新型建筑結構體系淺談

申請免費試用、咨詢電話：400-8352-114

 【 論文 關鍵詞】：建筑結構體系；鋼一混凝土混合結構；張拉整體結構；膜結構 

  【論文摘要】：隨著 科學 技術、結構設計理論、高強材料的迅速 發(fā)展 ，為建筑師們提供了豐富的想象空間，同時也為新穎結構體系自寺出現(xiàn)創(chuàng)造了條件。文章主要介紹近年來應用越來越多的幾種新型建筑結構體系。    隨著科學技術、結構設計理論、高強材料的迅速發(fā)展。人們對建筑造型、建筑設計和跨度的要求越來越高。對建筑結構的要求更高。為了解決這些問題，涌現(xiàn)出了一些新的結構體系。包括：鋼一混凝土混合結構、巨型結構體系、張拉整體結構、膜結構等。    1.鋼一混凝土混合結構    鋼一混凝土混合結構是我國目前在高層建筑領域里應用較多的一種結構形式。鋼結構和混凝土結構各有所長，前者具有重量輕、強度高、延性好、施工速度快、建筑物內部凈空高度大等優(yōu)點；而后者剛度大、耗鋼量少、材料費省、防火性能好。綜合利用這兩種結構的優(yōu)點為高層建筑的發(fā)展開辟了一條新途徑。統(tǒng)計分析表明，高層建筑采用鋼一混凝土混合結構的用鋼量約為鋼結構的70％，而施工速度與全鋼結構相當，在綜合考慮施工周期、結構占用使用面積等因索后?；旌辖Y構的綜合 經(jīng)濟 指標優(yōu)于全鋼結構和混凝土結構的綜合經(jīng)濟指標。    鋼一混凝土混合結構最早于1972年用于芝加哥的GatewayI]IBuilding(36層137m)。我國至20世紀80年代才將鋼結構用于高層建筑，目前已建成或在建的高層建筑(約有40余幢)中．有一半以上采用的是鋼一混凝土混合結構，其中的典型建筑是上海金茂大廈。鋼一一混凝土混合結構在高層辦公樓、學校、 醫(yī)院 及住宅等建筑中將有更廣泛的應用。    2.巨型結構體系    巨型結構是由大型構件(巨型梁、巨型柱和巨型支撐)組成的，主結構與常規(guī)結構構件組成的次結構共同工作的一種結構體系。    巨型結構按主要受力體系形式可分為巨型桁架結構、巨型框架結構、巨型懸掛結構和巨型分離式結構；按材料可分為巨型鋼筋混凝土結構、巨型鋼骨混凝土結構、巨型鋼一鋼筋混凝土混合結構及巨型鋼結構。    巨型結構的特點：從平面整體上看。巨型結構的材料使用正好滿足了盡量開展的原則，可以充分發(fā)揮材料性能；從結構角度看，巨型結構是一種超常規(guī)的具有巨大抗側剛度及整體工作性能的大型結構，是一種非常合理的超高層結構形式；從建筑角度看。巨型結構可以滿足許多具有特殊形態(tài)和使用功能的建筑平立面要求。使建筑師們的許多天才想象得以實施。    巨型結構作為高層或超高層建筑的一種嶄新體系。由于其自身的優(yōu)點及特點，已越來越被人們重視，并越來越多地應用于工程實際，是一種很有發(fā)展的結構形式。香港匯豐銀行屬于巨型鋼結構體系。是諾爾曼·福爾特設計的。    3.膜結構    膜結構是張力結構體系的一種，它是用多種高強薄膜材料(常見的有PVC類、PTFE類及有機硅類)及輔助結構(常見的有鋼索、鋼桁架或鋼柱等)通過一定的方式使其內部產生一定的預張應力。并形成應力控制下的某種空間形態(tài)。作為覆蓋結構或建筑物主體，并具有足夠的剛度以抵御外部荷載作用的一種空問結構形式。其中基材織物。主要決定膜材的力學性質。提供材料的抗拉強度、抗撕裂強度等；涂層。主要解決膜材的物理性質，提供材料的耐火、耐久性及防水、自潔性等。    膜結構具有如下特點：①多變的支撐結構和柔性膜材使建筑物造型更加多樣化，新穎美觀。同時體現(xiàn)結構之美。且色彩豐富；膜建筑屋面重量僅為常規(guī)鋼屋面的1／30，這就降低了墻體和基礎的造價，同時膜建筑奇特的造型和夜景效果有明顯的"建筑可識性"和商業(yè)效應，其價格效益比更高；②膜工程中所有加工和制作依設計均可在工廠內完成，在現(xiàn)場只進行安裝作業(yè)，與傳統(tǒng)建筑的施工周期相比，它幾乎要快一倍；③膜材有較高的反射性及較低的光吸收率，并且熱傳導性較低，這極大程度上阻止太陽能進入室內。另外。膜材的半透明性可以充分利用 自然 光；④由于自重輕，膜建筑可以不需要內部支撐面大跨度覆蓋空間，這使人們可以更靈活、更有創(chuàng)意地設計和使用建筑空間。    膜結構由以下三種形式：①充氣式膜結構：通過空氣壓力支撐膜體來覆蓋建筑空間。它形體單一，運用較少；②張拉式膜結構：通過鋼索與膜材共同受力形式穩(wěn)定曲面來覆蓋建筑空間，它是索膜建筑的代表和精華，具有高度的形體可塑性和結構靈活性；③骨架式膜結構：通過自身穩(wěn)定的骨架體系支撐膜體來覆蓋建筑空間，骨架體系決定建筑形體，膜體為覆蓋物。同國際先進水平相比， 中國 在膜結構方面有相當大的差距。但近年來在理論研究方面已做了不少工作。也開始出現(xiàn)一些實際的工程項目。如上海八萬人 體育 場的看臺挑篷是用鋼骨架支承的膜結構。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，設計、施工安裝也由外國公司進行。    4.高效預應力結構體系    高效預應力結構是指用高強度材料、 現(xiàn)代 設計方法和先進的施工工藝建筑起來的預應力結構，是當今技術最先進、用途最廣、最有發(fā)展前途的一種建筑結構型式之一。目前。世界上幾乎所有的高大精尖的土木建筑結構都采用了高效預應力技術，如大型公共建筑、大跨重載 工業(yè) 建筑、高層建筑、大中跨度橋梁、大型特種結構、電視塔、核電站安全殼、海洋平臺等幾乎全部采用了這一技術。    與傳統(tǒng)預應力相結構相比，高效預應力結構具有以下一些特點：①廣泛采用高強度材料：目前國內預應力混凝土結構中常用的混凝土強度等級從CA0～C80。甚至達到C100以上；②按照現(xiàn)代設計理論設計。大大改善了高效預應力結構的抗震性能、正常使用性能等；③近年來開發(fā)了先進的施工工藝為高效預應力結構的大規(guī)模推廣應用提供了技術基礎。如高噸位、大沖程千斤頂?shù)膽煤投喾N錨固體系等；④高效預應力結構適用范圍廣?？蛇m用于大跨和超大跨度以及使用性能高的結構，并可拓展到高層結構轉換層、鋼結構、基礎、路面等結構領域。    近年來。高效預應力技術在我國發(fā)展迅速，已制定專門的預應力結構設計、施工規(guī)程、工程中應用的預應力結構體系也很豐富。典型工程有面積最大的單體預應力工程一首都國際機場新航站樓工程?？梢灶A計，隨著高性能預應力材料(高強混凝土、高強預應力筋、新型纖維塑料筋等)的推廣應用以及結構設計理論和設計的不斷發(fā)展。新型、高效應力結構體系將在我國21lit紀大規(guī)?；窘ㄔO中發(fā)揮越來越大的作用。    5.開合屋蓋結構    開合屋蓋結構是一種在很短時間內部分或全部屋蓋結構可以移動或開合的結構形式，它使建筑物在屋頂開啟和關閉兩個狀態(tài)下都可以使用。它是將屋蓋系統(tǒng)分成若干個可動和固定單元，通過可動單元按一定軌跡移動、轉動，使之各單元之間搭接、迭放來實現(xiàn)屋蓋的開合。    開合屋蓋結構的特點：①將屋蓋開啟使人感覺回歸自然，心情舒暢；②遇有雨雪天氣，可將屋蓋關閉，從而使室內活動不受氣候影響；依據(jù)結構體系，開合屋蓋結構可分為；③柔性結構的索膜和鋼結構膜屋面開合結構；④空間剛性網(wǎng)格屋蓋單元開合結構；⑤可展開的開合結構；⑥氣膜開合結構。 開合屋蓋結構不僅用于 體育 館。而且廣泛用于飛機庫、商場、廠房及需要晾曬的倉儲建筑。到目前為止，世界上面積超過10000m的大型開合屋蓋結構已超過10座。這些大規(guī)模的開合結構的建成產生了非常好的 經(jīng)濟 、社會效益，其應用會越來越廣。    6.張拉整體結構    張拉整體結構是由一組連續(xù)的拉桿和連續(xù)的或不連續(xù)的壓桿組合而成的自應力、自支撐的空間網(wǎng)格結構。其中"不連續(xù)的壓桿"的含義是壓桿的端部互不接觸，即一個節(jié)點上只連接一個壓桿。張拉整體結構是美國建筑師R．B．Fuller首先提出的一種結構思想，他認為宇宙的運行就是按照張拉整體的原理進行的，即萬有引力是一個平衡的張力網(wǎng)。各個星球是這個網(wǎng)中的一個個孤立點。這種結構體系中的索網(wǎng)就相當于宇宙中的萬有引力，獨立的受壓桿。張拉整體結構符合 自然  規(guī)律 ，可以最大限度地利用材料和截面的特性，因而可以用盡量少的鋼材建造超大跨度建筑。    7.折疊結構    折疊結構是將剪式桿單元或伸縮式單元與張力膜融為一體，具有可重復使用，折疊后體積小，便于運輸、施工等特點。    在日常生活中我們常見的折疊帳篷和折疊雨傘都屬于折疊結構。    折疊結構包括折疊網(wǎng)架、折疊穹頂。    8.玻璃結構    玻璃被作為建筑材料用于建筑物已有很長的 歷史 ，但多用于門、窗、采光帶等。近年來隨著玻璃性能的不斷改善，以及人們對玻璃特性認識的不斷深入，玻璃已被越來越多的作為承重材料用于建筑結構。    玻璃結構的特點：①玻璃結構明亮華麗，從采光這個角度上說，是一種節(jié)能結構；②玻璃在力學性能上有點像混凝土，是一種脆性材料，抗壓性能好、抗拉性能差，應力應變關系表現(xiàn)為線性，彈性模最在70GPa～73GPa之間，約為鋼材彈性模量的1，3。鋼化玻璃的抗彎強度高于70MPa，淬火玻璃的抗彎強度則可超過120MPa。甚至可達到200MPa，而玻璃的自重為2500kg／，所以玻璃的強重比要優(yōu)于普通鋼材，玻璃結構能給人一種輕巧的感覺；③玻璃的熱膨脹系數(shù)為9×10～，與鋼材的相近。這使得鋼材和玻璃能夠用于同一結構，發(fā)揮各自特長；④玻璃的耐腐蝕性能很強，可抵抗強酸的侵蝕，因此玻璃結構的防腐費用較低。因此越來越多的建筑師和結構工程師在工程中利用玻璃來實現(xiàn)建筑物更亮、更輕、更美的高科技效果，增強城市的 現(xiàn)代 化氣息。玻璃結構從形式上可分為：全玻璃結構、玻璃一金屬結構。    由于力學上的局限性。玻璃在結構中一般與鋼、鋁等抗粒材料共同工作，應用于全玻璃房屋、幕墻、屋頂、樓梯、雨篷等結構中。    9.結束語    文章主要介紹了幾種新型建筑結構體系。包括：鋼一一混凝土混合結構、巨型結構、張拉整體結構、膜結構、高效預應力結構、開合屋蓋結構、折疊結構和玻璃結構等隨著 科學 技術、結構設計理論、高強材料的迅速 發(fā)展 ，以及人們對建筑造型、建筑設計等的要求越來越高，這些結構體系勢必會越來越廣泛應用于建筑工程中。     參考  文獻     [1]劉錫良.大跨度開合空間結構,鋼結構,1998.    [2]陳麟,張耀春.巨型結構體系及發(fā)展趨勢．哈爾濱 工業(yè) 大學學報，2003.    [3]劉大海，楊翠如.高層建筑結構方案選優(yōu)． 中國 建筑工業(yè)出版社,1996．