组合结构在结构选型中的应用研究

组合结构在结构选型中的应用研究建筑0901王暨程09311014摘要：组合结构是用不同的结构单元或不同的材料组合而成的一种空间结构。它的最大优点是:综合利用各种不同结构在性能、综合经济指标等方面的优势;丰富建筑造型,有效利用建筑空间;改善总体力学性能等。融建筑的技术与艺术于一体的“杂交”空间结构形式将越来越得到人们的青睐。关键词：组合结构、杂交空间、建筑、空间结构、大跨度近几十年来，随着人们在体育、展览、文娱等活动的急剧增长和新材料、新技术的不断涌现，多种空间结构形式，诸如网架、网壳、悬索、薄壳等都得到了广泛的应用和飞速的发展。与此同时，人们对空间结构的要求也越来越高。如要求其覆盖跨度有所突破，形成大跨、超大跨乃至巨型空间结构；要求其外形优美、多样化等等。单一类型的结构形式在跨度增大时，其不足之处越来越明显，经济性显著下降，甚至成为不可能。正因为如此，由不同类型的结构形式组合而成的杂交结构成为目前大跨空间结构研究中的新方向。组合结构是用不同的结构单元或不同的材料组合而成的一种空间结构。它的最大优点是:综合利用各种不同结构在性能、综合经济指标等方面的优势;丰富建筑造型,有效利用建筑空间;改善总体力学性能等。在课上，老师总结了以下几种组合结构：斜拉网架、悬索网架、索桁架体系、张弦梁结构、索托结构、劲柔索穹顶、拱支网壳等。1.斜拉空间网格结构斜拉网架、悬索网架、索桁架体系均属于斜拉空间网格结构。斜拉空间网格结构通常是由塔柱、拉索、空间网格结构组合而成。塔柱一般独立于空间网格结构形成独立塔柱，空间网格结构为王家或网壳等，斜拉索的上端悬挂在塔柱顶部，下端则锚固在空间网格结构主体上，当拉索内力较大时，也可锚固在与空间网格结构主体相连的立体桁架或箱型大梁等中间过渡构件上。因此，斜拉索为空间网格结构提供了一系列中间弹性支承，使原空间网格结构的内力和变形得以调整，明显减少结构挠度，降低杆件内力，同时通过张拉拉索，对空间网格结构施加预应力可部分抵消外荷载作用下的结构内力和挠度。使空间网格结构不需要靠增大结构高度和构建截面即能跨越很大的跨度。是一种跨越能力大、经济合理的杂交空间结构体系。2.张悬梁结构张弦梁结构可充分发挥高强索的强抗拉性能改善整体结构受力性能，使压弯构件和抗拉构件取长补短，协同工作，达到自平衡，充分发挥每种结构材料的作用。目前，普遍认为张弦梁结构的受力机理为通过在下弦拉索中施加预应力使上弦压弯构件产生反挠度，结构在荷载作用下的最终挠度得以减少，而撑杆对上弦的压弯构件提供弹性支撑，改善结构的受力性能。一般上弦的压弯构件采用拱梁或桁架拱，在荷载作用下拱的水平推力由下弦的抗拉构件承受，减轻拱对支座产生的负担，减少滑动支座的水平位移。所以，张弦梁结构在充分发挥索的受拉性能的同时，由于具有抗压抗弯能力的桁架或拱而使体系的刚度和稳定性大为加强。并且由于张弦梁结构是一种自平衡体系，使得支撑结构的受力大为减少。如果在施工过程中适当的分级施加预拉力和分级加载，将有可能使得张弦梁结构对支撑结构的作用力减少的最小限度。张弦梁结构按受力特点可以分为平面张弦梁结构和空间张弦梁结构。平面张弦梁结构是指其结构构件位于同一平面内，且以平面内受力为主的张弦梁结构。平面张弦梁结构根据上弦构件的形状可以分为三种基本形式：直线型张弦梁、拱形张弦梁、人字型张弦梁结构，（如图2）。直梁型张弦梁结构主要用于楼板结构和小坡度屋面结构，拱形张弦梁结构充分发挥了上弦拱得受力优势适用于大跨度的屋盖结构，人字型张弦梁结构适用于跨度较小的双坡屋盖结构。空间张弦梁结构是以平面张弦梁结构为基本组成单元，通过不同形式的空间布置所形成的张弦梁结构。空间张弦梁结构主要有单向张弦梁结构、双向张弦梁结构、多向张弦梁结构、辐射式张弦梁结构。（如图3）单向张弦梁结构由于设置了纵向支撑索形成的空间受力体系，保证了平面外的稳定性，适用于矩形平面的屋盖结构。双向张弦梁结构由于交叉平面张弦梁相互提供弹性支撑，形成了纵横向的空间受力体系，该结构适用于矩形、圆形、椭圆形等多种平面屋盖结构。多向张弦梁结构是平面张弦梁结构沿多个方向交叉布置而成的空间受力体系，该结构形式适用于圆形和多边形平面的屋盖结构。辐射式张弦梁结构是由中央按辐射状放置上弦梁，梁下设置撑杆用环向索而连接形成的空间受力体系，适用于圆形平面或椭圆形平面的屋盖结构。3.索托结构索托结构拉索效率高、跨度大、用钢量少、施工方便、工程造价低，是一种适用范围广的大跨结构形式。在无支塔且建筑空间有限的情况下，索托结构解决了桁架挠跨比过大的问题，并且改善了整体受力状态。索托结构外形类似斜拉结构但是受力性能完全不同。在索托结构中，索与结构连接处不采用刚性锚头连接，也不切断钢索，而是直接在梁结构下贯穿过去，锚固在另一侧的塔上或跨过塔顶的索鞍而锚固在邻跨或地锚上。它的最大特点是，索的利用效率很高，而且越到跨中效率越高，因而塔高可以降低很多，在较小的拉索角度下，仍然能够对结构梁提供比较大的竖向作用力。在本工程中，由于不能建造支塔，因此只能将索在主桁架两端的上节点处进行锚固，在主桁架中间区域的下节点处设置导索槽，作为索的托点。这样一来，索托结构仅仅在主桁架自身的高度范围内便完成了，最大程度地保留了原有的建筑造型。而且，原设计也不用做很多变动。因此，在大跨空间结构中，索托结构的塔高可以做得很低，直接在结构梁内构造成型。与其他结构相比，索托结构更适用于超大跨结构。索托结构不仅受力合理，施工方便，而且锚头数量很少，塔高度低（仅为跨度的1/8~1/12)、跨度大、用料较节省、工程造价相对较低，是一种适用范围广泛的大跨结构形式。4.劲柔索穹顶劲柔索张拉穹顶是由索穹顶发展而来的一种新颖结构形式，此种结构的构成特点是只须将索穹顶结构在中路加载过程中发生卸载或易松弛的某些拉索更换为劲性索即可。这种结构形式保留了索穹顶跨度大、自重轻、改变结构刚度可以通过调节预应力大小来实现等优点，克服了它存在的计算分析难度大，施工成形困难等问题。结构的主要特点是：它具有一定的初始刚度，与索穹顶相比，有利于结构成形、并使施工过程得到了较好的改进；材料的利用效率显著提高，劲索既可受拉又可受压；边环梁的截面可减少很多，而不影响拉索的工作和张拉结构的工作性能，理论上环梁截面可优化为零等。劲柔索穹顶结构具有较高的极限承载力和安全储备度。5.拱支网壳网壳是一种造型新颖多样、型体受力合理的曲面型网格结构形式，兼有杆系结构和薄壳结构的固有特性。其中，单层网壳结构施工方便，具有较好的经济性，但这种结构形式对缺陷是敏感的，稳定性是其设计的控制因素。结构中个别杆件的破坏或者某个局部的失稳塌陷，将以动态波的形式波及整个结构而导致结构的倒塌破坏。而且，随着跨度的增加，缺陷敏感性及稳定问题将变得非常复杂，材料的利用率下降很快。目前，单层网壳结构的使用跨度主要在50m左右，100m一下。双层网壳结构具有较好的整体刚度，对缺陷的影响并不敏感，但这种结构形式施工复杂、用钢指标及工程造价均较高。美国新奥尔良超级穹顶是目前国际上跨度最大的双层网壳结构，平面直径207m，网壳厚2.2m，用钢指标高达126kg/㎡。拱结构主要受压，特别适用于抗压强度较抗拉强度大许多的材料所构成的结构，相对而言，当结构跨度超过80~100m时，经济效果尤为明显。同时，拱结构具有优美的外观，所形成的整体刚度较好。但这种结构形式具有较大的支座推力。拱支网壳结构利用拱结构具有整体刚度大、稳定性好的特点，改善了网壳结构的整体性能，使之兼有单层和双层网壳结构的优点。由于拱结构的作用，整体单层网壳就被划分为若干小的单层网壳区段，从而使网壳结构的整体稳定问题转化为局部区段的稳定性问题；部分杆的破坏或局部区段的失稳塌陷将较小甚至不会波及整个结构；网壳结构对缺陷的敏感程度得以下降。同时，网壳结构对拱结构的稳定也有所帮助。因而增强了结构的整体性能，使得两种结构形式能够充分发挥各自的潜力，从而提高了整个结构的承载能力及材料强度的利用率，达到增大结构跨度的同时又获得较高经济效益的目的。通过在建筑结构选型课上的学习，我了解到了不同结构的不同性能。不管是网架、悬索或者壳体，每种单独的体系都必有其优缺之处，而充分合理的对各种体系进行组合，则会诞生出更能满足跨度及经济性的新的体系。这对于我们学建筑的学生来说，在以后的设计里，能更好的做出符合实际的建筑，不至于使设计出的建筑成为“空中花园”，也不至于当别人怀疑设计建成的可能性时我们会哑口无言，支支吾吾，甚至推翻自己的想法。总之，建筑结构选型这门课让我认识到了建筑设计课上所不能学习到的知识，让我对设计和现实有了进一步的领悟。参考文献：[1]黄炳生，吕志涛，黄林，周军.《斜拉空间网格结构在我国的研究和应用》[J].南京建筑工程学院学报，2000（2）；[2]《张悬梁结构的探讨》；[3]张波，徐国彬，闻之琦.《索托结构在屋盖结构中的应用》[J].钢结构，2003,18(3)[4]吕晶，徐国彬，郭彦林.第十一届空间结构学术会议论文集[A].北京.2005[5]沈祖炎，李元齐.《新型大跨空间结构形式——拱支网壳结构体系》.空间结构，1996，2（3）