大空间公共建筑发展趋势

2011年秋季学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考核科目:大空间公共建筑发展趋势学生所在院（系）:建筑学院学生所在学科:建筑设计及其理论学生姓名:马玉林学号:11S034036学生类别:在读硕士考核结果阅卷人预应力大跨度空间钢结构的应用与展望预应力大跨度空间钢结构的应用与展望摘要：本文主要阐述了我国预应力大跨度空间钢结构应用与发展的基盎基本情况。这些预应力空间钢结构包括有预应力网格结构、斜拉网格结构、索穹顶结构、张弦梁结构、弓式预应力钢结构等。最后，本文展望了本世纪的预应力大跨度空间钢结构的未来。Abstraction:Thispapermainlyexpoundstheprestressedlong-spanspacesteelstructureoftheapplicationanddevelopmentofthebasicsituation.Theseprestressedspacesteelstructureincludingprestressedlatticestructure,wind-excitedvibrationstructure,cabledomesstructure,ZhangXianLiangstructure,prestressedsteelstructurebowtype.Finally,thispaperdiscussedtheprestressedspacesteelstructure.关键词：预应力结构；大跨度结构；预应力网格结构；索穹顶结构；张弦梁结构；展望Keyword:Prestressedstructure;Bigspanstructure;Prestressedlatticestructure;Cabledomestructure;Chordstructure;looking预应力大跨度空间钢结构是把现代预应力技术引用到例如网架、网壳等网格结构、索、杆组成的张力结构、立体桁架结构等一类大跨度结构,从而形成一类新型的、杂交的预应力大跨度空间钢结构体系.这一类结构受力合理、刚度大、重量轻,制作安装也比较方便,在近十多年来得到开发与发展,并在大跨度、大柱网的公共与工业建筑中得到应用,且受到国内外科技界和工程界的关注和重视,其推广应用和发展前景是无比广阔的.采用预应力技术于大跨度空间钢结构具有如下的特色和优势.(1）可以改变结构的受力状态,满足设计人员所要求的结构刚度、内力分布和位移控制.（2）通过预应力技术可以构成新的结构体系和结构形态(形式),如索穹顶结构等.可以说,没有预应力技术,就没有索穹顶结构.（3）预应力技术可以作为预制构件(单元杆件或组合构件)装配的手段,从而形1预应力大跨度空间钢结构的应用与展望成一种新型的结构,如弓式预应力钢结构.（4）采用预应力技术后,或可组成一种杂交的空间结构,或可构成一种全新的空间结构,其结构的用钢指标比原结构或一般结构可大幅度的降低,具有明显的技术经济效益.预应力空间钢结构预应力的施加方法通常有两种:一种是在预应力索、杆上直接施加外力,从而可高速改善结构受力状态,致使内力重分布,或者是形成一种新的具有一定内力状态的结构形式;另一种是通过高速已建空间结构支座高差,改变支承反力的大小,从而也可使结构内力重分布,达到预应力的目的.预应力索、杆的材料通常可采用高强度的钢丝束、钢铰线、也可采用钢棒、钢筋.这里我将详细介绍几种结构形式并以此对大跨度空间建筑的未来进行展望。1.预应力网格结构现代预应力技术与空间网格结构(包括网架与网壳)相结合便可构成预应力的网格结构.通常施加预应力的方案有两种:一种是在网架的下弦平面下设置预应力索,也可在网壳的周边设置预应力索,通过张拉预应力索建立与外载作用反向的内力和挠度;另一种是通过网格结构支座高差强行调整就位(通常为盆式搁置就拉,在使用阶段达到支座最终反力趋向于均匀化),使网格结构建立预加应力.预应力网格结构有下列特点:1.可采用高强度预应力拉索作为网格结构的主要受力杆件,以降低材料耗量.2.可采用多次分批施加预应力及加荷的原则(多阶段设计原则),使杆件反复受力,并在使用荷载下达到最佳内力状态;预应力网架结构的简捷计算法及施工张拉全过程分析可参见文献[4].3.通过预应力技术可提高整个网格结构的刚度,减少结构挠度.4.对于网壳结构可解决水平推力问题,适当配置支座滑动构造措施,利用预应力技术可形成无水平反力的自平衡结构体系.5.对于采用改变支座就位高差,高速结2预应力大跨度空间钢结构的应用与展望构内力分布的施加预应力方案,是一种最经济的预应力方法;此时,对网格结构无需啬任何杆件和零部件材料.将斜拉桥技术及预应力技术综合应用到网格构结而形成一种形式新颖、协同工作的杂交空间结构体系，可称为斜拉网格结构，它也是一种内部空间宽广、造型新奇、颇有景点特色的大跨度建筑结构。对于斜拉网格结构，这些年来结合工程和课题作了深入的研究。2.索穹顶结构由美国工程师盖格尔首次研究开发的索穹顶结构用于1988年韩国汉城奥运会体操馆(直径120m)和击剑馆(直径90m).它由中心环、受压圈梁、脊索、谷索、斜拉索、环向拉索,立柱和扇形膜材所组成,它与索穹顶不同的有四点:一是适用于椭圆形平面,二是以两向斜交的上弦索网代替脊索与谷索,三是要增设中央桁架,四是以平面投影为菱形的膜材代替扇形膜材.3.张弦梁结构张弦梁结构是最近几年发展起来的大跨度钢结构,它可用于屋盖结构,也可用于楼层结构,还可用于墙体结构(如玻璃幕墙的立柱).至今,包括双曲抛物面---张拉整体穹顶在内的索穹顶结构连同台湾。在在内的世界各地已建成了十多幢,然而在我国大陆尚未建成一幢.在技术封锁和缺乏资料的情况下,对索穹顶的理论分析和试验研究方面已做了大量的工作,相信不久在我国亦可建成自行设计与施工的这类新建筑.张弦梁结构具有如下一些特点:1.张弦梁由下弦索、上弦梁和竖腹杆组成,索为受拉、杆为受压的二力杆,上弦梁为压弯杆件.3预应力大跨度空间钢结构的应用与展望2.通过拉索的张拉力,使竖腹杆产生向上的分力,导致上弦梁产生与外荷载作用下相反的内力和变位,以形成整个张弦梁结构及提高结构刚度,通常情况下下弦索为一向下的圆弧线(实际上为折线多边形).3.屋面应设置支撑体系以保证平面外地稳定性.4.宜采用多阶段设计,分析计算时应考虑几何非线性影响.5.在支座处宜采取必要的暂时的或永久的构造措施,在预应力及外荷载作用下(指自重等屋面荷载作用下)形成自平衡体系,不产生水平推力.6.上弦梁可改用立体桁架,此时张弦梁便成为带拉索的杆系张弦立体桁架,可使结构计算及构造得到简化.7.可从平面张弦梁结构发展到空间张弦梁结构,如两向正交正放张弦梁系结构等.我国大跨度张弦梁结构刚开始采用.有代表性的工程有浦东国际机场航站楼屋盖,复盖进厅(R1)、办票厅（R2）、商场（R3）和登机廊（R4）四个大空间,其支点的水平投影跨度分别为49.3m、82.6m、44.4m和54.3m,张弦梁的间距为9m,纵向总长度R1、R2、R3为402m,R4为1374m.张弦梁的上弦由二根4预应力大跨度空间钢结构的应用与展望平等方管组成,中间主弦为400×600焊接方管,两侧付弦为300×300方管,由两个冷弯槽钢焊成,主付弦之间由短管相连.腹杆为圆钢管,上弦与腹杆均采用Q345国产低合金钢,下弦为国产高强冷拔镀锌丝束,外包高密度聚乙烯。第二个有代表性的工程是广州会展中心屋盖，采用了张弦立体桁架结构，跨度为126.5m,间距15m.广州会展中心由日本佐藤株式会社综合设计事务所设计,国内配合合作单位是华南理工大学建筑设计研究院,该工程预计在2002年建成使用.展望预应力钢结构（PSS）学科从诞生到现在已经历了五十年。二次世界大中中战后恢复生产，重建经济时要求对旧结构和桥梁加固补强，50年代材料匮乏资金短缺年代里要求降低用钢量节约成本，于是出现了在传统钢结构中引入预应力的预应力钢结构学科。随着科技进步、工业发达的步伐，20世纪末期在涌现大量新材料、新技术、新理论的推动下，PSS领域中产生了一批张拉结构体系，它们受力合理，节约材料，型式多样，造型新颖，应用广泛，成为建筑领域中的最新成就。PSS学科从初始的简单节材思想发展到现代预应力张拉钢结构系列，历经了探索、观望、前进、突破、创新、繁荣的各种阶段。回顾历史，得出经验教训才能指导现在，回顾历史了解发展规律才能把握未来。这样我们才能真正做到借鉴昨天，掌握今天，规划明天。1．未来属于预应力张拉结构体系无论从仿生学角度还是最佳承重杆件型式，无论从理论分析上还是工程实践中，都有证明轴向受拉杆件和双向受拉膜面都有是组成最佳结构体系的单元体。这种单元体只有强度、刚度问题，而无稳度困扰。由张力单元组成的早期张拉结构，如单向悬索5预应力大跨度空间钢结构的应用与展望结构，索桁架，金属悬膜结构已发展成现代PSS张拉体系，几乎覆盖了大跨结构物的整个领域，可以说21世纪的大跨建筑物中将是预应力张拉结构体系的世界。2．思维更新与知识更新预应力技术不仅改变了传统钢结构中的内力分配，而且改变了传统结构组成，从而出现了大量与传统结构完全不同的建筑造型，内力分析，制造工艺，施工技术等。可以说在钢结构设计中预应力技术主要应当是创造新体系的手段，以学科发展早期节约的观点，甚或以预应力砼结构中的观点来认识PSS学科的发展显然是有害的。尤其对不了解，不熟悉这一新兴学科的专业人员更应是更新思维，更新认识，以促进这一学科在我国快速、健康地发展；3．加强基础研究与技术积累新学科诞生必然引发许多新的理论及技术问题，如60～70年代对刚性空间结构中稳定性研究陌生一样，目前对柔性空间结构中的“刚性”研究也处于起步。应及早建立形态分析中的预应力数值、曲面曲率、边界支承条件等因素与曲面几何形状的优化关系，提出统一的形态分析理论，作为发展张拉结构的理论基础。开展与基础理论相对应的模型试验和试点工程以填补我国在整体张拉体系中的空白，尽早实现零的突破；4．总结经验教训，不断前进近十年来我国在这一领域成绩显着与国际水平差距缩小，但由于基础理论欠缺，专业知识不足，科学态度不够，在工程实践中也有过不足和错误。为什6预应力大跨度空间钢结构的应用与展望么总对受力不利的悬臂梁作主承重结构那么青睐？有了北京亚运会综合馆的前车之鉴，还有浙江黄龙体育馆的重蹈覆辙？为什么掌握了PSS的特性还会设计出高跨比只有1/5.6北京西客站预应力钢桁架,并使主要杆件的应力只达容许值的1/2～1/3?希望以后的工程设计者实事求是地总结设计中的得失并昭示天下,才会避免误导后生.国家已经列入重点课题的索穹顶结构,在时间,人力,财力都大量设入并进行过模型试验后仍不见工程实践,“只听楼梯响,不见人下来”的原因何在?澳大利亚的专利—大位移预应力拱架结构国内已引进几座了,但还不见我们同行急起直追,有人甚至还不知此为何物?我们如果亦步亦趋都做不到,何时才能创新体系,自立于强国之林.50年来PSS学科缺乏领导，没有交流，各以为是，自行其是，没有分工，放任自流。尤其目前学科交错发展，新材料，新技术，新工艺，新结构综合体现，没有统一领导，学科举步维艰。即或在同一新技术下，PSS与预应力砼结构中预应力的目的不同，力度不同，功能不同，疚不同，方法也琐，两者难以从属。因此应立即建立学科领导组织。40年前苏联开展学科不久，工程不多的情况下，已制定颁布了《预应力钢结构设计规程》以统一行动。甸目前工程林立，研究设计项目繁多，在及时制定我国的预应力钢结构规范上虽未能高瞻远瞩，也应该奋起直追提到日程上来了。我国在二十世纪末期已研制、开发、采用各种形式的预应力空间钢结构约80幢,充分显示出这类结构的众多特点和优势,具有强大的生命力,是空间结构发展的一种新趋向.展望二十一世纪,预应力空间钢结构将会更加发挥其固有的特色和活力,获得更为广阔的应用和发展,在以下几方面是值得引起关注和重视的.(1)我国目前预应力空间钢结构的最大跨度是正在兴建的广州国际会展中心126.5m跨的张弦立体桁架结构,国际上英国伦敦的千禧穹顶已达325m(域