全鋼結(jié)構(gòu)——主要采用以下構(gòu)件(structural member),并通過連接(焊接或高強螺栓)組合而成的鋼結(jié)構(gòu)骨架:
型鋼(Steel shapes)、鋼板(Steel plate)或高強鋼絲、鋼絞線等,簡稱S)
鋼管混凝土(Concrete-filled Steel Tubular,簡稱ST·C)
鋼梁+壓型鋼板上現(xiàn)澆砼組合件(Steel-Concrete composite,簡稱S·C)
因此,凡采用帶裂縫工作的砼構(gòu)件(Concrete member),如鋼筋砼RC(Reinforced Concrete)構(gòu)件、部分預(yù)應(yīng)力砼PPC(Partial Prestressed Concrete)構(gòu)件,以及型鋼砼或鋼骨砼RC·S(Steel-Reinforced Concrete)構(gòu)件時,均稱為混合結(jié)構(gòu)。
圖2b所示,屋蓋空間結(jié)構(gòu)是一種由于形狀而產(chǎn)生效益的結(jié)構(gòu),因此它又叫形效結(jié)構(gòu)(Formative Structures)。屋蓋空間結(jié)構(gòu)的三個鮮明特點是(圖3):
1曲面空間狀(曲面按形態(tài)學(xué)、拓樸原理構(gòu)成,有封閉邊緣構(gòu)件)
2軸力結(jié)構(gòu)
3用料很經(jīng)濟
圖3 屋蓋空間結(jié)構(gòu)屋蓋空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計水平是衡量一個國家的力學(xué)基礎(chǔ)理論,應(yīng)用技術(shù)和材料科學(xué)等建筑高科技的標志之一。由于,索結(jié)構(gòu)的剛度是通過施加預(yù)應(yīng)力獲取(剛化),因此,屋蓋柔性空間結(jié)構(gòu)的科技含量最高。圖8a所示美國喬治亞索穹頂(Cable Dome),我在[15]文“大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計與結(jié)構(gòu)哲理”中,稱為準張拉整體(準Tensile Integrity,簡稱Tensegrity)到目前為止,仍然是世界上最先進的屋蓋結(jié)構(gòu)。
表1所示的兩種空間結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新點如圖4所示。
為了加深對結(jié)構(gòu)分類概念的理解,必須嚴格區(qū)分結(jié)構(gòu)(Structure)與構(gòu)件(Structural Member)。圖5所示:平板網(wǎng)架和埃菲爾鐵塔都是由軸力構(gòu)件(Axial Force-Resisting Members)組成的彎矩結(jié)構(gòu),——荷載產(chǎn)生的外彎矩由結(jié)構(gòu)的抵抗彎矩平衡;格柵是彎矩結(jié)構(gòu);二維張弦梁和美國漢考克中心是由壓彎構(gòu)件(Beam-Column Members)和軸力構(gòu)件組成的彎矩結(jié)構(gòu)等。
圖6所示,當(dāng)屋蓋跨度l ≥100時,屋蓋空間結(jié)構(gòu)與屋蓋彎矩結(jié)構(gòu)的用鋼量相差非常大,可見,大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)方案必須向屋蓋空間結(jié)構(gòu)方案的方向靠近才經(jīng)濟。
圖6 屋蓋結(jié)構(gòu)用鋼量與跨度之關(guān)系
二 中、外大型全鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)效率對比
1 高層全鋼結(jié)構(gòu)
圖7a所示,世界高層全鋼結(jié)構(gòu)的前三名都在美國,隨著高層的高度H增加,抗側(cè)力體系的結(jié)構(gòu)方案也在變化(框架→框筒→束筒),而用鋼量卻在減少(206→186.6→161kg/m2),說明科技的巨大作用。其中,世界貿(mào)易中心具有幾個突出特點:① 箱形柱很小,僅450mm×450mm×(7.5mm~12.5mm)[8];② 3根柱子轉(zhuǎn)換為底層1根柱未設(shè)轉(zhuǎn)換層;③ 3層柱1個吊裝單元,用高強螺栓現(xiàn)場拼裝,工期短。
我國CCTV選擇了怪異的框架結(jié)構(gòu)(懸臂75m,圖7b),嚴重違背抗震規(guī)范[1]結(jié)構(gòu)體型的強制性條件,是一個不安全的低水平結(jié)構(gòu)方案,且截面形狀怪異巨大,耗費14.2萬t鋼材,結(jié)構(gòu)延性差,施工極為艱難。
根據(jù)文獻[9]:“設(shè)鋼結(jié)構(gòu)建筑耗鋼為G,建筑物總重為P。結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)秀性與G/P成反比,一般是:優(yōu)秀設(shè)計G/P=0.2~0.3;平庸設(shè)計G/P=0.4~0.5;拙劣設(shè)計G/P=0.6~0.7”。美國世界貿(mào)易中心(圖7a):總重P=40萬t,G=8.4萬t,從而G/P=0.21,屬于優(yōu)秀設(shè)計。
2 大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)
圖8可見,先進國家的大跨度屋蓋采用屋蓋空間結(jié)構(gòu),用鋼量少(圖8 a)。日本茗古屋穹頂,單層球網(wǎng)殼直徑已達D=187.2m[10](鼓型鑄鋼節(jié)點1450,高700mm),而我國規(guī)程[4]規(guī)定:D≤60m,差距太大。
我國幾個大型場館采用屋蓋彎矩結(jié)構(gòu),用鋼量大(圖8b),如國家體育場,即鳥巢(Brid’s Nest),采用平面桁架系結(jié)構(gòu)[18],總耗鋼:4.1875萬t[6]~5.21萬t,即用鋼量710~881kg/m2,理念是“無序就是藝術(shù)”,從而,創(chuàng)造了“用鋼量最大的建筑奇跡”;國家體育館,即水立方(Water Cube),理念為“泡沫”理論,經(jīng)旋轉(zhuǎn)、切割等復(fù)雜計算后成為屋蓋和墻體,創(chuàng)造了“簡單問題復(fù)雜化的建筑奇跡”;深圳大運會體育中心體育場,采用單層折面格柵懸臂彎矩結(jié)構(gòu),橢圓平面:285m×270m,由20個形狀相近的結(jié)構(gòu)單元組成,單元挑出長度51.9m~68.4m,鑄鋼結(jié)點多達7類,總數(shù)7×20個=140個,鑄鋼總重0.42萬t。肩谷結(jié)點最大,外形尺寸:5.4m×4.6m×3.4m(10管相交),壁厚400mm,與鍛打鋼管1400×200對接焊。肩谷單件重98.6 t [12]。屋蓋總重1.8萬t,創(chuàng)造了“荷載傳力路線最長、鑄鋼結(jié)點最大”的世界建筑奇跡。
工程實例①:國家大劇院(圖10a),橢圓平面:212m×143m,結(jié)構(gòu)方案選擇網(wǎng)殼是正確的,但由于
截面尺寸選得太大,用鋼量高達292 kg/m2。根據(jù)1963年美國教授司密斯(Smith M.G)對166個已建大跨度屋蓋(11種)進行回歸分析[24],這種網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)用鋼量不超過80 kg/m2(圖10);工程實例②:某房屋的一個結(jié)構(gòu)跨度L=45.6m,選擇用預(yù)應(yīng)力鋼桁架方案是正確的,但桁架高度H選8m就大錯特錯了,合理桁架高度3m即可。可見,設(shè)計是硬道理,“硬”設(shè)計就沒有道理!硬道理在哪里?就是結(jié)構(gòu)工程師要利用力學(xué)功底和結(jié)構(gòu)理論正確選擇結(jié)構(gòu)方案,并在上計算機前,合理估計構(gòu)件截面尺寸。否則,所謂的優(yōu)化是無大用的!
20多年來,我與我的團隊對大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)和高層建筑結(jié)構(gòu)進行了比較系統(tǒng)的研究,并設(shè)計了不少工程項目,總結(jié)并提出了一些設(shè)計理念,如表3所示,希望從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的同仁們批評指正。
參考文獻
[1] 中國建設(shè)部,建筑抗震設(shè)計規(guī)范(GB 500 11-2010),中國建筑工業(yè)出版社,2010年12月1日
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