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十年來中國懸索膜結構的發展曆程

日期:2013-08-26 10:51:02 / 人气:25

 

中国现代悬索结构之发展始于50年代后期和80年代。北京的工人体育馆和杭州的浙江人民体育馆是当时的两个代表作。北京工人体育馆建成于1961年,其屋盖为圆形平面,直径94m,采用车辐式双层悬索体系,由截面为2m X2m的钢筋混凝土圈梁、中央钢环,以及辐射布置的两端分别锚定于圈梁和中央钢环的上索和下索组成。中央钢环直径16m,高11m,由钢板和型钢焊成,承受由于索力作用而产生的环向拉力,并在上、下索之间起撑杆的作用。浙江人民体育馆建成于1967年,其屋盖为椭圆平面,长径80m,短径60m。采用双曲抛物面正交索网结构;长径方向主索垂度4.4m,短径方向副索拱度2,6m。
大家知道,世界上最早的現代懸索屋蓋是美國于1953年建成的Releigh體育館,采用以兩個斜放的抛物線拱爲邊緣構件的鞍形正交索網。我國建造的上述兩個懸索結構無論從規模大小或技術水平來看,在當時都可以說是達到國際上較先進水平的。但此後我國懸索結構的發展停頓了較長一段時間,一直到1980年才建成成都城北體育館。它的直徑爲61m的圓形屋蓋也是采用車輻式雙層懸索結構,但作了一些改進:所有的索在中央環處不切斷,而是沿環的切線穿越過去,鋪在圈梁的對側位置上。這樣不僅節省了一半懸索錨具,而且中央環不再承受環向拉力,而僅起上、下索之間撐杆的作用,從而節省了相當數量的鋼材。
盡管存在如上面介紹的一些傑出工程,現在來回顧80年代初期我國懸索結構以致整個空間結構的總體發展水平,仍然只能承認當時僅有平板網架結構的發展是比較成熟的;由于60年代以後全國在平板網架方面投入了不少力量,在工程實踐和理論分析方面均積累了較多經驗。但在懸索結構、網殼結構、薄殼結構和薄膜結構等其它空間結構類型方面,則相對比較落後,工程實踐既有限,理論儲備也不足,同國際發展水平相比差距較大。這種狀態同當時蓬勃興起的新的建設形勢形成了明顯的反差。在設計日益增多的如體育館等一些大型公共建築時,普遍感到結構形式的選擇余地很有限,無法滿足日益發展的對建築功能和建築選型多樣化的要求。這種生産要求對我國空間結構的發展起到了良好的刺激作用,各設計和研究部門對探討多樣化的空間結構形式和進行相應的理論研究産生了越來越多的興趣。1982年空間結構委員會的成立集中地反映了這種共同的要求。從那時候起,我國空間結構,包括懸索結構進入了一種較快的協調發展的狀態。今天來回顧我國懸索結構十年來的發展。可以看到工程實踐的數量有了較大增長,結構的應用形式趨向多樣化,理論研究也逐漸完整配套,形勢是十分喜人的。

結構形式的發展
從近年來工程實踐中所采用的結構形式來看,各種單層索系、雙層索系、索-梁(桁)體系、鞍形索網、各種組合懸挂體系都獲得了工程應用,形式豐富多樣。表1按結構類型列出國內已建成的工程項目,其中絕大多數是近十年內設計和建造的,但爲了完整,表中也列入了較早時期建造的幾個工程項目。
近十年來的工程實踐幾乎對各種懸索結構形式都進行了探索,尤其值得稱道的是,我國的工程技術人員在學習和吸收國外先進經驗的同時,在結合工程具體條件創造更加符合中國國情的結構應用形式方面作了不少嘗試和創新。例如山東省淄博等地把懸索結構應用于一些中小型屋蓋結構中,頗具特色。他們主要采用單層平行索系(或傘形輻射索系)上加鋼筋混凝土屋面板的構造方式。施工時先將屋面板挂在索上(使索正好位于極縫中),在板上加載使索伸長,然後在板縫中澆灌細石混凝土,待
達到一定強度後卸去荷載,即形成具有一定預應力的“懸挂薄殼”。這種構造和施工方法不需要複雜的技術和設備,相應地造價也比較經濟,因而很符合各地區建造中、小型建築的需要。在開拓新的結構形式方面,淄博化纖廠餐廳的懸挂薄殼屋蓋采用正方形懸垂索網,並沿二對角線方向加設主索作爲中間支承,頗具新意。
提高單層懸索的形狀穩定性,除了采用鋼筋混凝土板等重型屋面並再進一步形成懸挂薄殼的辦法外,安徽體育館等工程所采用的設置橫向加勁梁(或桁架)的辦法也是十分有效的。從文獻記載上看,這種“索-梁(桁)體系”在國外尚未見用之于工程實踐。橫向加勁構件的作用有二:一是傳遞可能的集中荷載和局部荷載,使之更均勻地分配到各很平行的索上;二是通過下壓橫向加勁構件的兩端到預定位置或通過對索進行張拉使整個體系建立預應力,從而提高屋蓋的剛度。從安徽體育館等幾個工程的實踐來看,這種體系施工方便用料經濟,是一種成功的創造。
由一系列承重索和反向的穩定索組成的預應力雙層索系,是解決懸索結構形狀穩定性的另一種較有效的結構形式。瑞典工程師Jawerth首先在斯德哥爾摩滑冰館采用由一對承重索和穩定索組成被稱爲“索桁架”的專利體系,其後這仲平面雙層索系在各國獲得相當廣泛的應用。我國無錫體育館也采用了這種體系。作爲對這種體系的改進,吉林滑冰館結合具體工程條件,創造了一種新型的空間雙層索系(圖2)。它的承重素與穩定索不在同一豎平面內,而是錯開半個柱距。在跨度中央部分,穩定索高出承重素,形成筒形屋面;上、下索之間設置縱向的衍架式擦條,將兩層索撐開。在跨度的兩個邊緣部分,穩定索低于承重索,二者之間用波形模條拉緊,形成波形屋面。采用這種結構形式,不僅提供了新穎的建築造型,而且很好地解決了矩形平面懸索屋蓋通常遇到的屋面排水問題。這一新穎結構參加了1987年在美國舉行的“國際先進結構展覽”。  

十年來我國懸索結構發展的另一個特點是在許多工程中運用了各種組合手段。主要的方式是將兩個以上的索網或其它懸索體系組合起來,並設置強大的拱或剛架等結構作爲中間支撐,形成各種形式的組合屋蓋結構。例如四川省體育館和青島市體育館的屋蓋是由兩片索網和作爲中間支撐的一對鋼筋混凝土拱組合起來的,丹東體育館則是由強大的鋼筋混凝土中央剛架和兩片單層平行索系組合而成。北京朝陽體育館由兩片索網和被稱爲“索拱體系”的中央支撐結構組成(圖3)。索拱體系本身也是一種組合結構。朝陽體育館采用的中央索拱體系由兩條懸索和兩個鋼拱組成。索和拱的軸線均爲平面抛物線,分別布置在相互對稱的四個斜平面內,通過水平和豎向連杆兩兩相連,構成橋梁形式的立體預應力體系。索拱體系的工作性能顯示了索和拱兩種構件相互配合、相互補充的特點。與單純的懸索比較,索拱體系具有較大的形狀穩定性和剛度。尤其是在抵抗集中或局部荷載時變形較小;與單純的拱比較,索拱體系中的拱由于同張緊的索相連,其整體穩定性較好,因而不需強大的截面。這種索拱體系的概念是一種有意義的創新。
采用各種組合式屋蓋不僅進一步增加了建築造型的多樣性,而且往往能更好地滿足某些建築功能上的要求。例如通過設置中央支承結構適當擡高了體育館比賽場地上方的淨空,而兩側下垂的懸索屋面又恰好與看台的斜度配合一致,所以這種元寶形的屋蓋形狀給體育館建築提供了最優的內部空間。
采用組合式屋蓋結構往往並非由于技術經濟方面的理由。從技術經濟的角度,單片索網或其它懸索體系可以經濟地跨越很大的跨度,本非必需要采用中間支承結構。事實上,對于一般中等跨度的建築物。采用單片的懸索體系常可能獲得簡單經濟的設計。所以,采用組合式屋益結構在許多場合毋甯說主要是出于豐富建築造型和更好地滿足建築物使用功能方面的考慮。毫無疑問,從我國這幾年的實踐效果來看,它在這方面是起到了預期作用的。
將斜拉體系利用到屋蓋結構中來、是近幾年出現的另一種組合結構形式。斜拉體系利用由塔柱頂端伸出的斜拉索爲屋蓋的橫跨結構(主梁、桁架、平板網架等)提供了一系列中間彈性支承。使這些橫跨結構不需靠增大結構高度和構件截面即能跨越很大的跨度,從而達到節省材料的目的。但與此同時,建造塔柱本身以及可能需要的邊緣錨杆和受拉基礎等又要增加造價。所以設計時要設法減小各拉索施于塔頂的總水平力。從這個角度來考慮。斜拉屋蓋體系最適用于大跨度的多跨建築。或雖爲單跨但沒有適當附跨的建築(圖4)。這時塔柱兩側均可敷設斜拉索,使塔頂左右受力趨于平衡,塔柱可設計得比較纖柔。反之.如果僅在一側敷設斜拉索,而靠建造強大的塔柱來抵抗拉索的水平分力,從純粹技術經濟的角度、這樣的體系一般是不合算的。鑒于混合式懸挂體系在受力性能方面的潛在優勢和在應用形式方面的多樣性,可以預期今後將會獲得更多的發展。

 

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