新型大跨空间结构形式拱支网壳结构体系

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1、第2卷第4期堂闭蛄构1996年11月新型大跨空间结构形式——拱支网壳结构体系沈祖炎李元齐(同济太学)’摘要拱支同壳蛄构休秉悬在蟑合了一壳(同幕)夏拱蛄构午的优点的基础上，柏甚出的一种新型天跨空问蛄构形置．本文首先论述1馥蛄构形置的合理性，井兢拱蛄构与不同曲率的日壳蛄构的告理组合形式作了杯讨，同时提出了车用拱支一壳蛄构形成可开夸蛄构的几种形式．最后择要介鳍了拱支同壳蛄柏休系的研究现状，井提出目前在研览饿蛄构彤置中存在的主喜问遛．关键词拱支同壳蛄构休系可开音蛄构杂吏蛄构一、概述近几十年来，随着人们在体育、展览、文娱等活动的急剧增长和新材料、新技术的不断涌现，多种空间结构形式，诸如网架

2、、网壳、悬索、薄壳等都得到了广泛的应用和飞速的发展。与此同时，人们对空间结构的要求也越来越高。如要求其覆盖跨度有所突破t形成大跨、超大跨乃至巨型空间结构l要求其不固定于封闭的室内环境，而希望在需要的时候打开屋顶，即所谓可开合结构}要求其外形优美、多样化等等。单一类型的结构形式在跨度增大时，其不足之处越来越明显．经济性显著下降，甚至成为不可能。正因为如此，由不同类型的结构形式组合而戚的杂交结构(hybridstructure)成为目前大跨空间结构研究中的新方向。其最大的优点就是充分利用某种类型结构的长处来抵消另一种与之组合的结构的短处，使得每一种单一类型的空间结构形式及其材料均能发

3、挥最大的潜力，从而改善整个结构体系的受力性能，进一步增大空间结构所能达到的覆盖跨度，同时丰富大跨空间结构的形式．大跨拱支网壳空间结构正是根据这一思想，在综合了网壳(网架)及拱结构等的优点的基础之上构思出的一种新型杂交结构形式。二、拱支网壳结构体系的合理性网壳是一种造型新颖多样、型体受力合理的曲面型网格结构形式．兼有杆系结构和薄壳结构的固有特性。其中，单层网壳结构施工方便，具有较好的经挤性t但这种结构形式对缺陷是敏文稿收到日]明1996．6．21．感的，稳定性是其设计的控制因素。结构中个别杆件的破坏或者某个局部的失稳塌陷，将以动态波的形式波及整个结构而导致结构的倒塌破坏。而且，随着

4、跨度的增加．缺陷敏感性及稳定问题将变得非常复杂，材料的利用率下降很快。目前，单层网壳结构的使用跨度主要在50m左右，lOOm以下。双层网壳结构具有较好的整悻刚度，对缺陷的影响并不敏感，但这种结构形式施工复杂、用钢指标及工程造价均较高。美国新奥尔良超级穹顶是目前国际上跨度最大的双层网壳结构，平面直径207m．网壳厚2．2m．用钢指标高达126kg／m。拱结构主要受压．特别适用于抗压强度较抗拉强度大许多的材料所构成的结构．相对而言，当结构跨度超过8O～lOOm时，经济效果尤为明显。同时，拱结构具有优美的外观，所形成的整体刚度较好。但这种结构形式具有较大的支座推力。拱支网壳结构利用拱结

5、构具有整体刚度大、稳定性好的特点，改善了网壳结构的整体性能，使之兼有单层和双层网壳结构的优点。由于拱结构的作用，整体单层网壳就披划分为若干小的单层网壳区段，从而使网壳结构的整体稳定问题转化为局部区段的稳定性问题}部分杆的破坏或局部区段的失稳塌陷将较小甚至不会波及整个结构；网壳结构对缺陷的敏感程度得以下降。同时，冈壳结构对拱结构的稳定也有所帮助。因而增强了结构的整体性能，使得两种结构形式能够充分发挥各自的潜力，从而提高了整个结构的承载能力及材料强度的利用率，达到增大结构跨度同时叉获得较高经济效益的目的。目前，人们对于可开合结构越来越感兴趣。在拱支网壳结构体系中，通过对拱结构的合理布

6、置，利用拱结构作为导轨，可构成新型的可开台结构体系，以满足人们的需求。三、拱支网壳结构体系的合理组合形式拱结构与网壳结构的组合主要考虑建筑和使用的要求、网壳的曲面类型及其稳定分析结果。拱的形式有钢筋混凝土拱、钢实腹拱、钢格掏拱(包括空闻桁架拱)等。拱结构产生的推力可依靠布置相应的拉索(杆)加以抵消。以下分不同的网壳曲面类型来考虑具有代表性的拱、网壳结构的台理组合形式。1．拱支柱面网壳图l～3给出了几种拱结构在柱面网壳中的布置方式。按图示三种形式为基础，还可以形成多跨连续的拱支网壳结构。在已建成的少数拱支网壳结构中，拱．柱面网壳是主要的杂交形式-如同济大学大礼堂是采用类似图3的拱支

7、钢筋混凝土单层联方网壳结构形式，上海石化附图1柱顶平行布置拱结构图2柱顶交叉布置拱结构圉3平行拱主撑用壳结构26中体育馆和黑龙江省展览馆是采用类似图1的拱支单层柱面网壳结构形式。2．拱支球面网壳及其它正高斯曲率网壳图4～8给出了几种拱结构在这类网壳中的布置方式．在这些结构中，拱的推力可通过埋于地下的拉索(杆)或拱底环向预应力梁或利用附属结构(如体育馆的看台)形成太支座加以抵消。图4是珠海体育馆所采用的空间桁架拱支双层网壳的结构形式。、圈4珠海体育馆的空目圈5垂直正交拱利用圈6垂直