空间钢结构的工程应用发展

李 艳

(太原市建设工程质量监督站，山西太原 030009)

0 引言

进入20世纪以来，空间结构的发展是非常迅速的，不同于平面结构，“空间结构”它被看作是平面结构的深化和扩展，具有三维结构。

建筑采用的混凝土由于受拉性能方面的薄弱，渐渐引入钢筋来提高它的抗拉性能。因此使得各种各样的钢材也被引入到建筑当中来，空间结构也开始使用钢材，构成了所谓的“空间钢结构”，再者钢材品种的增多，以及强度的提升，使得更多的型钢、钢棒、钢管以及铸钢制品也应用于空间结构中。

1 空间结构的发展

中国理论研究和工程应用的结合和发展，使得人们认为中国的空间结构发展保持了一个良好的传统;即人们在做工程的时候，没有盲目的直接进行，必须先通过理论和实验室的研究，认为所做的研究在实际中可以使用时，才会应用到工程中。其次，在工程中发现的新问题，同时也会通过提出新的课题，让学者先去研究，之后应用到工程中。

近几年来，空间钢结构让越来越多的学者(不仅是国内更是国外)投入大量的资金和时间进行研究，我国于1987年还专门制定发布了《网架结构设计与施工规程》来推动钢结构的发展，其次，我国学者在总结已有结果的基础上，对有限元分析方法中的非线性分析进行进一步的研究和改进，使其可以适用于空间构件的研究。总之，中国空间钢结构的发展正在稳步前进。

2 工程应用

近几年来，随着改革开放以及中国加入世贸组织，越来越多的工程是跨国工程，即中国与外国相合作的方式进行。而且有一部分优秀的国外设计师纷纷加入中国的队伍，为当代中国空间钢结构的设计和研究提出了新的想法，因此现在有很多的建筑设计是可以代表先进水平的，处于世界前沿的，中国各种体育赛事的进行以及博览会的顺利开办，有很多是采用了空间钢结构的。

2.1 结构形体的创新

建筑设计中首先要解决的问题是建筑物的外在形体，在近几年的发展中，人们慢慢对建筑物形体的概念从传统的几何形状转变为不规则的形状，广州主体育馆(见图1)，它的屋盖形状不再是平面或者是圆形，是以将圆锥左右对称的两侧各切去同比例的部分搭建而成的。中央屋脊为纵向空间桁架(跨度为160 m)，辐射平面桁架设置在径向沿圆锥的母线上，下端支撑在箱形钢环梁上，其中最长的跨度为55 m，还有很多跨度长度不一，上端连接于纵向空间桁架。环向主檩条在径向析架上弦每隔10 m设置一条。同时在不同部位还设置了径向和环向垂直交叉索与水平交叉索，其目的是为了保证屋盖的整体稳定。

2008 年的北京奥运会主场馆(见图2)，人们称之为“鸟巢”，该建筑物的外观形式比较新颖，而且在空间效果上也极具匠心，其外形为椭圆形，长轴长340 m，短轴为292 m，构成建筑的各个构件相互支持来承受外力荷载，从外面看就像树枝编织而成的“鸟巢”。其中更加奇特的是:一个很大的开口空间(140 mm×70 mm)位于结构的中心部位，这部分的屋盖可人为的开启或者是关闭。空间内环旋转而成的结构是北京奥运会主场馆的主要承重结构。这种结构是一种三维承重体系，便于承载力的传递，在鸟巢这种结构中，具体表现为:结构屋盖的开启所需要的集中荷载可以均匀的传到周边，以使力可以分散开来。

图1 广州主体育馆

图2 国家体育场

在“鸟巢”的附近就是国家的游泳中心——水立方，它的大小为195 mm×195 mm×35 mm，可容纳1.7万人，其外形也受到各国人民的关注，异形网架构成了它的屋面结构。游泳馆的外围机构全部是由“水泡”形成。透明的ETFE充气膜均匀的铺设在网架的内外，使得建筑物晶莹透亮，因此被命名为“水立方”。

中国标志性的建筑现在又多了两个，“鸟巢”和“水立方”，但是却带来了结构设计和施工的困难，比如“水立方”异形网格，其中的杆件和节点都得重新设计，还有就是设计师为了使建筑物像“鸟巢”，非主要构件将屋面划分成大量的不规则的网格，以上的问题都会增加结构设计的困难以及造价。

2.2 预张力的合理运用

空间钢结构中，预张力有非常广泛的应用。预应力是采用张拉设备预先张拉的方式加上去的，张拉后用锚具在量的两端锚死，然后用砂浆灌注使其与梁成为一个整体。用来区别原本不利于受拉的混凝土上施加的预应力。在空间钢结构中，改善结构性能的其中一种方法就是施加预张力，而且不会因为施加预张应力以后而改变它的物理特性。

对空间钢结构施加预张力，有两种不同的施加方式:

1)在建筑物的体外施加。桅杆或塔柱上悬吊斜拉索是它的主要研究对象，它们与下部结构相连，这样可以使跨度变低，提高支点。关于对拉索施加预张力，其目的之一可以使拉索的松弛现象不明显甚至不出现，同时有助于部分抵消外荷载作用下的结构内力和挠度，体现在结构中就是使结构产生了反拱。世界著名的英国千年穹顶(见图3)，它的屋顶是圆形的，直径为320 m，从外面可以看到屋顶上面有12根桅杆(高100 m)，这些桅杆都是穿出屋面的，四圈索桁架和膜屋面被斜拉吊索支撑着。经过研究，平面和立体桁架，网壳以及网架，体育场的挑篷也可以使用这种结构。2)在建筑物的体内施加。网架和网壳主要采用这种方式来承受力。受力杆件为下悬设置拉索来承受，然后施加预张力于拉索，可以显著减少结构的挠度以及增加结构刚度，可以解决一般性的水平推力问题。中国的这种结构比较多，如江苏宿迁市文体馆，一个椭圆形的结构，大小为80 m×62.5 m，采用双曲抛物面网壳形的屋盖结构。短向拱形下弦的圆钢管内设置了钢绞线拉索。这些拉索通过张拉，一方面可以减小支座的水平位移，另一方面可以有效地改变网壳杆件的内力分布。

图3 英国千年穹顶

2.3 结合膜结构的应用

膜结构可以看作是空间结构发展史上最新一代的代表。膜结构材料是性能优良的织物，或将气充入膜中，膜面由空气压力支撑，或是将膜面绷紧，利用柔性钢索或刚性支撑结构，从而形成能够覆盖大跨度空间而且具有一定刚度的结构体系。20世纪70年代以来，全球范围内开始流行膜结构，同时将它应用于各种各样的建筑物中，而且中国也开始关注膜结构，并且取得了一定的成绩。膜结构并不属于任何以前的学科，它是新产生的一门独立学科，但是在实际工程应用当中，它单独使用的可能性不是很大，一般会和钢结构一起被应用在工程中。一个重要的原因是膜结构的跨度大，要想使膜材料受力必须使它附着于刚性支撑结构和柔性钢索。因此，虽说膜结构的发展还不是很成熟，但是它一出现就被列入钢结构，最后，人们慢慢开始认为膜结构属于钢结构范围是不太科学的。由于膜结构和钢材的优点，使得这一种新型的材料成为了当前发展新的方向，将膜材铺设在网架或网壳之类的空间构架上是比较简单的方法，前者仅起围护作用，后者是承重的骨架，通常称之为骨架支承式膜结构。

3 结语

中国经济建设的突飞猛进使得空间钢结构的发展更加的重要，而且也为钢结构的发展提供了机会，同时也带来了挑战。近几年来，中国各种盛会的举办，更为空间钢结构提供了条件，使得中国拥有更多的机遇和挑战，而且要求的形式也是多种多样的，外在形式更加的推崇独创性和适用性，同时对建筑结构设计提出了更高条件的要求。

现今从空间钢结构的发展来看，在之后几年的发展要求空间钢结构的跨度越来越大，网壳结构的尺寸也在逐渐增大，更加需要技术上的支持。同时对于建筑形式的需求也希望是多变的，促使结构工程师在结构设计中要做到结构的创新。总体来说，空间钢结构的发展还是很乐观的，在今后的一段时间里还有更多的发展空间，同时需要更多的人参与。

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