④鋼板與梁、柱的連接(焊接或栓接)方式簡(jiǎn)單易行.施工速度快.可有效地縮短工期.特別適用于已有建筑物的抗震加固。⑤鋼板墻體無(wú)需布滿整個(gè)梁跨.這樣可以非常方便地在需要的地方開(kāi)門、窗洞口.也可以布置在門窗洞之間.抑制一般斜撐對(duì)門窗洞產(chǎn)生的遮擋。⑥本身厚度小.即使加上防火：保溫涂層.其體積也遠(yuǎn)小于鋼筋混凝土墻體.占用建筑面積小.尤其對(duì)高層建筑能提供珍貴的使用空間。鋼板墻按照是否加勁可分為加勁鋼板墻和非加勁鋼板墻(圖10.29)；按內(nèi)嵌鋼板的厚度大小分為薄鋼板墻和厚鋼板墻等。在此根基上.研究人員又提出了多種其他形式的鋼板墻改進(jìn)形式.包括開(kāi)縫鋼板墻、鋼一混凝土組合鋼板墻、低屈服點(diǎn)鋼板墻等。2．鋼板墻的工程應(yīng)用及在地震中的表現(xiàn)到目前為止.全球采用鋼板剪力墻作為抗側(cè)力構(gòu)造的建筑已達(dá)數(shù)十幢.主要分布于北美和日本等地震高烈度區(qū)。位于東京的日本鋼鐵公司ShinNittetsuBuilding(20層.1970年完工).是日本第一幢鋼板墻建筑.也是世界上第一幢同類型構(gòu)造體系的建筑物。該建筑橫向采用了五榀H形鋼板墻抗側(cè)力體系：鋼板尺寸約為3700mm×2750mm.縱橫方向均設(shè)置了槽鋼加勁肋.鋼板厚度從4.5到12mm不等.與周邊框架焊接。鋼板兩側(cè)外包50厚防火材料。北美采用鋼板墻作為水平抗側(cè)力體系的代表性建筑.在美國(guó)有德州達(dá)拉斯的HyattRegencyrHotel(30層).1978年4月完工。該建筑整體平面呈弧形.且建筑立面由多個(gè)高度不同的局部組成。長(zhǎng)軸方向采用鋼框架一支撐體系.短軸方向采用鋼板墻。采用鋼板墻方案主要基于以下三個(gè)原因：①建筑方面：假設(shè)采用鋼框架.構(gòu)件斷面尺寸會(huì)很大.減少了使用空間；假設(shè)兩個(gè)方向均采用鋼支撐框架.那么需要外包很厚的墻體.同樣占有了珍貴的空間。②施工方面：由于建筑物不規(guī)那么.建造商不愿采用鋼筋混凝土框架構(gòu)造。并且.鋼框架一混凝土剪力墻構(gòu)造體系又會(huì)因混凝土較長(zhǎng)的施工周期而影響整個(gè)工程的進(jìn)度。③經(jīng)濟(jì)性：經(jīng)分析比較.鋼板墻體系比采用鋼框架構(gòu)造體系耗鋼量大約少1／3。我國(guó)44層的上海新錦江飯店核心筒也采用了鋼板墻構(gòu)造.其鋼板厚為100mm。圖10.30為在建的位于洛杉磯51層高的建筑。該建筑采用鋼板墻作為主要抗側(cè)力體系。采用鋼板墻的建筑已經(jīng)歷過(guò)實(shí)際的地震考驗(yàn)并且有著良好的表現(xiàn)。最為成功的一例是神戶的一幢35層129.4m高的大樓(KobeCityHall.圖10.31后圖).該樓于1988年建成.經(jīng)受了1995年阪神大地震。研究人員在震后的調(diào)查中發(fā)現(xiàn).該建筑物未出現(xiàn)任何明顯的構(gòu)造破壞.僅在26層發(fā)生了加勁鋼板墻的局部屈曲；屋頂部位在正北、正西方向的側(cè)移分別只有225mm和35mm。而緊鄰其前的八層鋼筋混凝土建筑.其中一層被壓扁.上部三層整體坍塌并水平滑出較大距離。加州是美國(guó)的地震設(shè)防區(qū)。在1971年SanFrenando地震后.興建了六層的SylmarCountyHospital.用來(lái)取代在地震中嚴(yán)重?fù)p壞的OLiveViewHospltal。該建筑底部?jī)蓪訛殇摻罨炷良袅?上部四層采用了鋼板墻構(gòu)造體系。該建筑內(nèi)部安置有強(qiáng)震感測(cè)和記錄裝置。經(jīng)歷了1987年Whittier地震和1994年NorthridgE大地震。在1994年Northridge地震中.樓內(nèi)的記錄裝置顯示的數(shù)據(jù)說(shuō)明.頂部最大加速度到達(dá)1.71g.最大速度也到達(dá)140cm／s2.由此產(chǎn)生的基底剪力是設(shè)計(jì)值的數(shù)倍。然而.震后對(duì)該樓的震害調(diào)查發(fā)現(xiàn).主要受力構(gòu)件并沒(méi)有發(fā)生破壞.僅有鋼板四周一些焊縫發(fā)生微小裂紋。但一些非構(gòu)造構(gòu)件如吊頂、噴淋、固定在墻上的電視等卻發(fā)生了嚴(yán)重?fù)p壞。因此.在抗震設(shè)計(jì)中.非構(gòu)造構(gòu)件的連接設(shè)計(jì)也不容無(wú)視。3．防屈曲耗能鋼板墻最近.郭彥林教授提出了一種新的鋼板剪力墻形式.即防屈曲耗能鋼板剪力墻.其構(gòu)成由內(nèi)嵌鋼板和前后兩側(cè)混凝土蓋板組成.內(nèi)嵌鋼板采用低屈服點(diǎn)高延性鋼材或高強(qiáng)度高延性鋼材.與邊緣梁柱構(gòu)件采用螺栓或焊接連接.并與混凝土蓋板緊閉貼合；混凝土蓋板與邊緣梁柱構(gòu)件留有一定的間隙.保證內(nèi)嵌鋼板在工作時(shí)混凝土蓋板不與邊緣構(gòu)件接觸.防止受到擠壓破壞；內(nèi)嵌鋼板與混凝土蓋板之間通過(guò)穿透三塊板的普通螺栓或預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度螺栓連接.在混凝土蓋板上開(kāi)橢圓型孔.以便螺栓有足夠的滑移空間；連接螺栓的位置及分布根據(jù)內(nèi)嵌鋼板的面內(nèi)變形及混凝土蓋板的約束剛度確定.保證內(nèi)嵌鋼板在混凝土蓋板的面外約束作用下.二者不發(fā)生面外局部及整體失穩(wěn)。防屈曲耗能鋼板剪力墻.根據(jù)其設(shè)計(jì)要求可以分為大震滑移的防屈曲鋼板墻和完全滑移的防屈曲鋼板墻兩種。對(duì)于所述大震滑移的防屈曲鋼板墻.高強(qiáng)度螺栓施加一定的預(yù)拉力.在混凝土蓋板和內(nèi)嵌鋼板外表之間產(chǎn)生一定的壓緊力.在小震作用下既能保證內(nèi)嵌鋼板不發(fā)生局部屈曲.也能使混凝土蓋板與內(nèi)嵌鋼板通過(guò)二者之間的接觸磨擦共同承擔(dān)側(cè)向力；在大震作用下.內(nèi)嵌鋼板和外側(cè)混凝土蓋板之間的內(nèi)力差超過(guò)它們之間的摩擦力.于是產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng).在保證內(nèi)嵌鋼板不發(fā)生面外屈曲的情況下.鋼板充分的發(fā)揮耗能作用。對(duì)于完全滑移的防屈曲鋼板墻.螺栓不施加預(yù)應(yīng)力；分別在小震和大震作用下.混凝土蓋板與內(nèi)嵌鋼板之間完全滑移?；炷辽w板對(duì)鋼板僅提供面外約束.不參與面內(nèi)受力；內(nèi)嵌鋼板提供面內(nèi)剛度.在大震作用下進(jìn)展耗能。防屈曲耗能鋼板剪力墻的最大優(yōu)點(diǎn)是由于其防屈曲功能.鋼板在面內(nèi)有較大的剛度.同時(shí)在大震荷載作用下鋼板有非常飽滿的滯回性能.其耗能效果發(fā)揮到了極致。防屈曲耗能鋼板剪力墻概念的提出.對(duì)高層構(gòu)造抗側(cè)能力的奉獻(xiàn)及鋼板墻的消能減震.到達(dá)了完美的統(tǒng)一。在過(guò)去的三十年間.對(duì)鋼板墻的研究大致可分為兩大局部：防止內(nèi)嵌鋼板屈曲的和利用鋼板屈曲后強(qiáng)度的。一批美國(guó)和日本的學(xué)者曾主要致力于加勁(厚板)性能的研究：鋼板墻被設(shè)計(jì)成在極限荷載下也不發(fā)生屈曲的體系.即以鋼板的面外屈曲作為設(shè)計(jì)極限狀態(tài)。利用鋼板墻屈曲后強(qiáng)度的概念最先由加拿大學(xué)者Thorburn等提出.同時(shí)給出了非加勁鋼板墻的分析模型——拉桿條模型.并根據(jù)最小能量原理給出了計(jì)算拉桿傾角的計(jì)算公式。清華大學(xué)郭彥林教授及其研究小組正在對(duì)各種鋼板剪力墻體系展開(kāi)系統(tǒng)深入的理論和試驗(yàn)研究.已經(jīng)取得了階段性的研究成果.可望獲得完整的鋼板剪力墻的計(jì)算和設(shè)計(jì)理論。在此研究根基上.作者提出了防屈曲鋼板耗能剪力墻的概念.使鋼板墻在小震下提供較大的抗側(cè)力剛度與在大震作用下消能減震到達(dá)了完美的結(jié)合。清華大學(xué)郭彥林教授及其研究小組正在對(duì)各種鋼板剪力墻體系展開(kāi)系統(tǒng)深入的理論和試驗(yàn)研究.已經(jīng)取得了階段性的研究成果.可望獲得完整的鋼板剪力墻的計(jì)算和設(shè)計(jì)理論。先后對(duì)加勁和非加勁鋼板剪力墻、兩側(cè)開(kāi)縫鋼板剪力墻、鋼與混凝土組合剪力墻及防屈曲鋼板剪力墻進(jìn)展了比較深入的數(shù)值分析或試驗(yàn)研究.其研究成果將補(bǔ)充在正在修訂的?高層民用鋼構(gòu)造技術(shù)規(guī)程?中。10.8防屈曲耗能支撐框架構(gòu)造和框架—支撐構(gòu)造在中高層建筑中的應(yīng)用十分普遍。純框架構(gòu)造的抗側(cè)剛度有限.限制了它的應(yīng)用高度?？蚣苤螛?gòu)造在一定程度上解決了抗側(cè)剛度問(wèn)題.但是在大震作用下.普通支撐存在著受壓屆曲問(wèn)題.在往復(fù)荷載作用下極易造成支撐本身或連接的破壞或失效.同時(shí)支撐屈曲后的滯回耗能能力變差.很難有效地消耗地震能量。防屈曲耗能支撐(BRB)針對(duì)普通支撐壓屈問(wèn)題進(jìn)展了改進(jìn).它在支撐桿件外圍設(shè)置約束層抑制其受壓屈曲.工作性能較之普通支撐有明顯改善：荷載—位移滯回曲線飽滿.延性和耗能能力大大增強(qiáng)。因此.防屈曲耗能支撐框架是一種抗震性能較好的構(gòu)造形式。防屈曲耗能支撐在構(gòu)造上由核心單元和外圍約束單元兩個(gè)基本部件組成.二者之間由無(wú)粘結(jié)涂層隔開(kāi).如圖10.32所示。核心單元有一字板形、十字板形、丁字形以及矩形等多種形式.他們通常采用低屈服點(diǎn)鋼材(如日本采用LYlOO和LY225).以保證內(nèi)核在塑性范圍內(nèi)有足夠的延性及變形能力；外圍約束單元由矩形或圓形鋼管及內(nèi)填的細(xì)石混凝土組成；二者組合可構(gòu)成多種不同的截面形式.圖i0.33給出了其中的幾種。防屈曲耗能支撐的受力機(jī)理：軸向拉力和壓力僅由核心單元承受．為防止核心單元軸壓時(shí)發(fā)生屈曲.利用外圍約束單元提供側(cè)向約束；為了確保外圍單元不傳遞軸向荷載且又保持有效約束.需要在核心單元與約束單元間設(shè)置隔絕層。內(nèi)核單元僅與框架梁連接.從而保證壓力和拉力只由內(nèi)核單元承受。防屈曲耗能支撐的設(shè)計(jì)包括確定內(nèi)核單元的截面形式和尺寸以及外圍約束構(gòu)件的剛度要求；內(nèi)核單元的截面尺寸根據(jù)地震作用力的大小決定.既要保證支撐有一定的抗側(cè)承載力.也要防止支撐設(shè)計(jì)太強(qiáng)引起構(gòu)造構(gòu)件的現(xiàn)行破壞.確保耗能支撐構(gòu)件先行耗能。在大震作用下.外圍約束構(gòu)件在保證內(nèi)核板件單元不發(fā)生局部屈曲的同時(shí).無(wú)粘結(jié)消能支撐構(gòu)件(作為整體)也不會(huì)發(fā)生整體失穩(wěn)。由這一條件決定內(nèi)核構(gòu)件的寬厚比和外圍約束構(gòu)件的剛度要求。防屈曲耗能支撐在日本和美國(guó)有廣泛的應(yīng)用市場(chǎng).可以應(yīng)用在已建構(gòu)造及新建構(gòu)造中.圖10.34是防屈曲耗能支撐在日本某工程中的應(yīng)用。防屈曲耗能支撐不同于一般鋼構(gòu)造制品.由于性能指標(biāo)直接與制造工藝和材料密切相關(guān).應(yīng)由專門的鋼構(gòu)造制造廠生產(chǎn).并應(yīng)有嚴(yán)格的產(chǎn)品制作和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。清華大學(xué)在修汀?高層民用建筑鋼構(gòu)造技術(shù)規(guī)程?中負(fù)責(zé)無(wú)粘結(jié)消能支撐構(gòu)件一節(jié)的主筆.也正對(duì)這一構(gòu)件進(jìn)展理論和試驗(yàn)研究.以便提出其合理的設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法。10.9新型構(gòu)件及鑄鋼節(jié)點(diǎn)1．梭形格構(gòu)式受壓構(gòu)件隨著建(構(gòu))筑物設(shè)計(jì)對(duì)外形及技術(shù)經(jīng)濟(jì)等方面要求的不斷提高.梭形格構(gòu)管柱構(gòu)件作為近年來(lái)出現(xiàn)的一種新型的受力構(gòu)件形式.在實(shí)際工程中的應(yīng)用日趨廣泛.如英國(guó)千年穹頂?shù)陌斯芩笮胃駱?gòu)柱和我國(guó)廣州新白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站主樓與連接樓的三管梭形格構(gòu)柱.分別見(jiàn)圖10.35和圖10.36。梭形柱主要作為受壓承重構(gòu)件.可分為實(shí)腹式梭形構(gòu)件和格構(gòu)式梭形構(gòu)件；實(shí)腹式梭形構(gòu)件以圓鋼管、方形鋼管和十字形居多.格構(gòu)式梭形構(gòu)件大多由圓鋼管組成.有兩肢、三肢及多肢梭形格構(gòu)柱；梭形柱建筑造型新穎.穩(wěn)定性承載力高.是建筑與構(gòu)造的完美結(jié)合；但是.梭形柱制作工藝較復(fù)雜.加工費(fèi)用高。對(duì)于梭形構(gòu)件的設(shè)計(jì).目前各國(guó)鋼構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)也無(wú)類似構(gòu)件的計(jì)算規(guī)定。清華大學(xué)對(duì)梭形格構(gòu)柱的研究結(jié)果說(shuō)明.梭形柱的穩(wěn)定性能與等截面格構(gòu)柱相比有較大的不同及其獨(dú)特的特點(diǎn).前者的失穩(wěn)模態(tài)與構(gòu)件的幾何參數(shù)關(guān)系極為密切.主要與構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比.分肢的長(zhǎng)細(xì)比.橫向綴件、初始撓度的分布及幅值．有關(guān)；在常用參數(shù)選擇范圍內(nèi).表現(xiàn)為s形的失穩(wěn)變形模態(tài)。清華大學(xué)以廣州新白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)工程為依托.對(duì)上述三管梭形格構(gòu)柱進(jìn)展了深入的理論分析和足尺及模型試驗(yàn)研究.證明了這種構(gòu)件所特有的破壞模態(tài)。近年來(lái).他們的研究工作已經(jīng)擴(kuò)展到不同的梭形柱形式.可望獲得完整的梭形柱設(shè)計(jì)理論及計(jì)算方法。2．腹板開(kāi)洞鋼梁及拱隨著人們生活水平的提高.建筑物不再僅僅滿足構(gòu)造受力要求就可以了.人們還提出了美學(xué)的要求和使用的要求。其中.腹板開(kāi)洞的梁和拱就是一種頗具特色的構(gòu)造形式(圖10.37)。洞常常被引入到構(gòu)造構(gòu)件中來(lái).其原因有兩類：一類是美學(xué)要求或使用功能要求.建筑師或其他專業(yè)為了美學(xué)的需要、人員的進(jìn)出或管道設(shè)備的穿過(guò).提出開(kāi)洞的要求；另一類是構(gòu)造要求.為了降低構(gòu)造自重.減少冗余.構(gòu)造工程師把一些發(fā)揮作用不顯著的局部從構(gòu)造中剔除出去。圖10.35英國(guó)千年穹頂圖10.36新白云機(jī)場(chǎng)梭形格構(gòu)柱圖10.37青島流亭機(jī)場(chǎng)腹板開(kāi)洞的梁和拱正是表達(dá)了這兩類要求。其造型美觀.去掉了局部腹板后顯得更加輕盈.并且可以讓各種管道很方便地通過(guò).在不影響構(gòu)造功能和使用功能的情況下降低了構(gòu)造層的高度。從構(gòu)造的觀點(diǎn)來(lái)看.在一樣重量的情況下.由于翼緣離中和軸遠(yuǎn)了.截面更加擴(kuò)展.所以截面的強(qiáng)軸抗彎能力提高了。因此.由這樣的截面的構(gòu)造效率更高.適合于從中等跨度到大跨度的各種構(gòu)造。開(kāi)洞的種類也是多種多樣的.比方圓形洞.蜂窩洞等。一些資料顯示.以腹板開(kāi)洞梁代替實(shí)腹梁能節(jié)省鋼材25％～50%.節(jié)省油漆和運(yùn)輸安裝費(fèi)用15％～34.6％。從上面可以看出.用腹板開(kāi)洞構(gòu)件來(lái)代替實(shí)腹構(gòu)件有許多優(yōu)越性。在國(guó)內(nèi).腹板開(kāi)洞的構(gòu)件也逐漸應(yīng)用在實(shí)際工程工程中.其數(shù)量愈來(lái)愈多。對(duì)于開(kāi)洞工形構(gòu)件.截面較為展開(kāi).長(zhǎng)細(xì)比較大.穩(wěn)定問(wèn)題比強(qiáng)度問(wèn)題和剛度問(wèn)題更需要引起構(gòu)造工程師的注意。目前.關(guān)于腹板開(kāi)洞拱的穩(wěn)定性能的研究還鮮見(jiàn)于國(guó)內(nèi)外的學(xué)術(shù)期刊和會(huì)議論文中.各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中也沒(méi)有具體規(guī)定.實(shí)際工程的廣泛應(yīng)用還受到很大程度的限制。因此.需要進(jìn)展關(guān)于腹板開(kāi)洞拱的穩(wěn)定性能的研究.并給出一些準(zhǔn)確可靠而有指導(dǎo)意義的建議和意見(jiàn)。清華大學(xué)郭彥林教授及博士牛黃李驥正在從事這一研究工作.期望其研究成果對(duì)正在編制的?拱形鋼構(gòu)造技術(shù)規(guī)程?有借鑒作用。3．鑄鋼節(jié)點(diǎn)鑄鋼結(jié)點(diǎn)最早應(yīng)用于機(jī)械工業(yè).近年來(lái)已開(kāi)場(chǎng)應(yīng)用在建筑構(gòu)造領(lǐng)域。鑄鋼結(jié)點(diǎn)不僅具有外形光滑美觀的優(yōu)點(diǎn).而且剛度大.承載力高.特別適合復(fù)雜的受力情況以及一些大型的復(fù)雜構(gòu)造中經(jīng)常出現(xiàn)的多根構(gòu)件多個(gè)方向匯交的節(jié)點(diǎn)。對(duì)于大跨度復(fù)雜構(gòu)造的支座節(jié)點(diǎn)．鑄鋼節(jié)點(diǎn)也是首選之一。鑄鋼節(jié)點(diǎn)對(duì)于鑄造工藝要求很高.目前對(duì)于鑄造復(fù)雜的空心鑄鋼節(jié)點(diǎn)還有相當(dāng)大的難度。鑄鋼結(jié)點(diǎn)在樹(shù)枝構(gòu)造中應(yīng)用較多.如德國(guó)斯圖加特國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓的樹(shù)枝支承構(gòu)造.深圳文化中心的黃金樹(shù)構(gòu)造均采用了鑄鋼節(jié)點(diǎn)。深圳文化中心是我國(guó)第一個(gè)采用國(guó)產(chǎn)鑄鋼節(jié)點(diǎn)的工程工程.隨后大批鋼構(gòu)造工程也相繼采用了鑄鋼節(jié)點(diǎn).如老山自行車館人字柱的支座節(jié)點(diǎn)(見(jiàn)圖lO。39)。由同濟(jì)大學(xué)和清華大學(xué)主編的第一本?建筑鑄鋼節(jié)點(diǎn)技術(shù)規(guī)程?也在近期問(wèn)世。圖10.38鑄鋼節(jié)點(diǎn)圖10.39老山自行車館支座節(jié)點(diǎn)10.10國(guó)內(nèi)大型鋼構(gòu)造工程及其構(gòu)造形式1．廣州新體育館圖10.40廣州新體育館廣州市新體育館(圖10.40)位于廣州從化高速公路旁.其西部為廣州機(jī)場(chǎng).東部為白云山。新體育館由三個(gè)場(chǎng)館(主場(chǎng)館、訓(xùn)練館和群眾體育活動(dòng)服務(wù)中心)及運(yùn)發(fā)動(dòng)村等附屬建筑物組成.總建筑面積為95748m2。三個(gè)場(chǎng)館像三片樹(shù)葉般飄落在一個(gè)曲線型的500m狹長(zhǎng)地帶上.主場(chǎng)館建筑面積39635m2.屋蓋的長(zhǎng)軸×短軸=160m×1lOm.屋頂最高點(diǎn)為33．87m；主場(chǎng)館屋蓋室內(nèi)透視詳圖10.40。新體育館三個(gè)場(chǎng)館屋蓋均是由空間梯形主桁架、輕型平面輻射桁架、箱形鋼環(huán)梁、拉索及上弦平面剛性檁條構(gòu)成的空間焊接構(gòu)造.坐落于周邊的鋼筋混凝土環(huán)梁上。主桁架為變截面梯形空間桁架.上下弦均為圓鋼管.主桁架截面在拱腳處(接近RT2輻射桁架)突變?yōu)閮蓚€(gè)根扁細(xì)方管截面.截面抗彎剛度及軸向剛度急劇降低.主桁架拱腳反力迅速傳給RT2桁架等臨近的幅射桁架。主桁架在拱腳部位的截面削弱以及輻射桁架變角度的布置形式.使整個(gè)構(gòu)造不再是一個(gè)簡(jiǎn)單的穿插梁系構(gòu)造。筆者認(rèn)為這就是構(gòu)造設(shè)計(jì)的成功之處；輻射桁架為變高度平面桁架.上弦為方鋼管.下弦桿采用雙鋼管2φ102×19綴板格構(gòu)式截面.焊接于豎腹桿下端的實(shí)心鋼棒上.圓管中心肢距為108mm以加大平面外的回轉(zhuǎn)半徑.桁架在支座端部的截面突變?yōu)楹?0mm、高約1600～1300mm鋼板.與水平箱形鋼環(huán)梁焊接；鋼環(huán)梁與鋼筋混凝土平臺(tái)梁之間的連接形式是豎向固定支撐、徑向彈性約束(k=5000kN／m)、切向滑動(dòng)。拉索分為平面拉索和環(huán)向垂直拉索。平面拉索包括四道徑向平面拉索和一道環(huán)向平面拉索.平面拉索的主要作用是增強(qiáng)屋蓋平面的整體剛度.環(huán)向垂直拉索不僅增強(qiáng)屋蓋構(gòu)造的空間剛度.更主要的是限制輻射桁架下弦的平面外位移.保證輻射桁架下弦局部受壓桿不發(fā)生平面外失穩(wěn)。輻射桁架豎腹桿下端為圓柱實(shí)心鋼棒。鋼棒下端切割成圓弧與兩側(cè)直通的圓管下弦桿焊接。廣州新體育館桁架構(gòu)造的受力特點(diǎn)主要表達(dá)在構(gòu)造體系的布置上(圖10.41).其一是輻射桁架在主桁架拱腳處形成“爪形〞布置.極大地分散了主桁架的拱腳內(nèi)力；其二是主桁架在拱腳處的截面剛度有意識(shí)地削弱.使得主拱的反力向兩側(cè)輻射桁架轉(zhuǎn)移.從而也分散了主拱的水平推力。2．廣州國(guó)際會(huì)展中心廣州國(guó)際會(huì)展中心(首期)(圖10.42)工程位于廣州市東南部琶洲島的國(guó)際博覽區(qū)B區(qū).總用地面積70萬(wàn)m2.總建筑面積約為50萬(wàn)m2；首期總用地面積43.9萬(wàn)m2.首期建筑面積39.5萬(wàn)m2.總高度約39m.展覽大廳為2層.層高15m.本展館在場(chǎng)地居中布置.一期主體為“L〞型.南北長(zhǎng)396m.東西長(zhǎng)525m；展館主體采用張弦梁構(gòu)造.跨度126m。圖10.42廣州國(guó)際會(huì)展中心廣州國(guó)際會(huì)展中心的外部造型(圖lO.43)酷似一條魚(yú).魚(yú)身是一典型的張弦桁架構(gòu)造.桁架采用三角形斷面.跨度約為126.8m；魚(yú)頭是卡車通道.圍護(hù)構(gòu)造采用腹板開(kāi)洞的弧形梁；魚(yú)尾是一翹起的三角形空間桁架.一邊由柱子支承。張弦桁架(桁架拱)是一典型的預(yù)應(yīng)力構(gòu)造.屬自平衡體系.適用于大跨度構(gòu)造.如會(huì)展中心和體育館等。3．廣州新白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓廣州新白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)位于廣州市白云區(qū)人和鎮(zhèn).是我國(guó)首個(gè)按國(guó)際樞紐機(jī)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃設(shè)計(jì)的機(jī)場(chǎng).是世界上最大的國(guó)際機(jī)場(chǎng)之一.總體規(guī)劃見(jiàn)圖10.44。一期總投資逾200億元.2003年投入使用。它由航站主樓(長(zhǎng)325m、寬235m)、連接樓(長(zhǎng)460m、寬60m)、指廊和東西高架連廊四大局部組成.各局部由縫自然分割而成。一期工程占地面積8萬(wàn)m2米.總建筑面積35萬(wàn)m2。其中核心工程航站主樓占地5萬(wàn)m2.總建筑面積20萬(wàn)m2。航站主樓屋面外形為雙向彎曲弧形.由空間桁架和人字形柱組成(圖10.45).沿縱向由伸縮縫分成三局部.即中段局部和兩端局部。屋蓋采用大跨度巨型三角形鋼管桁架構(gòu)造.跨度77m.最大懸挑23m.柱距18m.桁架兩端支承在混凝土柱和外圍人字形布置的三管梭形格構(gòu)柱上.內(nèi)側(cè)與膜支承桁架相連.外側(cè)為懸臂構(gòu)造。人字形柱呈梭形格構(gòu)截面.高度從37.4m到14.7m不等。梭形柱的設(shè)計(jì)新穎.且具有極佳的穩(wěn)定承載能力.是航站樓設(shè)計(jì)的難點(diǎn).航站樓鋼構(gòu)造采用了多種構(gòu)造形式(圖lO.45和圖10.46)：桁架構(gòu)造.膜構(gòu)造.梭形柱等新技術(shù)。安裝采用多軌道變高度整體桁架曲線滑移施工法.滑移胎架設(shè)計(jì)及實(shí)施有一定難度。該工程的施工單位是中建三局深圳建升和鋼構(gòu)造公司.設(shè)計(jì)單位(國(guó)內(nèi))是廣東省建筑設(shè)計(jì)院。航站樓鋼構(gòu)造的分析計(jì)算.人字柱的穩(wěn)定承載力的計(jì)算及足尺寸破壞性試驗(yàn)研究(圖10.47).整體曲線滑移方案及計(jì)算由清華大學(xué)土木工程系完成。圖10.44新白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓1圖10、46新白云機(jī)場(chǎng)航站樓圖10.47梭型鋼管柱4．廣州新白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)大型維修機(jī)庫(kù)廣州新白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)飛機(jī)維修設(shè)施工程是國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)工程.由廣州飛機(jī)維修工程投資建設(shè)。位于花都區(qū)花東鎮(zhèn)與白云區(qū)人和鎮(zhèn)交界處。占地面積55818m2.建筑面積108413m2。10號(hào)機(jī)庫(kù)由維修機(jī)庫(kù)、噴漆機(jī)庫(kù)、航材庫(kù)和附樓等組成.建筑面積95120m2.鋼屋蓋投影面積約85000m2。10號(hào)機(jī)庫(kù)從使用功能角度分為一區(qū)、二區(qū)、三區(qū).跨度依次為lOOm.150m和100m.能滿足三架飛機(jī)維修和一架寬體飛機(jī)噴漆維修.堪稱亞洲第一機(jī)庫(kù)。圖10.48廣州新白云機(jī)場(chǎng)維修庫(kù)圖10.48廣州新白云機(jī)場(chǎng)維修庫(kù)屋蓋整體提升10號(hào)機(jī)庫(kù)(圖10.48)的鋼屋蓋是由H型鋼平面桁架形成的穿插梁系構(gòu)造.其主要特點(diǎn)是承受的荷載大.桁架高度大(F和s桁架高達(dá)11米).H型鋼翼緣板厚(F桁架上下弦翼緣板厚77mm)；支承柱高達(dá)40m.由兩段組成.上段為鋼桁架柱或鋼格構(gòu)柱.下段為混凝土柱；鋼屋蓋構(gòu)造安裝采用整體提升施工方案(圖10.49).提升面積為2500m2.提升噸位近4000t。從整體提升面積考慮.堪稱中國(guó)第一提。提升計(jì)算和設(shè)計(jì)是提升工作的重中之重.具體包括提升塔架柱的整體穩(wěn)定性計(jì)算.提升桁架的加固方案及計(jì)算.提升地錨的設(shè)計(jì)及計(jì)算.其中提升塔架柱的穩(wěn)定計(jì)算比較復(fù)雜且非常重要。該機(jī)庫(kù)國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)院(國(guó)內(nèi))是北京市航空部四院.施工單位是中建三局深圳建升和鋼構(gòu)造公司；提升計(jì)算和設(shè)計(jì)由清華大學(xué)土木工程系完成。5．深圳文化中心深圳文化中心(圖10.50)是深圳市重點(diǎn)建設(shè)工程.由深圳市政府投資建設(shè).是市政府面向21世紀(jì)投資興建的大型現(xiàn)代化文化設(shè)施。文化中心建筑造型獨(dú)特.構(gòu)思精巧.極富現(xiàn)代感.堪稱城市建筑的精品之作。圖10.50深圳文化中心圖10.51深圳文化中心黃金樹(shù)構(gòu)造文化中心座落在深圳未來(lái)城市中心區(qū)的黃金地段.位于深圳市福田中心區(qū)北部.蓮花山南側(cè).占地29612m2.總建筑面積86000m2.構(gòu)造層數(shù)8層.建筑總高度40m?？傞L(zhǎng)312m.總寬89.7m。建筑主要分為圖書館及音樂(lè)廳兩局部.南側(cè)為圖書館.北側(cè)為音樂(lè)廳.圖書館北側(cè)、音樂(lè)廳南側(cè)人口廳處各設(shè)一棵黃金樹(shù)(圖l0.51).兩顆黃金樹(shù)沿建筑中軸對(duì)稱分布。音樂(lè)廳和圖書館正立面采用玻璃垂幕.外形酷似手風(fēng)琴的琴弦.也似風(fēng)拂過(guò)水留下的漣漪.所以人們稱為流水垂幕。圖書館和音樂(lè)廳屋蓋均為H型鋼組成的平面桁架體系.前面由四枝分岔柱支承；黃金樹(shù)采用獨(dú)特的樹(shù)枝構(gòu)造.多根鋼管桿件以不同的角度匯交于一點(diǎn).屋面呈多個(gè)空間三維錐體系.構(gòu)造新穎、空間角度復(fù)雜。黃金樹(shù)鋼管聚集節(jié)點(diǎn)采用剛性節(jié)點(diǎn).能承擔(dān)彎距.故采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)。鑄鋼節(jié)點(diǎn)為多根(最多10根)大直徑鋼管直接匯交.72個(gè)鑄鋼節(jié)點(diǎn)形狀各異(每側(cè)36個(gè).兩側(cè)對(duì)稱).節(jié)點(diǎn)外形復(fù)雜、體積龐大。鑄鋼節(jié)點(diǎn)采用半空心半實(shí)心的構(gòu)造處理.一方面抑制了全空心鑄鋼節(jié)點(diǎn)無(wú)法澆鑄的難題.又能防止實(shí)心節(jié)點(diǎn)過(guò)重以及鋼管與其焊接所導(dǎo)致的過(guò)大應(yīng)力集中；總之.鑄鋼節(jié)點(diǎn)的選材深化設(shè)計(jì)、成型、鑄造、驗(yàn)收、檢驗(yàn)以及異種鋼材的焊接是設(shè)計(jì)考慮的主要因素。深圳文化中心工程的國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)院是北京市建筑設(shè)計(jì)院.施工單位是中建三局建升和鋼構(gòu)造公司。樹(shù)枝構(gòu)造及鑄鋼節(jié)點(diǎn)的計(jì)算分析由清華大學(xué)土木系完成。6．深圳會(huì)展中心深圳會(huì)展中心是目前世界上最大的會(huì)展中心之一.它分為一樓展覽大廳和二樓會(huì)議廳(見(jiàn)圖10.52和圖10．53)。一樓展廳跨度方向?yàn)?26+30+126(m).最大標(biāo)高30m；會(huì)議廳設(shè)在二樓中部.跨度60m.二樓樓面標(biāo)高45m.屋脊標(biāo)高60m；展覽廳采用雙箱梁拉桿(鋼棒)拱架構(gòu)造.跨度60m.雙箱梁軸線間距3m.通過(guò)一短水平箱梁連接.每個(gè)單箱梁的截面尺寸為2600mm×1000mm×24mm×16mm．；撐桿采用圓鋼管；拉桿為三根平行的圓鋼棒.直徑為150mm；會(huì)議廳為雙箱梁拱形構(gòu)造.單梁截面尺寸是2000mm×1000mm×35mmx20mm。展廳雙箱梁拉桿拱架構(gòu)造形似普通的張弦梁構(gòu)造.但不施加預(yù)應(yīng)力.設(shè)計(jì)要求預(yù)起拱.通過(guò)施工過(guò)程中回落胎架使拉桿受拉并與雙箱梁拱架共同工作；該構(gòu)造雖然略顯笨重.但也不乏為一種新構(gòu)造形式；特別從建筑設(shè)計(jì)上讓鋼骨架外露.形似一道道肋骨.給人一種力量感。在施工過(guò)程中.采用了先落放支承胎架后再固定高端處的拱腳位置.這樣釋放了鋼拱架拱腳的水平推力(由于自重產(chǎn)生).減輕了對(duì)拱腳處的根基負(fù)擔(dān)。安裝由中建三局深圳建升和鋼構(gòu)造公司承擔(dān).施工計(jì)算及鋼拱架的起拱計(jì)算由清華大學(xué)土木系完成。圖10.52深圳會(huì)展中心7．中山大學(xué)珠海校區(qū)風(fēng)雨球場(chǎng)中山大學(xué)風(fēng)雨球場(chǎng)(圖10．54)是預(yù)應(yīng)力索拱雜交構(gòu)造的典型應(yīng)用.它是中山大學(xué)珠海分校的室內(nèi)體育館.位于依山傍水.風(fēng)景秀麗.氣候宜人的珠海市香州區(qū)唐家區(qū)內(nèi)。構(gòu)造采用9榀索一拱空間鋼桁架.通過(guò)縱向魚(yú)腹式桁架、穿插拉索支撐等構(gòu)件連接在一起；外墻采用彩色壓型鋼板.屋面采用彩板拱形構(gòu)造。建筑平面尺寸為70m×120m.建筑面積約為8960m2。構(gòu)造造型新穎.富有變化.不落俗套.具有現(xiàn)代氣息。索—拱構(gòu)造剖面圖如圖10.55所示。拱架采用三角形空間桁架.并與斜柱鉸接；斜撐桿能有效地控制構(gòu)造在重力荷載作用下的變形.又能有效地抵抗風(fēng)吸力的作用。主索與斜索預(yù)應(yīng)力比例的取值原那么是在常遇荷載工況作用下.B點(diǎn)柱子的彎矩最小且A點(diǎn)的水平位移最小；預(yù)應(yīng)力幅值的大小那么以滿足拱架跨中的撓度要求取值。8．澳門多功能體育場(chǎng)館澳門多功能體育場(chǎng)館(圖10．56)屋蓋鋼構(gòu)造形式為多點(diǎn)支承的空間桁架構(gòu)造.由縱向四層的空間梯形拱桁架與橫向一系列倒三角形空間桁架組成.形成一個(gè)空間的穿插梁系構(gòu)造(圖10.57)。整個(gè)構(gòu)造除拱腳支承外.還有一道環(huán)向支承柱和主入口處的H形支承體系；縱向桁架跨度370m.四層的空間梯形拱桁架的高度11m．上弦寬度4m；橫向倒三角形桁架跨度260m；所有桁架圓鋼管構(gòu)件均為相貫線連接.是拱桁架構(gòu)造的典型范例。澳門多功能體育場(chǎng)館屋蓋鋼構(gòu)造的施工采用了主桁架的整體提升方案.由中國(guó)機(jī)械工業(yè)建設(shè)集團(tuán)完成負(fù)責(zé)施工和安裝.清華大學(xué)土木工程系負(fù)責(zé)提升計(jì)算和設(shè)計(jì)。圖10.56澳門多功能體育館效果圖圖10.57澳門多功能體育館9．南京奧體南京奧體構(gòu)造(圖10.58和圖lO.59)新穎.雙曲面的屋蓋空間管桁架與主空間拱構(gòu)造組成了構(gòu)造主體.共同承受豎向荷載和水平荷載；主拱桁架斜放.跨度350m.其幾何穩(wěn)定性稍差；構(gòu)造的主要特點(diǎn)是主拱桁架在它的面內(nèi)承受屋面的重力荷載.同時(shí)又受屋面桁架的支承．二者相互依賴.相互支持。斜拱的整體穩(wěn)定性汁算是鋼屋蓋構(gòu)造設(shè)汁的難點(diǎn).正確的計(jì)算和評(píng)價(jià)是保證構(gòu)造安全的重要前提。圖10.58南京奧體中心模型圖圖10.59南京奧體中心10．南通體育會(huì)展中心體育場(chǎng)(開(kāi)合構(gòu)造)南通體育會(huì)展中心體育場(chǎng)屋蓋為開(kāi)合鋼構(gòu)造.分為固定屋蓋和活動(dòng)屋蓋.屋蓋水平投影直徑226m.投影面積4萬(wàn)多平方米。固定屋蓋的上弦軸線節(jié)點(diǎn)所在曲面為半徑204m的球面.活動(dòng)屋蓋桿件的節(jié)點(diǎn)所在曲面為半徑206.8m的球面上。建筑和構(gòu)造方案與日本某開(kāi)合構(gòu)造類似.所不同的是原日本某體育館的一道縱向“一〞形的拱桁架被代換成一個(gè)“眼睛〞形的拱桁架.其最大跨度278m.最大矢高55m；在跨度方向(橫向)有6道主拱和5道副拱共同支承固定屋蓋.其中6道主拱又作為活動(dòng)屋蓋的軌道支承?？v橫向拱桁架均采用三角形立體管桁架.拱架在拱腳處與鋼筋混凝土根基剛接?；顒?dòng)屋蓋采用單層三向曲面網(wǎng)殼.周邊通過(guò)桁架加強(qiáng)。圖10.60南通體育場(chǎng)閉合狀態(tài)圖10.61南通體育場(chǎng)開(kāi)啟狀態(tài)本工程的設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要表達(dá)在三個(gè)方面.其一是固定拱架的穩(wěn)定性分析及計(jì)算.其二是活動(dòng)屋蓋和固定屋蓋的剛度匹配問(wèn)題.其三是機(jī)械傳動(dòng)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).其中第二個(gè)問(wèn)題與第三個(gè)問(wèn)題嚴(yán)密相關(guān).并且相互依賴。桁架拱構(gòu)造的穩(wěn)定性計(jì)算是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題.準(zhǔn)確的分析必須在考慮初始撓度的情況下.應(yīng)用大撓度彈塑性有限元理論求解其穩(wěn)定極限承載力.并由剛度和承載力雙重控制；對(duì)于活動(dòng)屋蓋和固定屋蓋的剛度匹配問(wèn)題.設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮兩種方案.其一是活動(dòng)屋蓋可以設(shè)計(jì)的相對(duì)柔一點(diǎn).固定屋蓋的剛度可以相對(duì)大一點(diǎn).這樣可以保證活動(dòng)屋蓋有足夠的變形從而保證輪壓的設(shè)計(jì)值控制在一定的范圍.其二是活動(dòng)屋蓋和固定屋蓋都設(shè)計(jì)的足夠強(qiáng).但可能會(huì)產(chǎn)生由于屋蓋鋼構(gòu)造制作偏差導(dǎo)致個(gè)別輪壓的吃空現(xiàn)象.除非在輪壓的位置設(shè)置彈簧以減少這種吃空現(xiàn)象。南通體育場(chǎng)由同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)院設(shè)汁.由清華大學(xué)土木工程系進(jìn)展復(fù)核計(jì)算及審校工作。圖10.60和圖lO.61南通體育場(chǎng)的閉合和開(kāi)啟狀態(tài)的效果示意圖。11．天津泰達(dá)市民文化廣場(chǎng)圖10.62廣場(chǎng)整體建筑效果圖天津泰達(dá)市民文化廣場(chǎng)(圖10.62)是天津市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)的標(biāo)志性建筑物之一。建成后將成為我國(guó)玻璃幕墻規(guī)模最大、幕墻和鋼構(gòu)造支撐體系最為復(fù)雜的構(gòu)造之一；除層間玻璃幕墻外.整個(gè)廣場(chǎng)的玻璃幕墻可以分為三局部：①大金字塔玻璃幕墻及鋼構(gòu)造支撐體系.建筑高度135m.是我國(guó)目前最大最高的金字塔構(gòu)造；②三折面鋼構(gòu)造及玻璃幕墻.即大斜坡.位于6個(gè)風(fēng)帆(膜構(gòu)造)下面.跨度方向50m.縱向長(zhǎng)度262m；③賓館人口和建筑物頂部的三棱錐體幕墻。整個(gè)建筑物總建筑面積近18萬(wàn)m2.構(gòu)造形式涉及到鋼構(gòu)造、玻璃幕墻、膜構(gòu)造及它們的組合.特別是鋼構(gòu)造與玻璃幕墻的嚴(yán)密結(jié)合成為構(gòu)造的一大設(shè)計(jì)難點(diǎn)。大金字塔(圖10.63)由兩個(gè)直立面、一個(gè)斜面和一個(gè)頂面組成。兩個(gè)直立面為可開(kāi)合的雙層幕墻.外露鋼管構(gòu)造分割成正交斜放網(wǎng)格；斜面幕墻和頂面幕墻為單層幕墻.網(wǎng)格分割呈菱形。外露鋼構(gòu)造(包括三條棱線)均是由外管、內(nèi)管和腹桿組成的桁架構(gòu)造。點(diǎn)式玻璃的支承構(gòu)造包括單索索網(wǎng)和雙向魚(yú)腹式預(yù)張力拉桿體系兩種形式。金字塔與其內(nèi)部塔樓之間的連接采用了彈簧支座.提高了金字塔抵抗水平風(fēng)荷載的能力.而且在地震荷載作用下.兩者能相互約束而減小地震作用。此外.其他某些部位也采用了彈簧支座.有效地減小了支座反力。圖10.63大金字塔入口和采光天頂處的三棱錐形幕墻(圖10．64)共分為三類：A類為入口斜三棱錐形幕墻；B類為建筑物頂部正立三棱錐形幕墻；c類為建筑物內(nèi)部倒掛三棱錐形幕墻。A類幕墻采用雙魚(yú)腹拉桿桁架作為支撐體系．B、C類幕墻均采用單層索網(wǎng)作為支撐體系。棱線均采用桁架體系.不僅承擔(dān)和傳遞荷載.而且提供了強(qiáng)有力的邊緣約束.以保證錐面的撓跨比的控制要求。大斜坡玻璃幕墻(圖10．65)支承鋼構(gòu)造構(gòu)造采用剛性構(gòu)造(鋼管構(gòu)造)和柔性構(gòu)造(雙魚(yú)腹式拉桿桁架)相結(jié)合的混合構(gòu)造體系。鋼管構(gòu)造的一、二、三級(jí)受力構(gòu)造體系分別為三角形空間桁架、平面桁架和魚(yú)腹式拉桿桁架。拉桿桁架的應(yīng)用.減少了構(gòu)造本身的自重及用鋼量.使得整個(gè)構(gòu)造更加透徹、輕巧。在斜幕墻及鋼構(gòu)造的上空.有6塊巨型風(fēng)帆(圖10．65).為骨架式膜構(gòu)造。膜構(gòu)造總面積約6m×1100m.采用PTFE膜材。其支承鋼構(gòu)造局部的基本形式選定為曲面網(wǎng)殼構(gòu)造。網(wǎng)殼的周邊為三角形空間桁架.中間是兩向正交的雙曲單層網(wǎng)殼.單層網(wǎng)殼中間布置十字拉索并施加預(yù)應(yīng)力?；⌒稳切慰臻g邊框桁架呈梭形截面變化。邊框桁架有三個(gè)支點(diǎn).其中一點(diǎn)坐落在入口的湖面上.另兩點(diǎn)坐落在主體鋼構(gòu)造樓層上。整個(gè)鋼構(gòu)造和玻璃幕墻的設(shè)計(jì)和計(jì)算由清華大學(xué)土木系和珠海紅海玻璃幕完成.大小金字塔由珠海紅海玻璃幕施_丁.大斜坡玻璃幕墻由陜西藝林玻璃幕墻完成。圖10.64小金字塔圖10.56大斜坡及膜構(gòu)造效果圖12．國(guó)家體育場(chǎng)鋼構(gòu)造(鳥(niǎo)巢)國(guó)家體育場(chǎng)鋼構(gòu)造由24榀門式桁架圍繞著體育場(chǎng)內(nèi)部碗狀看臺(tái)區(qū)旋轉(zhuǎn)而成.其中22榀貫穿或基本貫穿(圖10.66)。構(gòu)造組件相互支撐.形成網(wǎng)格狀構(gòu)架.組成體育場(chǎng)整體的“鳥(niǎo)巢〞造型。鳥(niǎo)巢構(gòu)造平面呈橢圓形.長(zhǎng)軸332.3m.短軸296.4m。建筑頂面為鞍形曲面.最高點(diǎn)高度68.5m.最低點(diǎn)高度40.1m。屋蓋頂部的洞口尺寸是185.3m×127.5m。屋蓋支承在24根桁架柱之上.柱距為37．9m。主看臺(tái)采用鋼筋混凝土框架剪力墻構(gòu)造.與鋼構(gòu)造完全分開(kāi)。國(guó)家體育場(chǎng)鋼構(gòu)造的設(shè)計(jì)問(wèn)題除了構(gòu)造及構(gòu)件靜力承載力校核外.主要是構(gòu)造的抗震設(shè)計(jì)及抗震設(shè)計(jì)指標(biāo)確實(shí)定。體育場(chǎng)的基本構(gòu)件呈箱形截面形式.由四塊板焊接而成。出于建筑效果的要求.其主桁架的截面尺寸最大為1200mm×1200mm.次桁架的截面尺寸為1000mm×1000mm和1200mm×1200mm.以保證主次桁架在建筑視覺(jué)上基本協(xié)調(diào)。對(duì)于箱形薄壁構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)在地震作用下的滯回和延性性能.由于焊縫材料及其在反復(fù)荷載作用下不斷變脆的特性.以及復(fù)雜的初始缺陷分布及剩余應(yīng)力變化的影響.導(dǎo)致有限元分析結(jié)果與實(shí)際構(gòu)造的受力性能存在一定的差異。因此.必要的試驗(yàn)研究可客觀的評(píng)價(jià)箱形薄壁構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)在反復(fù)地震作用下的破壞機(jī)理和延性性能。對(duì)于整體構(gòu)造而言.驗(yàn)算在罕遇地震作用下的變形能力.有限元彈塑性時(shí)程分析是必要的。對(duì)于這樣一個(gè)眾多構(gòu)件形成的龐然大物.彈塑性時(shí)程分析是一項(xiàng)艱巨的工作。主要涉及到求解方法的選擇、彈塑性時(shí)程分析軟件的可行性、截面或構(gòu)件恢復(fù)力模型的建設(shè)等?；謴?fù)力模型由恢復(fù)力骨架曲線及滯回規(guī)那么二者組成。特別是薄壁構(gòu)件.其骨架曲線和滯回規(guī)那么與板件的寬厚比密切相關(guān)。因此.對(duì)于在罕遇地震作用下的彈塑性時(shí)程分析.僅僅依據(jù)FEMA356提供的構(gòu)件彈塑性骨架曲線是缺乏以反映實(shí)際構(gòu)件的滯回性能。鳥(niǎo)巢構(gòu)造的特點(diǎn)是采用了空間扭曲箱形構(gòu)件.其制作難度極大。下料尺寸通過(guò)專門開(kāi)發(fā)的cAD軟件完成.把一個(gè)不可展曲面繪在一個(gè)平直面板上。除了幾何展開(kāi)外.也要考慮展開(kāi)過(guò)程中除了材料的塑性變形外還有彈性變形的復(fù)原.其恢復(fù)量與板厚及曲面目標(biāo)位形有關(guān)。浙江精工集團(tuán)開(kāi)發(fā)了一種多壓頭的成型機(jī).可對(duì)下料板多點(diǎn)沖壓(塑性變形)形成空間曲面。每個(gè)點(diǎn)的沖壓深度取決于板的厚度、曲面的目標(biāo)位形以及變形的回彈量等。鳥(niǎo)巢構(gòu)造的安裝方案在設(shè)計(jì)階段就確定下來(lái)：即先裝主桁架.然后落架使主桁架受力.在此根基上再安裝次桁架.最后安裝膜構(gòu)造。這種安裝方案的基本思路是.次桁架在落架后安裝.不參與落架受力.其后與主桁架共同承擔(dān)新荷載的作用。目前.主次桁架構(gòu)造均按照未落架的位形(即設(shè)計(jì)位形)進(jìn)展施工圖深化設(shè)計(jì).并依此在工廠制作。目前.主要的矛盾反映在設(shè)計(jì)、制作及安裝之間對(duì)構(gòu)造設(shè)計(jì)位形及安裝位形的不協(xié)調(diào)。主桁架按照設(shè)計(jì)位形制作和安裝是可行的.因?yàn)?8根支承胎架已經(jīng)為主桁架提供了一個(gè)安全可靠的安裝支承平臺(tái)。撤除支承胎架后.主桁架落位并進(jìn)入受力狀態(tài)。隨后.在安裝次桁架過(guò)程中.主桁架將不斷地調(diào)整自己的位形.這給次桁架的安裝帶來(lái)了比較大的難度。一方面.次桁架按照主桁架落架前的基準(zhǔn)位形加工.在經(jīng)歷了主桁架落架產(chǎn)生的變形后.次桁架與主桁架的對(duì)接偏差就已經(jīng)存在；另一方面.在次桁架安裝過(guò)程中.主桁架在不斷產(chǎn)生變位.又給次桁架與主桁架的對(duì)接、焊接增加附加偏差。為了解決這一難題.現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)在主次桁架連接處留有活動(dòng)接頭.以應(yīng)對(duì)上述偏差引起的對(duì)接不上問(wèn)題。但是.這一安裝方案將經(jīng)歷嚴(yán)峻的考驗(yàn)。圖10.66國(guó)家體育館鋼構(gòu)造效果圖13．廣州新電視塔廣州市新中軸線電視塔位于廣州市新城市中軸線與珠江景觀軸交匯處.北臨珠江.與21世紀(jì)中央商務(wù)區(qū)——珠江新城及海心沙市民廣場(chǎng)隔江相望。將來(lái)與珠江新城中的“雙子塔〞構(gòu)成大三角.與珠江新城南端的廣州市歌劇院、廣東省博物館構(gòu)成小三角.地位顯赫。新電視塔將以旅游、觀光功能為主.在滿足發(fā)射電視信號(hào)的需要之外.還要表達(dá)文化特色。塔設(shè)計(jì)高度為610m.其中塔身主體高度450m.桅桿天線高160m。建成后將成為世界第一高塔。且其外觀設(shè)計(jì)更是將突破目前現(xiàn)有世界高塔的傳統(tǒng)“水桶腰〞或三角形等形式.世界獨(dú)一無(wú)二。該塔另一特色是：觀光塔內(nèi)是一組內(nèi)有各個(gè)花園的氣候?qū)?不同樓層的功能分布根據(jù)其所在的氣候區(qū)而確定。圖10.67為新電視塔仰視圖。廣州市新中軸線電視塔構(gòu)造采用筒中筒抗側(cè)力體系：外筒是由立柱、斜撐及環(huán)向構(gòu)件組成的鋼構(gòu)造支撐框架筒；內(nèi)筒為一個(gè)鋼筋混凝土核心簡(jiǎn)。本工程一個(gè)突出的特點(diǎn)是整個(gè)構(gòu)造呈兩端大中間小的“細(xì)腰〞型.由組成外框簡(jiǎn)平面的基本元素——橢圓自下而上連續(xù)變化并且沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)45。而成。外框筒鋼構(gòu)造的頂、底部平面及核心筒