浅谈总装分析对大跨空间结构设计的重要性

贾照远

摘 要：在传统方法中，应用于大跨空间结构以及上下部结构当中的单体设计方法，有着很大的安全隐患问题。上部结构刚度对整体结构的作用在传统方法中并不能得到很好的体现，而且对下部结构有限刚度的效应进行了不实际的扩大；这种情况下，很多专家分析了在总装分析整体结构设计传统计算方法中可能出现的问题。分析结果显示，整体结构总装分析的设计理念和设计方法都能够让大跨空间结构的设计具有更加良好的效果。

关键词：总装分析；大跨空间；大跨空间结构；空间结构设计

中图分类号：TU393.3 文献标识码：A 文章编号：1671-3362（2013）09-0016-02

引言

类似会展中心、剧院还有体育馆等大跨度的空间结构，一般都会利用下层的钢筋混凝土结构来支撑上层的大跨空间钢结构，下层对上层部分有支撑又有效应放大作用，而上层能对下层有刚度约束作用，使得整体是一个密不可分的整体。本文着重提出总装分析设计理念，介绍了大跨空间结构的概念、历史发展，利用总装的传统分析方法，即上下单元结构独立分析，将上下层结构作为一个整体进行分析。

1 大跨空间结构的概念判断

大跨空间结构的类型一共有以下几个：网壳结构、膜结构、索膜结构、钢筋混凝土薄壳结构、悬索结构、平板网架结构和混合结构。在20世纪60年代时，我国的钢筋混凝土薄壳结构才刚刚开始有了一定程度的发展，但是因为局限性，并没有得到推广应用，所以，对其进行连续性倒塌的深入研究，没有太大意义。

空间网格结构不止有平板网架结构，还有网壳结构和一些特殊形式的网架结构，这种类型的结构通常都是由标准化尺寸、形状的杆件与节点体系按照某种规律进行相互连接从而构成空间网格状结构。因为在这样的结构当中，很多杆件交集在一个节点上，形成高次超静定结构，所以在某种意义上来说，这种网格结构的冗余度较高，而且还有一定程度的鲁棒性，当中很多重要构件的初选范围可集中在容易发生屈曲失稳的受压杆件和多根重要杆件汇聚处的关键节点上，当这种类型的空间网格结构直接在柱子上进行支撑的时候，完整的支承柱是空间网格结构倒塌设计当中非常重要的一个环节。

2 大跨空间结构的历史发展

最近30a，美国、日本、欧洲等发达国家当中的各种大跨空间结构都有了很大程度的发展。随着越来越多的新建筑采用大跨度空间结构，众多的新型材料与新兴技术都得到了非常广泛的应用，同样，这些应用也促进了更多空间结构形式的出现。从当今建筑行业发展趋势及前景来看，大跨度与超大跨度建筑物以及其代表的核心的空间结构技术地位非凡，已成为评价一个国家建筑科技发展水平的关键标准，成为踏入世界先进水平行列的敲门砖。

众所周知的一些著名建筑就是大跨度建筑，例如，上海世博会、上海八运会（1997）等，都是我国建筑科技进步的一种直观表现与强力象征，在国际上造成了很大的影响力。在20世纪80年代后，我国的各类型大跨空间结构经过发展，已经开始进入协调阶段，相应工程呈现稳定增长的趋势，多样化的结构形式能满足更多需求，配套理论逐渐完善，未来发展前景非常广阔。

形式丰富多彩是许多大跨度空间结构的一个显著特点，因为其结构形体与作为重要指标的受力性能存在着密切的内在关系。所以，理论上认为，结构形式的创新进步，预示着大跨空间结构逐渐发展。

3 大跨空间结构设计的创新

在20世纪80年代以前，我国建筑业发展较小，悬索结构在建筑业方面应用狭窄，工程师大多比较陌生。1983年设计吉林滑冰馆时考虑过采用悬索结构，但实际操作过程中出现了难以解决的问题：柔性的悬索在自然状态下不但刚度不够，而且形状不好确定，因此只有通过下档的手段赋予悬索结构一定的形状和刚度才能达到建筑物所需要的理想效果。让悬索体系形状稳定的方式之一是利用两组相反曲率的索（“承重索”和“张紧索”）相互之间拉紧来组成的预应力双层索系。吉林滑冰馆用的是新型的空间双层索系方案；它的“承重索”与“张紧索”不在同一个竖直平面内，而是相互错开半个柱距，二者之间通过桁架式檩条和波形拉杆相互联系，由此构成了全新的建筑造型，还可以非常巧妙的解决了矩形平面悬索屋盖通常遇到的屋面排水问题。1986年这个全新的结构正式建成，1987年，还被推荐参加在美国举行的“国际先进结构展览”。

4 大跨空间结构设计传统计算方法弊病

传统计算方法面对设计问题的时候，虽然都可以进行计算，但是也有着很多的安全问题，具体是下面几个方面：

4.1 对上下两个部分进行分离开来，单独分别进行复杂的计算

上部分的结构是钢的，在对这样上面的部分进行计算来参与设计时，将上部钢结构在混凝土结构交界面上的支撑点假设为固结或铰接；在对下面的混凝土结构进行设计与计算时，也是类似的手段，把上部钢结构的支座反力作为荷载。采用这样的方法进行计算，最大的问题就是，下部混凝土结构对上部钢结构的支承刚度被夸大为无穷大：支座铰接——平动刚度无穷大，支座刚接——平动、转动刚度无穷大。

4.2 引入下部混凝土结构支座的平动、转动刚度，上部钢结构支承于一系列弹簧支座

应用该方法时，也存在一定的安全隱患，即无法将上部结构刚度对于整体结构所发挥的作用客观而完全的反映出来，与此同时，也无法将下部结构有限刚度对于上部结构的那种放大效应有效的反映出来，不仅如此，还增加了计算的难度。

5 总装分析对大跨空间结构设计的重要性

5.1 上下部结构性能分析

不同的机构有着不同的受力效果与变形效果，这样的情况下，如果采用同样的方式进行计算，得到的结果必然存在着非常大的误差。

通常情况下，将钢结构置于下部混凝土结构之上，后者结构刚度将表现出有限特性，不仅如此，其材料还面临多种问题，如收缩问题、变形问题，对于支座而言，还将面临复杂受力问题而引起的相关变形。因此，应用总装分析这一原理和做法所获得的上部钢结构，无论在控制内力方面，还是在抵御变形方面，均比应用单体钢结构分析这种方法得到的结论更为准确和实用。另外，在单体钢结构的一系列分析之中，无论是对下部混凝土结构的弹性支承，还是对上部钢结构振型以及地震作用效应放大的影响，均无法进行客观而全面的反映。

在分析下部混凝土结构振型、地震作用的效应及其受力等工作的过程中，由于没有考虑上部钢结构的地震作用放大效应，还有刚度贡献，所以，最终结果往往存在一定的误差。

5.2 地震作用分析

通常情况下，上部钢结构屋盖往往位于下部混凝土结构柱、梁顶面之上，如此一来，可实现对地震效应的有效抵抗，当地震力顺着下部混凝土结构向上传递并到达上部钢结构时，具有十分有效的削弱效果。值得一提的是，地震若直接作用于上部钢结构高位支座这一位置处，也就是说基础底面被拉高到钢结构的高位支承面，那么地震作用效应将会受到非常明显的加强，这对于上部钢结构的抗震安全性而言是极为不利的。

5.3 连接界面结构构件安全

下部结构支座刚度的不均匀性带来上部结构的受力不均匀，特别是连接构件的部分更加明显。如果采用单体结构分析，这样的问题就不能得到很好的反应，无法预知的连接界面结构构件的高应力，给安全性造成很大的威胁。

6 连接界面构件总装分析

从地震的作用与温度的作用下，悬索结构和索一膜结构都可以看作是柔性结构体系当中张力结构，这决定了连接界面构件成分的关键性，因为柔性体系的特点决定了这种张力结构本身的自然刚度完全小到可以忽略不计，不管是几何形状还是结构刚度都是通过拉索或膜结构当中的预应力来实现。所以，对于这样的结构，其中任何一根构件，特别是施加预应力的构件都是整体结构的关键构件。与此同时，要在最大程度上保证连接界面构件的安全性。

7 结语

在进行了以上的分析之后，我们可以很清楚的看到，对于上下部结构在重力、风、地震、溫度等的不同种荷载作用下的效应，通过总装分析能得到较为合理与可靠的结果，不止是使结构更加安全，在经费使用方面，也能够进行合理的安排，总装分析的作用非常重要。在现在高速发展的社会当中，很多大型工程当中，都已经成功应用了全新的设计理念和设计方法。

参考文献

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