本篇文章給大家談談體育館鋼結構工程形式,以及體育場鋼結構施工工藝對應的知識點,希望對各位有所幫助,不要忘了收藏本站喔,本文目錄一覽:,1、,大多數體育館采用的建筑結構是?急~求相關資料!,2、,北京鳥巢體育館在建造上使用了什么結構,3、,體育場館鋼結構為什么是滑移支座,4、,查資料,分析國家體育館鳥巢 水立方 國家大劇 院鋼結構分別屬于哪種結構形式?,5、,大連市體育中心的場館分類,6、,北京奧運會的鳥巢和水立方采用鋼結構,鋼結構的框架有什么作用?
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本文目錄一覽:
- 1、大多數體育館采用的建筑結構是?急~求相關資料!
- 2、北京鳥巢體育館在建造上使用了什么結構
- 3、體育場館鋼結構為什么是滑移支座
- 4、查資料,分析國家體育館鳥巢 水立方 國家大劇 院鋼結構分別屬于哪種結構形式?
- 5、大連市體育中心的場館分類
- 6、北京奧運會的鳥巢和水立方采用鋼結構,鋼結構的框架有什么作用?有什么優點?作出解釋。
大多數體育館采用的建筑結構是?急~求相關資料!
通常是鋼網架結構,主體部分為鋼筋混凝土,而且一般會有超高支撐和預應力大梁。
北京鳥巢體育館在建造上使用了什么結構
巢”外形結構主要由巨大的門式鋼架組成體育館鋼結構工程形式,共有24根桁架柱體育館鋼結構工程形式,現已完成20根桁架柱整柱及2根下柱吊裝。國家體育場建筑頂面呈鞍形,長軸為332.3米,短軸為296.4米,最高點高度為68.5米,最低點高度為42.8米。在保持“鳥巢”建筑風格不變的前提下,新設計方案對結構布局、構建截面形式、材料利用率等問題進行了較大幅度的調整與優化。原設計方案中的可開啟屋頂被取消,屋頂開口擴大,并通過鋼結構的優化大大減少了用鋼量。大跨度屋蓋支撐在24根桁架柱之上,柱距為37.96米。主桁架圍繞屋蓋中間的開口放射形布置,有22榀主桁架直通或接近直通。為了避免出現過于復雜的節點,少量主桁架在內環附近截斷。鋼結構大量采用由鋼板焊接而成的箱形構件,交叉布置的主桁架與屋面及立面的次結構一起形成了“鳥巢”的特殊建筑造型。主看臺部分采用鋼筋混凝土框架一剪力墻結構體系,與大跨度鋼結構完全脫開。
“鳥巢”是2008年北京奧運會主體育場。由2001年普利茨克獎獲得者赫爾佐格、德梅隆與中國建筑師合作完成的巨型體育場設計,形態如同孕育生命的“巢”,它更像一個搖籃,
寄托著人類對未來的希望。設計者們對這個國家體育場沒有做任何多余的處理,只是坦率地把結構暴露在外,因而自然形成了建筑的外觀。
說起Q460鋼材,大多數人可能都不了解?!傍B巢”結構設計奇特新穎,而這次搭建它的鋼結構的Q460也有很多獨到之處體育館鋼結構工程形式:Q460是一種低合金高強度鋼,它在受力強度達到460兆帕時才會發生塑性變形,這個強度要比一般鋼材大,因此生產難度很大。這是國內在建筑結構上首次使用Q460規格的鋼材;而這次使用的鋼板厚度達到110毫米,是以前絕無僅有的,在國家標準中,Q460的最大厚度也只是100毫米。以前這種鋼一般從盧森堡、韓國、日本進口。為了給“鳥巢”提供“合身”的Q460,從2004年9月開始,河南舞陽特種鋼廠的科研人員開始了長達半年多的科技攻關,前后3次試制終于獲得成功。如今,為“鳥巢”準備的Q460鋼材已經開始批量生產。2008年,400噸自主創新、具有知識產權的國產Q460鋼材,將撐起“鳥巢”的鐵骨鋼筋。
國家游泳中心又被稱為“水立方”(Water Cube),位于北京奧林匹克公園內,是北京為2008年夏季奧運會修建的主游泳館,也是2008年北京奧運會標志性建筑物之一。它的設計方案,是經全球設計競賽產生的“水的立方”([H2O]3)方案。2003年12月24開工,在2008年1月28日竣工。其與國家體育場(俗稱鳥巢)分列于北京城市中軸線北端的兩側,共同形成相對完整的北京歷史文化名城形象。國家游泳中心規劃建設用地62950平方米,總建筑面積65000-80000平方米,其中地下部分的建筑面積不少于15000平方米,長寬高分別為 177m × 177m × 30m。到目前,來自101個國家和地區的35萬多港澳臺同胞及海外僑胞共捐獻了8.5億人民幣。其中鄭裕彤、鄭家純父子及屬下企業曾捐贈五千萬元人民幣。
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體育場館鋼結構為什么是滑移支座
鋼結構底部滑動支座 鋼連廊滑動支座作用及性能由于球形支座不再使用橡膠承壓,不存在橡膠變硬或老化等不良響,因此特別適用于低地區?;赖涝诙盏最A先拼裝,八塊滑道鋼板在鋼板底部用鋼筋焊接,滑道支用下外環筋和下內環筋焊接成整體,整體吊裝至墩頂,若部分滑道支橫桿與鋼筋,可先將橫桿臨時截斷,然后將滑道落在滑道定位鋼板上。
是在球型支座的基礎上逐步升華的產物。它們能夠滿足橋梁、建筑,尤其是鋼結構工程對節點支座性能需要。球鉸支座分為固定型,單向位移型和雙向位移型三種形式。球鉸支座是水平位置支座,在工作過程中,頂板位移箱和底板位移箱水平放置,其作用是鉸接上下構件,釋放鋼結構主體的內應力。
一、支座的主要技術性能
1、能夠承受豎向載荷;
2、具備相當的抗豎向拔力的性能,保證豎向受拔時上下結構不脫節,且能正常轉角;
3、具備抗水平剪力的性能,保證水平受力時不脫落;
4、可滿足水平位移要求;
5、可滿足萬向轉動,萬向承載;
6、支座材質為合金鑄鋼,充分滿足工程壽命年限。
查資料,分析國家體育館鳥巢 水立方 國家大劇 院鋼結構分別屬于哪種結構形式?
“鳥巢”外形結構主要由巨大體育館鋼結構工程形式的門式鋼架組成,共有24根桁架柱。
拓展
“鳥巢”外形結構主要由巨大體育館鋼結構工程形式的門式鋼架組成,共有24根桁架柱。國家體育場建筑頂面呈鞍形,長軸為332.3米,短軸為296.4米,最高點高度為68.5米。鳥巢是利用用體育館鋼結構工程形式了三角形體育館鋼結構工程形式的穩定性。
水立方其結構為“新型多面體空間鋼架結構”。水立方是H20的3次方(沒什么數學知識,主要是物理知識.)
大連市體育中心的場館分類
大連體育中心總占地面積82萬平方米,總建筑面積約55萬平方米,擁有十大單體建筑,分別是體育場、體育館、游泳館、網球場、室內網球訓練館、棒球場、綜合訓練館、室內田徑館、教育科研樓、媒體中心。另外,還包括足球、籃球、網球等運動訓練場地和道路、管網、停車場等配套設施。 體育場占地面積13.5萬平方米,建筑面積12萬平方米,擁有6.1萬個座位,能夠承擔田徑、足球等奧運會賽事,同時兼顧城市大型活動功能。
體育場是大連體育中心體量最大的單體建筑,為單層大空間結構,共5層,按功能布局分為運動員區、競賽管理區、新聞媒體區、貴賓區、觀眾區等。體育場外東西兩側還有兩片訓練場地,占地6萬平方米。
體育場主體屋蓋鋼結構由68榀平面懸挑桁架和6道環向桁架組成環形空間結構體系,主體鋼結構總用鋼量為5300多噸,膜結構展開面積為60000平方米,另外,還有能容納61000名觀眾的巨大看臺。施工過程中,為了確保工程質量和工程進度,體育中心對體育場看臺板、鋼結構全部采取工廠預制、現場組裝的模塊化、產業化施工形式,這一施工理念和工藝受到了遼寧省建委領導的充分肯定,并被作為先進經驗在全省范圍內進行推廣。
體育場與北京“水立方”一樣,外表都采用了ETFE膜結構,比賽場地有著先進的滲水系統,即使暴雨傾盆,也不會有積水。 體育館是大連體育中心整個建筑群的靈魂,占地面積9.5萬平方米,建筑面積8.3萬平方米,擁有1.8萬個座位。體育館設計施工以舉辦奧運會賽事要求為標準,能夠承擔籃球、排球、乒乓球、羽毛球、手球、體操、拳擊、室內足球、冰上運動項目以及NBA賽事;同時還具備舉辦大型文娛活動的功能。場館內除15000個固定座席外,還設有3000個可伸縮座席,包廂席、轉播間、運動員熱身區、地下停車場以及餐飲區等一應俱全。
體育館建筑設計采用“弦支穹頂”結構體系,屋頂最高點高度為45米,橫向跨度約116米,縱向跨度約145.4 米,且平面為不規則橢圓形,是目前世界最大跨度的弦支穹頂結構工程之一。據統計,體育館屋蓋鋼結構工程基本構件總計達3萬多個;為了達到百年工程的建筑要求,該工程所有焊縫全部為一級焊縫;經計算,該工程結構構件約由10多萬個連接板,近2萬多延米的一級焊縫組合而成。
采用多種新工藝、新技術,以達到最大限度的節能減排,是體育館的環保特色。比如,在空調系統的設計中,采用排風全熱回收、分層空調、座椅送風二次回風、低溫地板輻射采暖等先進的供熱與制冷系統,極大的降低場館運行期間空調耗能;另外,體育館屋蓋采用的直立鎖邊系統、智能融雪系統,能很好的解決大型場館屋面的排水問題。
體育館可容納1.8萬名觀眾,是目前國內可容納觀眾人數最多的體育館之一。在體育館建設過程中,為應對風災,大連體育中心特地在哈工大做了嚴格的模擬實驗,制作了1:10的模型;為了防止陣發性臺風的破壞,還增加了鋁單板的工藝;同時,如果在極端冰凍天氣下,全市電網癱瘓,位于體育館地下室的發電機會在極短時間內自動發電,以滿足體育館運行要求。
體育館內如上演冰球比賽,經過36小時后就能滿足NBA比賽要求,聽起來有些匪夷所思的事情,完全可以在體育管理上演。在設計和建設過程中,體育館被賦予了“三十六變”的能耐。而懸在比賽場地上空正中央的巨大四層“斗屏”,可以升降調節,全方位無死角的滿足觀眾欣賞精彩賽事和演出的需求。 游泳館占地面積5萬平方米,建筑面積3.9萬平方米,擁有4200個座位。游泳館按功能布局分為比賽區、賽事管理區、運動員及隨隊官員區、新聞媒體區、裁判員區、觀眾區、后勤辦公服務區、設備及輔助等區域。
游泳館設有50米長10泳道標準游泳比賽池一個,標準跳水比賽池一個,50米長8泳道訓練熱身池一個。游泳館能滿足奧運賽事及世界級單項賽事的要求,可舉辦游泳、花樣游泳、跳水和水球等比賽。
游泳館整體建設及各項設施配置堪與北京的“水立方”相媲美,其電氣化智能設備的技術水平在國內也居于領先地位。泳池水下監控可在比賽、訓練時觀察、記錄和即時回放運動員水下動作;比賽池還安裝有移動終點墻和專為殘疾人運動員設置的電動入水器械等人性化設施。跳水池還設置氣制波和水制波系統,以及國際先進的安全氣墊系統,避免跳水運動員在訓練中意外受傷。
游泳館的水處理系統除配有常規的物理、化學過濾消毒系統凈化水質外,還采用國際上最先進的生物凈化系統,對水質進行無害化處理,環保水平達到國際標準。 2013年6月,第十二屆全運會網球比賽,在大連體育中心網球中心舉行。這是網球中心承辦的首場高標準大賽。
網球場占地面積10萬平方米,總建筑面積4.4萬平方米,包括一個可容納1萬人的網球決賽場地、一座三片場地的室內網球訓練館、二個各容納1000人的半決賽場地、八個預賽場地,六個訓練場地,能夠全天候承擔世界頂級網球賽事。
網球中心的功能配置,不僅可以滿足專業運動隊和運動員在惡劣天氣情況下進行室內訓練的要求,同時考慮全民健身和非正規的室內網球比賽等多方位要求。 棒球場占地面積4萬平方米,建筑面積1900平方米,擁有3015個觀眾座位,能夠承擔國際專業棒球賽事。舉行壘球比賽時,棒球場地可以改造為一個標準壘球場。
棒球場體量小、功能全,實用性強,是一個集競賽、訓練為一體的綜合性棒(壘)球場。 媒體中心占地面積2.2 萬平方米,建筑面積7.8萬平方米,不僅能夠滿足體育中心所有賽事新聞媒體轉播、報道等功能需要,平時作為擁有400個房間的五星級酒店,還具備極強的接待功能。
北京奧運會的鳥巢和水立方采用鋼結構,鋼結構的框架有什么作用?有什么優點?作出解釋。
鋼結構的優點與缺點
和其它材料的結構相比體育館鋼結構工程形式,鋼結構具有以下特點:
一、鋼結構重量輕
鋼結構的容重雖然較大,單與其它建筑材料相比,它的強度卻高很多,因而當承受的荷載和條件相同時,鋼結構要比其它結構輕,便于運輸和安裝,并可跨越更大的跨度。
二、鋼材的塑性和韌性好
塑性好,使鋼結構一般不會因為偶然超載或局部超載而突然斷裂破壞。韌性好,則使鋼結構對動力荷載的適應性較強。鋼材的這些性能對鋼結構的安全可靠提供體育館鋼結構工程形式了充分的保證
三、鋼材更接近于勻質和各向同性體
鋼材的內部組織比較均勻,非常接近勻質和各向同性體,在一定的應力幅度內幾乎是完全彈性的。這些性能和力學計算中的假定比較符合,所以鋼結構的計算結果較符合實際的受力情況。
四、鋼結構制造簡便,易于采用工業化生產,施工安裝周期短
鋼結構由各種型材組成,制作簡便。大量的鋼結構都在專業化的金屬結構制造廠中制造;精確度高。制成的構件運到現場拼裝,采用螺栓連接,且結構輕,故施工方便,施工周期短。此外,已建成的鋼結構也易于拆卸、加固或改造。
五、鋼結構的密封性好
鋼結構的氣密性和水密性較好。
六、鋼結構的耐熱性好,但防火性能差
鋼材耐熱而不耐高溫。隨著溫度的升高,強度就降低。當周圍存在著輻射熱,溫度在150度以上時,就應采取遮擋措施。如果一旦發生火災,結構溫度達到500度以上時,就可能全部瞬時崩潰。為了提高鋼結構的耐火等級,通常都用混凝土或磚把它包裹起來。
七、鋼材易于銹蝕,應采取防護措施
鋼材在潮濕環境中,特別是處于有腐蝕介質的環境中容易銹蝕,必須刷涂料或鍍鋅,而且在使用期間還應定期維護
********************還有體育館鋼結構工程形式你可以參考大空間結構的有點的論文************
一、概 述
在這實際的三維世界里,任何結構物本質上都是空間性質的,只不過出于簡化設計和建造的目的,人們在許多場合把它們分解成一片片平面結構來進行構造和計算。與此同時,無法進行簡單分解的真正意義上的空間體系也始終沒有停止其自身的發展,而且日益顯示出一般平面結構無法比擬的豐富多彩和創造潛力,體現出大自然的美麗和神奇??臻g結構的卓越工作性能不僅僅表現在三維受力,而且還由于它們通過合理的曲面形體來有效抵抗外荷載的作用。當跨度增大時,空間結構就愈能顯示出它們優異的技術經濟性能。事實上,當跨度達到一定程度后,一般平面結構往往已難于成為合理的選擇。從國內外工程實踐來看,大跨度建筑多數采用各種形式的空間結構體系。
近二十余年來,各種類型的大跨空間結構在美、日、歐等發達國家發展很快。建筑物的跨度和規模越來越大,目前,尺度達150m以上的超大規模建筑已非個別;結構形式豐富多彩,采用了許多新材料和新技術,發展了許多新的空間結構形式。例如 1975年建成的美國新奧爾良“超級穹頂”(Superdome),直徑207m,長期被認為是世界上最大的球面網殼;現在這一地位已被1993年建成夏徑為222m的日本福岡體育館所取代,但后者更著名的特點是它的可開合性:它的球形屋蓋由三塊可旋轉的扇形網殼組成,扇形沿圓周導軌移動,體育館即可呈全封閉、開啟1/3或開啟2/3等不同狀態。1983年建成的加拿大卡爾加里體育館采用雙曲拋物面索網屋蓋,其圓形平面直徑135m,它是為1988年冬季奧運會修建的,外形極為美觀,迄今仍是世界上最大的索網結構。70年代以來,由于結構使用織物材料的改進,膜結構或索-膜結構(用索加強的膜結構)獲得了發展,美國建造了許多規模很大的氣承式索-膜結構;1988年東京建成的“后樂園”棒球館,也采用這種結構技術尤為先進,其近似圓形平面的直徑為204m;美國亞特蘭大為1996年奧運會修建的“佐治亞穹頂”(Geogia Dome,1992年建成)采用新穎的整體張拉式索一膜結構,其準橢圓形平面的輪廓尺寸達192mX241m。許多宏偉而富有特色的大跨度建筑已成為當地的象征性標志和著名的人文景觀。
由于經濟和文化發展的需要,人們還在不斷追求覆蓋更大的空間,例如有人設想將整個街區、整個廣場、甚至整個山谷覆蓋起來形成一個可人工控制氣候的人聚環境或休閑環境;為了發掘和保護古代陵墓和重要古跡,也有人設想采用超大跨度結構物將其覆蓋起來形成封閉的環境。目前某些發達國家正在進行尺度為300m以上的超大跨度空間結構的設計方案探討。
可以這樣說,大跨空間結構是最近三十多年來發展最快的結構形式。國際《空間結構》雜志主編馬考夫斯基(Z.S.Makowski)說:在60年代“空間結構還被認為是一種興趣但仍屬陌生的非傳統結構,然而今天已被全世界廣泛接受?!睆慕裉靵砜?,大跨度和超大跨度建筑物及作為其核心的空間結構技術的發展狀況已成為代表一個國家建筑科技水平的重要標志之一。
世界各國為大跨度空間結構的發展投入了大量的研究經費。例如,早在20年前美國土木工程學會曾組織了為期 10年的空間結構研究計劃,投入經費 1550萬美元。同一時期,西德由斯圖加特大學主持組織了一個“大跨度空間結構綜合研究計劃”,每年研究經費100萬馬克以上。這些研究工作為各國大跨度建筑的蓬勃發展奠定了堅實的理論基礎和技術條件。國際殼體和空間結構學會(IASS)每年定期舉行年會和各種學術交流活動,是目前最受歡迎的著名學術團體之一。
體育館鋼結構工程形式我國大跨度空間結構的基礎原來比較薄弱,但隨著國家經濟實力的增強和社會發展的需要,近十余年來也取得了比較迅猛的發展。工程實踐的數量較多,空間結構的類型和形式逐漸趨向多樣化,相應的理論研究和設計技術也逐步完善。以北京亞運會(1990)、哈爾濱冬季亞運會(1996)、上海八運會(1997)的許多體育建筑為代表的一系列大跨空間結構——作為我國建筑科技進步的某種象征在國內外都取得了一定影響。
種種跡象說明,我國雖然尚是一個發展中國家,但由于國大人多,隨著國力的不斷增強,要建造更多更大的體育、休閑、展覽、航空港、機庫等大空間和超大空間建筑物的需求十分旺盛,而且這種需求量在一定程度上可能超過許多發達國家。這是我國空間結構領域面臨的巨大機遇。
但與國際先進水平相比,我國大跨空間結構的發展仍存在一定差距。主要表現在結構形式還比較拘謹,較少大膽創新之作,說明新穎的建筑構思與先進的結構創造之間尚缺乏理想的有機結合,尤其是150m以上的超大跨度空間結構的工程實踐還比較少;結構類型相對地集中于網架和網殼結構,懸索結構用得比較少,而一些有巨大前景的新穎結構形式如膜結構和索-膜結構、整體張拉結構、可開合結構等在國外已有不少成功的工程實踐,在我國則還處于空白或艱難起步階段。情況看來是,我國空間結構的發展經過十余年來在較為平坦的草原上的馳騁之后,似乎遇上了一個需要努力躍上的新臺階。這一新臺階包含材料和生產條件等技術問題,也包含尚未很好解決的一些理論問題。為促進我國空間結構進一步的更高層次的發展,有待科技工作者和企業家努力創造條件,以求得這些技術問題和理論問題較快較好地解決。
大跨空間結構的類型和形式十分豐富多彩,習慣上分為如下這些類型:鋼筋混凝土薄殼結構;平板網架結構;網殼結構;懸索結構;膜結構和索-膜結構;近年來國外用的較多的“索穹頂”(Cable Dome)實際上也是一種特殊形式的索-膜結構;混合結構(Hybrid Structure),通常是柔性構件和剛性構件的聯合應用。
在上述各種空間結構類型中,鋼筋混凝土薄壁結構在50年代后期及60年代前期在我國有所發展,當時建造過一些中等跨度的球面殼、柱面殼、雙曲扁殼和扭殼,在理論研究方面還投入過許多力量,制定了相應的設計規程。但這種結構類型日前應用較少,主要原因可能是施工比較費時費事。平板網架和網殼結構,還包括一些未能單獨歸類的特殊形式,如折板式網架結構、多平面型網架結構、多層多跨框架式網架結構等,總起來可稱為空間網格結構。這類結構在我國發展很快,且持續不衰。懸索結構、膜結構和索-膜結構等柔性體系均以張力來抵抗外荷載的作用,可總稱為張力結構。這類結構富有發展前景。下面按這兩個大類簡要介紹我國空間結構的發展狀況。
二、空間網格結構
網殼結構的出現早于平板網架結構。在國外,傳統的肋環型穹頂已有一百多年歷史,而第一個平板網架是1940年在德國建造的(采用Mero體系)。中國第一批具有現代意義的網殼是在50和60年代建造的,但數量不多。當時柱面網殼大多采用菱形“聯方”網格體系,1956年建成的天津體育館鋼網殼(跨度52m)和l961年同濟大學建成的鋼筋混凝土網殼(跨度40m)可作為典型代表。球面網殼則主要采用助環型體系,1954年建成的重慶人民禮堂半球形穹頂(跨度46.32m)和1967年建成的鄭州體育館圓形鋼屋蓋(跨度64m)習能是僅有的兩個規模較大的球面網殼。自此以后直到80年代初期,網殼結構在我國沒有得到進一步的發展。
相對而言自第一個平板網架(上海師范學院球類房,31.5mx40.5m)于1964年建成以來,網架結構一直保持較好發展勢頭。1967年建成的首都體育館采用斜放正交網架,其矩形平面尺寸為99mx112m,厚6m,采用型鋼構件,高強螺栓連接,用鋼指標65kg每平米(1kg每平米≈9.8pa)。1973年建成的上海萬人體育館采用圓形平面的三向網架凈架110m,厚6m,采用圓鋼管構件和焊接空心球結點,用鋼指標47kg每平米。當時平板網架在國內還是全新的結構形式,這兩個網架規模都比較大,即使從今天來看仍然具有代表性,因而對工程界產生了很大影響。在當時體育館建設需求的激勵下,國內各高校、研究機構和設計部門對這種新結構投入了許多力量,專業的制作和安裝企業也逐漸成長,為這種結構的進一步發展打下了較堅實的基礎。改革開放以來的十多年里是我國空間結構快速發展的黃金時期而平板網架結構就自然地處于捷足先登的優先地位。甚至80年代后期北京為迎接1990年亞運會興建的一批體育建筑中,多數仍采用平板網架結構。在這一時期,網架結構的設計已普遍采用計算機,生產技術也獲得很大進步,開始廣泛采用裝配式的螺栓球結點,大大加快了網架的安裝。
但事物總是存在兩個方面。在平板網架結構一枝獨秀地加快發展的同時,隨著經濟和文化建設需求的擴大和人們對建筑欣賞品位的提高,在設計日益增多的各式各樣大跨度建筑時,設計者越來越感覺到結構形式的選擇余地有限,無法滿足日益發展的對建筑功能和建筑造型多樣化的要求。這種現實需求對網殼結構、懸索結構等多種空間結構形式的發展起了良好的刺激作用。由于網殼結構與網架結構的生產條件相同,國內已具備現成的基礎,因而從80年代后半期起,當相應的理論儲備和設計軟件等條件初步完備,網殼結構就開始了在新的條件下的快速發展。建造數量逐年增加,各種形式的網殼,包括球面網殼、柱面網殼、鞍形網殼(或扭網殼)、雙曲扁網殼和各種異形網殼,以及上述各種網殼的組合形式均得到了應用;還開發了預應力網受、斜拉網殼(用斜拉索加強網殼)等新的結構體系。近幾年來建造了一些規模相當宏大的網殼結構。例如1994年建成的天津體育館采用肋環斜桿型(Schwedler型)雙層球面網殼,其圓形平面凈跨108m,周邊伸出13.5m,網殼厚度3m,采用圓鋼管構件和焊接空心球結點,用鋼指標55kg每平米。1995年建成的黑龍江省速滑館用以覆蓋400m速滑跑道,其巨大的雙層網殼結構由中央柱面殼部分和兩端半球殼部分組成,輪廓尺寸86.2mx191.2m,覆蓋面積達15000平米,網殼厚度2.1m,采用圓鋼管構件和螺栓球結點,用鋼指標50kg每平米。1997年剛建成的長春萬人體育館平面呈桃核形,由肋環型球面網殼切去中央條形部分再拼合而成,體型巨大,如果將外伸支腿計算在內,輪廓尺寸達146mx191.7m,網殼厚度2.8m,其桁架式“網片”的上、下弦和腹桿一律采用方(矩形)鋼管,焊接連接,是我國第一個方鋼管網殼。這一網殼結構的設計方案是由國外提出的,施工圖設計和制作安裝由國內完成。
在網殼結構的應用日益擴大的同時,平板網架結構并未停止其自身的發展。這種目前來看已比較簡單的結構有它自己廣泛的使用范圍,跨度不拘大??;而已近幾年在一些重要領域擴大了應用范圍。例如在機場維修機庫方面,廣州白云機場80m機庫(199年)、成都機場 140m機庫(1995年)、首都機場2Zmx150m機庫(1996年)等大型機庫都采用平板網架結構。這些三邊支承的平板網架規模巨大,且需承受較重的懸掛荷載,常采用較重型的焊接型鋼(或鋼管)結構,有時需采用三層網架;其單位面積用鋼指標可達到一般公用建筑所用網架的一倍或更多。單層工業廠房也是近幾年來平板網架獲得迅速發展的一個重要領域。為便于靈活安排生產工藝,廠房的柱網尺寸有日益擴大的趨向,這時平板網架結構就成為十分經濟適用的理想結構方案。1991年建成的第一汽車制造廠高爾夫轎車安裝車間面積近8萬平米(189.2mx421.6m),柱網21mx12m,采用焊接球結點網架,用鋼指標31kg每平米。該廠房是目前世界上面積最大的平板網架結構。1992年建成的天津無縫鋼管廠加工車間面積為6萬平米(108m x 564m),柱網36m x 18m,采用螺栓球結點網架,用鋼指標32kg每平米,與傳統的平面鋼桁架方案比較,節省了47%。鑒于這類廠房的巨大圓積,它們確實為平板網架結構的發展提供了廣闊的新領域。十分明顯,包括網架和網殼在內的空間網格結構是我國近十余年來發展最快,應用最廣的空間結構類型。這類結構體系整體剛度好,技術經濟指標優越,可提供豐富的建筑造型,因而受到建設者和設計者的喜愛。我國網架企業的蓬勃發展也為這類結構提供了方便的生產條件。據估計,近幾年我國每年建造的網架和網殼結構達800萬平方米建筑面積,相應鋼材用量約20萬t。這么大的數字是任何其它國家無法比擬的,無愧于“網架王國”這一稱號,難怪國外有關企業對這一巨大市場垂涎欲滴。
如此大的發展勢頭自然也會帶采一些問題。與國際水平相比,我國目前網架生產的工藝水平和質量管理水平尚有一定距離。尤其是在市場需求帶動下,大量小型網架企業雨后春筍般成立起來,難免良莠不齊,設計也非總由有經驗人士擔任。因而大力加強行業管理,切實把握住設計制作和安裝質量,是促進我國空間結構進一步健康發展的重要課題。
三、張力結構
中國現代懸索結構的發展始于50年代后期和60年代,北京的工人體育館和杭州的浙江人民體育館是當時的兩個代表作。北京工人體育館建成于1961年,其圓形屋蓋采用車輻式雙層懸索體系,直徑達94m。浙江人民體育館建成于1967年,其屋蓋為橢圓平面,長徑80m,短徑60m.采用雙曲拋物面正交索網結構。
世界上最早的現代懸索屋蓋是美國于1953年建成的Raleigh體育館,采用以兩個斜放的拋物線拱為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。但此后我國懸索結構的發展停頓了較長一段時間,一直到80年代,由于大跨度建筑的發展而提出的對空間結構形式多樣化的要求,這種形式豐富的輕型結構重新引起了人們的熱情,工程實踐的數量有較大增長,應用形式趨于多樣化理論研究也相應地開展起來形勢相當喜人。
柔性的懸索在自然狀態下不僅沒有剛度,其形狀也是不確定的。必須采用敷設重屋面或施加預應力等措施,才能賦予一定的形狀,成為在外荷作用下具有必要剛度和形狀穩定性的結構。值得稱道的是,我國的科技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做了不少嘗試和創新。
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加鋼筋混凝土屋面板的構造方式。施工時先將屋面板掛在索上(使索正好位于板縫中),在板上臨時加載使索伸長,然后在板縫中澆灌細石混凝土,待達到一定強度后卸去臨時荷載,即形成具有一定預應力的“懸掛薄殼”。這種構造和施工方法不需要復雜的技術和設備,造價也比較低。
為了提高單層懸索的形狀穩定性,在單層平行索系上設置橫向加勁梁(或桁架)的辦法也是十分有效的。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根平行的索上;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混合結構體系施工方便,用料經濟,是一種成功的創造。
由一系列承重索和曲率相反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有效形式。其工作機理與預應力索網有類似之處。1966年瑞典工程師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為“索桁架”的專利體系,其后這種平面雙層索系在各國獲得相當廣泛剛用。我國無錫體育館也采用了這種體系。作為對這種體系的改進,吉林滑冰館采用了一種新型的空間雙層索系,它的承重索與穩定索在不同一陣平面內,而是錯開半個柱距,從而創造了新穎的建筑造型,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。
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預應力索網或其它懸索體系組合起來,并設置強大的拱或剛架等結構作為中間支承,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為中間支承的一對鋼筋混凝土拱組合起來的。北京朝陽體育館由兩片索網和被稱為“索拱體系”的中央支承結構組成。中央索拱體系由兩條懸索和兩個鋼拱組成,本身是一種混合結構,其概念也具有創新意義。采用各種組合式屋蓋不僅進一步豐富了建筑造型,而且往往能更好地滿足某些建筑功能上的要求,例如為體育館建筑提供了“最優”的內部空間。單純從技術經濟角度,單片索網或其它懸索體系可以經濟地跨越很大的跨度,本非必須采用中間支承結構。所以,采用組合式屋蓋在很多場合毋寧說主要是出于建筑造型和使用功能方面的考慮。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。
將斜拉體系引用到屋蓋結構中來,可形成一系列混合結構形式。這種體系利用由塔柱頂端伸出的斜拉索為屋蓋的橫跨結構(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。前面提到的斜拉網殼也屬于這類混合結構。
盡管十余年來懸索結構取得了可喜的發展,但與網架和網殼結構比較其發展相對較慢,分析起來可能有兩方面的原因:(1)懸索結構的設計計算理論相對復雜一些,又缺少具有較高商品化程度的實用計算程序,因而難于為一般設計單位普遇采用;(2)盡管懸索結構的施工并不復雜,但一般施工單位對它不夠熟悉,更沒有形成專業的懸索結構施工隊伍,這也影響建設單位和設計單位大膽采用這種結構形式。
與此同時,同屬于張力結構體系、在國外應用很廣的膜結構或索-膜結構在我國則處于艱難起步階段。除了設計理論儲備和生產條件方面的原因外,缺少符合建筑要求的國產膜材是一個主要的制約因素。從國外情況看,1970年大阪萬國博覽會上的美國館采用氣承式膜結構(俗稱充氣結構),首次使用以聚氯乙烯(PVC)為涂層的玻璃纖維織物,受到廣泛注意,其準橢圓平面的軸線尺寸達14Om x 835m,一般認為是第一個現代意義的大跨度膜結構。70年代初杜邦公司開發出以聚四氟乙烯(PTFE,商品名稱Teflon)為涂層的玻璃纖維織物,這種膜材強度高,耐火性、自潔性和耐久性均好,為膜結構的應用起到了積極推動作用。從那時起到1984年,美國建造了一批尺度為138m-235m的體育館,均采用氣承式索-膜結構,取得了極佳的技術經濟效果。但這種結構體系也出現了一些問題,主要是田于意外漏氣或氣壓控制系統不穩定而使屋面下癟,或由于暴風雪天氣在屋面形成局部雪兜而熱空氣融雪系統又效能不足導致屋面下癟甚至事故。這些問題使人們對氣承式膜結構的前途產生懷疑,美國自1985年以后在建造大型體育館時沒有再使用這種結構形式。人們把更多的注意力轉到張拉式的膜結構或索-膜結構。但如前面所提,日本在1988年建成的東京后樂園棒球館仍然采用氣承式索-膜結構,不過應用了極為先進的自動控制技術,而且采用雙層膜結構,中間可通熱空氣融雪;中央計算機自動監測風速、雪壓、室內氣壓、膜和索的變形及內力,并自動選擇最佳方法來控制室內氣壓和消除積雪。
張拉式膜(或索-膜)結構自80年代以來在發達國家獲得極大發展。這種體系與索網結構類似,張緊在剛性或柔性邊緣構件上,或通過特殊構造支承在若干獨立支點上,通過張拉建立預應力,并獲得確定形狀。1985年建成的沙特阿拉伯利雅得體育場外徑288m,其看臺挑蓬由24個連在一起的形狀相同的單支柱帳篷式膜結構單元組成。每個單元懸掛于中央支柱,外緣通過邊緣索張緊在若干獨立的錨固裝置上,內緣則蹦緊在直徑為133m的中央環索上。1993年建成的美國丹佛國際機場候機大廳采用完全封閉的張拉式膜結構平面尺寸305mx67m,由17個連成一排的雙支柱帳篷式單元組成,每個長條形的單元由相距45.7m的兩根支柱撐起。這兩個工程是比較典型的大型張拉式膜結構的例子。另外還有一類骨架支承式膜結構。例如日本秋田縣的“天穹”(Sky dome)是一個切去兩邊的球面穹頂(D=130m),其主要承重結構是一系列平行的格構式鋼拱架,蒙以膜材后,用設在兩拱中間的鋼索向下拉緊,并在屋面上形成V形排水(雪)溝槽。這種骨架是支承式膜結構的例子也是很多的。然而由美國工程師Geiger根據Fuller的張拉集合體(Tensegrity)概念發展起來的所謂“索穹頂”(Cable Dome),也許是近10年來最為膾炙人口的一種新穎張拉體系。Tensegrity原是指由連續的拉桿與分散的壓桿組成的自平衡體系,其指導思想是充分發揮桿件的受拉作用。然而嚴格意義上的Tensegrity體系未能在工程中實現。Geiger進行了適當改造,提出了支承在圓形剛件周邊構件上的預應力拉索-壓桿體系,索沿輻射方向布置,并利用膜材作為屋面,他稱之為“索穹頂”,并首先用于1988年漢城奧運會的兩個體育館工程。美國的Levy進一步發展這種體系,改用聯方形拉索網格,使屋面膜單元呈菱形的雙曲拋物面形狀,并用于1996年亞特蘭大奧運會體育館,其平面呈準橢圓形,尺寸達24lmx192m。這類張拉式索-壓桿-膜體系,重量極輕,安裝方便,在大跨度和超大跨度建筑中極具應用前景。
與世界先進水平相比,中國在膜結構方面的差距是十分明顯的。幾年來在理論研究方面做了不少工作,應該說已建立起一定的理論儲備。在膜結構應用方面近年來也開始呈現比較活潑的勢頭。上海為迎接八運會于1997年建成的體育場其看臺挑篷采用鋼骨架支承的膜結構,總覆蓋面積36100平米,是我國首次在大型建筑上采用膜結構;但所用膜材是進口的,施工安裝也由外國公司進行,價格較昂貴。值得指出的是,中國已出現了專門從事膜結構制作與安裝的企業,他們已興建了幾個較小型的膜結構。國產膜材的質量也正在改進。各種跡象表明,膜結構這一族富有潛力的大跨空間結構新成員在我國的發展已露出桅尖。
四、理論研究
(1)空間結構的應用是同相應的理論研究同步發展的。應該說我們在空間結構理論研究大面做了許多工作。主要研究內容偏重于靜力作用下的結構性狀和分析方法,以滿足一般設計工作的要求為主要目標。這些研究為我國空間結構的發展提供了基本的理論支持。早期的工作偏重于以連續化理論為基礎的各種解析方法的研究,例如平板網架的擬板解法、網殼的擬殼解法;懸索結構在荷載作用下要產生較大位移,因而計算中應考慮幾何非線性,當時發展了一系列適用于不同形式懸索結構的考慮大位移的解析方法。在一段時期內,當計算機尚未廣泛運用于結構計算以前,各種解析方法曾對空間結構的發展起過重要作用,但解析方法終究有其局限性,它們具有不同程度的近似性,而且往往僅適用于某些特定的結構形式。
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