李亞明，賈水鐘，肖 魁

(1 上海建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 200041；2 上海建筑空間結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，上海 200041)

0 引言

近現(xiàn)代以來，空間結(jié)構(gòu)從材料上主要可以分為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋁合金結(jié)構(gòu)、索膜結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)等類型；從結(jié)構(gòu)體系上主要可以分為剛性空間結(jié)構(gòu)、柔性空間結(jié)構(gòu)、剛?cè)嵝越M合空間結(jié)構(gòu)三大類。從國際上看，近代空間結(jié)構(gòu)以20世紀初的薄殼結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和懸索結(jié)構(gòu)為主要代表；20世紀末后為現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)，其主要標志為索膜結(jié)構(gòu)、張拉整體結(jié)構(gòu)、索穹頂結(jié)構(gòu)等的大范圍應(yīng)用。董石麟[1]以組成或集成空間結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件(即板殼單元、梁單元、桿單元、索單元、膜單元)為出發(fā)點,將國內(nèi)外的空間結(jié)構(gòu)按單元組成分類劃分為38 種具體的結(jié)構(gòu)形式。

1 空間結(jié)構(gòu)理論與分析方法

1.1 找形與優(yōu)化

優(yōu)秀的大跨度建筑，往往蘊含著形與力的完美統(tǒng)一。通過建筑形態(tài)與結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一，可以實現(xiàn)力學(xué)邏輯清晰的建筑形式，同時高效的結(jié)構(gòu)形式才能實現(xiàn)輕盈美觀的大跨度建筑效果。

在找形中，首先必須明確如何能夠在結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)力傳導(dǎo)最優(yōu)的幾何形狀。當(dāng)需要設(shè)計一種“用最少材料，實現(xiàn)最大功能”的結(jié)構(gòu)時，最關(guān)鍵的目標是使全部材料能夠充分發(fā)揮其力學(xué)性能。材料的力學(xué)效率可以通過力流優(yōu)化過程來實現(xiàn)。一般而言，對于最簡結(jié)構(gòu)，應(yīng)該盡量避免彎矩的影響，結(jié)構(gòu)構(gòu)件最終承受拉力或者壓力。對于許多材料，其承受拉力的性能更好，這是因為受壓構(gòu)件容易產(chǎn)生穩(wěn)定問題。而且，拉力傳遞荷載更有效率，也更容易實現(xiàn)。但是，僅僅承受拉力的結(jié)構(gòu)很少，現(xiàn)實中很難大規(guī)模地應(yīng)用。所以，在材料高效利用的結(jié)構(gòu)如膜結(jié)構(gòu)、索網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，也需要一些受壓構(gòu)件。因此，一種標準的最簡結(jié)構(gòu)應(yīng)該是受拉構(gòu)件與受壓構(gòu)件的優(yōu)化組合。

目前比較有效的找形方法有動力松馳法、力密度法、圖解靜力法、非線性有限元法等[2-5]。這類方法以結(jié)構(gòu)的合理受力作為優(yōu)化目標，研究空間結(jié)構(gòu)形(幾何形狀)與態(tài)(內(nèi)力分布)兩者的關(guān)系，尋求一種合理、高效的結(jié)構(gòu)形態(tài)和拓撲關(guān)系。針對各類復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)，包括自由曲面結(jié)構(gòu)的形態(tài)優(yōu)化方法，近年來在理論研究和分析工具方面取得了很大進展，并應(yīng)用于各類實際工程，見圖1。

圖1 空間結(jié)構(gòu)找形優(yōu)化工程實例

1.2 穩(wěn)定性研究

對于面內(nèi)受壓為主的空間結(jié)構(gòu)，例如單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性問題是需要重點關(guān)注的，如網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，失穩(wěn)形態(tài)主要為結(jié)構(gòu)表面大范圍的凹陷或凸起，結(jié)構(gòu)表面波浪狀起伏變形等。此外，集中荷載、局部不均勻荷載、局部剛度薄弱等不利因素也可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的局部失穩(wěn)，并進而導(dǎo)致整體網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。經(jīng)過大量的失穩(wěn)機理研究工作和大規(guī)模參數(shù)化分析研究，進行包括初始缺陷、幾何非線性、節(jié)點剛度、彈塑性等因素的數(shù)值分析，以求得臨界荷載，并確定網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計承載能力[6]。在研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 7—2010)等現(xiàn)有技術(shù)標準規(guī)范，在工程分析設(shè)計中得到了較多應(yīng)用，如黑瞎子島植物園溫室、太原植物園溫室，見圖2。

圖2 單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究

1.3 抗風(fēng)設(shè)計研究

對于懸索結(jié)構(gòu)、索膜結(jié)構(gòu)、張拉整體結(jié)構(gòu)、索穹頂結(jié)構(gòu)等柔性空間結(jié)構(gòu)、剛?cè)嵝越M合空間結(jié)構(gòu)，以及輕質(zhì)木空間結(jié)構(gòu)，其通常具有質(zhì)量輕、柔度大、阻尼小、自振頻率低等優(yōu)點。此外，這些結(jié)構(gòu)對風(fēng)荷載十分敏感，且其屋頂形狀大多數(shù)不規(guī)則，繞流和空氣動力作用十分復(fù)雜，所以風(fēng)荷載往往是結(jié)構(gòu)的主要控制荷載。瞬時極值風(fēng)常使屋面局部表面飾物脫落或局部構(gòu)件被掀開，從而致使整個屋面遭受破壞。

對于剛性屋蓋結(jié)構(gòu)，計算其風(fēng)振響應(yīng)時認為能忽略風(fēng)振的動力放大效應(yīng)，可把脈動風(fēng)對結(jié)構(gòu)的作用視為一個準靜力過程來分析，即只考慮背景響應(yīng)部分，共振響應(yīng)可忽略不計；對于非大變形柔性屋蓋結(jié)構(gòu)，由于振動幅度小，結(jié)構(gòu)和來流之間的互相耦合作用可以忽略，但風(fēng)振引起的慣性力不能忽略，即風(fēng)振響應(yīng)同時包括背景響應(yīng)和共振響應(yīng)兩個部分；對于大變形柔性屋蓋結(jié)構(gòu)，振動幅度比較大，所以必須考慮結(jié)構(gòu)和來流之間的互相耦合作用。大變形柔性屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)一般也包括背景響應(yīng)和共振響應(yīng)兩個部分。

目前復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)風(fēng)振研究的主要方法有實地觀測研究、風(fēng)洞試驗研究、數(shù)值模擬研究以及理論分析[7-8]。采用風(fēng)洞試驗研究時，由于實際工程中結(jié)構(gòu)空間跨度很大，無法進行原型試驗，一般采取縮尺模型或節(jié)段進行模擬試驗?？s尺模型試驗需要遵守相似性原理，但在實際操作中由于存在多場耦合效應(yīng)，無法保證試驗?zāi)Ｐ偷乃袇?shù)都滿足相似性原理，往往為了保證主要參數(shù)比例相似，只能以犧牲某些次要參數(shù)影響為代價。CFD數(shù)值模擬分析可以較好地輔助風(fēng)洞試驗，縮短試驗費用及周期；同時可彌補風(fēng)洞試驗中一些局限性問題，比如雷諾數(shù)效應(yīng)的限制、流場細部構(gòu)造的顯示等。因此，對于復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，目前主要采用模型風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，如上海天文館采用此方法，見圖3。

圖3 上海天文館抗風(fēng)研究

1.4 抗震設(shè)計研究

建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計主要有基于承載力設(shè)計和基于性能設(shè)計兩類。對于超長、復(fù)雜大跨度空間結(jié)構(gòu)，需要結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點，對抗震理論進行深入研究和分析，總結(jié)出科學(xué)可行的分析方法。與高層和高聳結(jié)構(gòu)比較，網(wǎng)殼等大跨空間結(jié)構(gòu)的動力性能具有不同特點，例如其頻率分布比較密集，往往從最低階算起前面數(shù)十個振型都可能對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)有影響，因而一般的振型分解法是否適用是一個值得探討的問題；對于大跨空間結(jié)構(gòu)，考慮到地震動傳播過程中時滯效應(yīng)的影響，一般需要采用多維多點地震反應(yīng)時程分析法。首都機場T3 航站樓、北京大興國際機場航站樓(圖4)等大型空間結(jié)構(gòu)項目中，均進行了多維多點地震反應(yīng)研究和分析[9]，形成了較成熟的分析設(shè)計方法。

圖4 北京大興國際機場航站樓

隨著結(jié)構(gòu)形式越來越復(fù)雜、結(jié)構(gòu)跨度越來越大，人們對大跨度結(jié)構(gòu)提出了減隔震和性能化設(shè)計的新需求，使大跨度公共建筑起到應(yīng)急場所作用，提高結(jié)構(gòu)的防連續(xù)倒塌能力。常用的隔震設(shè)計主要包括采用橡膠隔震支座[10]、鉛芯橡膠支座[11]、黏彈性阻尼隔震支座[12]、減震球形鋼支座[13]等。此外，空間結(jié)構(gòu)的消能減震技術(shù)大多采用被動減震控制，常用于空間結(jié)構(gòu)的消能減震器主要有黏滯阻尼器、形狀記憶合金(SMA)復(fù)合阻尼器、調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(TMD)等幾種類型。

2 空間結(jié)構(gòu)體系與新材料

2.1 空間結(jié)構(gòu)體系設(shè)計與應(yīng)用

大跨空間結(jié)構(gòu)的類型和形式豐富，新型空間結(jié)構(gòu)體系仍在不斷地推陳出新，新型空間結(jié)構(gòu)如張力結(jié)構(gòu)與空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)組合的各種雜交結(jié)構(gòu)、張拉整體結(jié)構(gòu)、張弦結(jié)構(gòu)、新型組合薄殼結(jié)構(gòu)、鋁合金網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、現(xiàn)代膠合木與索組合的木穹頂結(jié)構(gòu)等在工程中的應(yīng)用也越來越多。從空間結(jié)構(gòu)的基本形式出發(fā)，以上新型空間結(jié)構(gòu)總體上可分為如下幾種類型：1)鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)和折板結(jié)構(gòu)；2)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；3)張拉整體結(jié)構(gòu)；4)雜交組合結(jié)構(gòu)。

鋼筋混凝土薄壁結(jié)構(gòu)(薄殼、波形拱殼、帶肋殼、折板等)在20世紀50～60年代在我國有所發(fā)展，當(dāng)時建造過一些中等跨度的球面殼、柱面殼、雙曲扁殼和扭殼，并制定了相應(yīng)的設(shè)計規(guī)程。典型工程如20世紀50～60年代我國新疆一個機械廠金工車間，采用跨度60m的球面薄殼結(jié)構(gòu)；1960 年建成的羅馬奧運會大體育館，為跨度100m的球面波形拱殼結(jié)構(gòu)，見圖5?？傮w而言，目前這類鋼筋混凝土薄壁結(jié)構(gòu)應(yīng)用相對較少，其主要原因還是施工建造較為困難，存在模板復(fù)雜、腳手架支撐困難、鋼筋綁扎困難、澆筑質(zhì)量難以控制等問題。

圖5 羅馬奧運會大體育館

按一定規(guī)律布置的桿件、構(gòu)件通過節(jié)點連接而構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)，包括網(wǎng)架、曲面形網(wǎng)殼以及立體桁架等，總體可稱為空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)近三十年來已成為發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的空間結(jié)構(gòu)形式[14]。2007年建成的國家大劇院，屋蓋是一個平面尺寸218m ×146m 、矢高45m 的橢圓形空腹網(wǎng)格的球形網(wǎng)殼，是當(dāng)時全國最大跨度，見圖6。

圖6 國家大劇院

索結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)和索-膜結(jié)構(gòu)等柔性結(jié)構(gòu)體系均以張力來抵抗外荷載的作用，可總稱為全張拉結(jié)構(gòu)。我國1961年建成了北京工人體育館，采用了直徑94m 的車輻式雙層懸索結(jié)構(gòu)；1967年建成了浙江人民體育館，采用了60m×80m 橢圓平面的馬鞍形正交索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。上述兩個懸索結(jié)構(gòu)無論從規(guī)模還是技術(shù)水平上，都達到了當(dāng)時的國際先進水平。隨著大型體育場館的興建，輪輻式索桁架結(jié)構(gòu)被越來越多地用于大型體育場屋蓋。這類結(jié)構(gòu)一般設(shè)計成上凸下凹或上凹下凸的輻射狀車輪式結(jié)構(gòu)，由內(nèi)環(huán)、外環(huán)及聯(lián)系內(nèi)外環(huán)的兩層輻射方向布置的鋼索組成，其中受壓外環(huán)及受拉內(nèi)環(huán)形成自平衡的系統(tǒng)，實際施工中通過張拉承重索、穩(wěn)定索或調(diào)節(jié)撐桿來施加預(yù)應(yīng)力。2010年建成的深圳寶安體育場、2018年建成的蘇州奧林匹克體育中心、棗莊市市民中心二期工程(圖7)等體育場館均采用此類結(jié)構(gòu)形式。

圖7 棗莊市市民中心二期體育場內(nèi)景

結(jié)構(gòu)主體是由剛性構(gòu)件和柔性構(gòu)件組合而成的剛?cè)嵝越M合空間結(jié)構(gòu)，可稱為雜交組合結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)形式主要包括預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架(網(wǎng)殼)、斜拉網(wǎng)架、張弦梁、張弦立體桁架、弦支網(wǎng)殼等。其中，起源于日本的張弦梁結(jié)構(gòu)在我國應(yīng)用較廣，國內(nèi)大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)首推上海浦東國際機場航站樓，最大跨度為82.6m 。由于張弦梁本身是一種自平衡的平面結(jié)構(gòu)體系，不對支座產(chǎn)生水平推力，可減輕下部支承結(jié)構(gòu)負擔(dān)，因此得到了工程師的青睞。類似地，以立體桁架替代張弦梁的上弦梁便形成了張弦立體桁架結(jié)構(gòu)。2008年建成的奧運會國家體育館采用114m×144m 雙向正交的張弦桁架結(jié)構(gòu)。目前在建的合肥會展中心二期采用跨度144m的張弦立體桁架結(jié)構(gòu)，見圖8。

圖8 合肥會展中心二期張弦立體桁架

2.2 空間結(jié)構(gòu)新材料的應(yīng)用研究

傳統(tǒng)大跨度空間結(jié)構(gòu)材料主要是鋼材和混凝土。近代以來的工程應(yīng)用主要以鋼材為主，同時各種新材料的研究和應(yīng)用也在不斷得到推進與推廣，例如高強鋼拉索、鋁合金、膠合木、新型膜材等都在空間結(jié)構(gòu)上得到了很好的應(yīng)用。

2.2.1 鋁合金材料的應(yīng)用

鋁合金材料具有自重輕、耐腐蝕性能好等優(yōu)點，在游泳館和溜冰場等水蒸氣含量較高的體育館，采用鋁合金結(jié)構(gòu)可以很好地抵御水蒸氣的侵蝕，減少后期維護費用。同樣，在石油化工、倉儲等防腐要求較高的大型工業(yè)建筑中，鋁合金網(wǎng)殼也被大量應(yīng)用[15-17]。近些年我國在國外理論技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)并本土化生產(chǎn)了鋁合金空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)專用的Al-Mg-C 鋁合金型材與鉚釘連接的板式節(jié)點。采用工廠標準化生產(chǎn)、現(xiàn)場快速裝配，縮短了施工周期。2010 年上海辰山植物園建造了總面積22 200m2的溫室展覽館，最大單體的平面尺寸為203m×33m，矢高20.5m，見圖9(a)。2015 年南京牛首山佛頂宮小穹頂采用單層橢球面網(wǎng)殼(147m×98m)，大穹頂采用三向網(wǎng)格單層網(wǎng)殼(251m×116m)，最大懸挑53m，當(dāng)時其跨度、單體面積與桿件長度均居世界第一。此外，鋁合金空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在上?？萍拣^、上海天文館、成都中國現(xiàn)代五項賽事中心游泳擊劍館、重慶國際博覽中心、在建的上海世博文化公園溫室等工程中均得到了應(yīng)用。

圖9 空間結(jié)構(gòu)新材料的應(yīng)用

2.2.2 木材的應(yīng)用

木材是一種可再生材料，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑以其環(huán)保、節(jié)能、工業(yè)化裝配、造型美觀等優(yōu)點正受到越來越多的歡迎[18]。木結(jié)構(gòu)主要可以分為膠合木空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和鋼木復(fù)合結(jié)構(gòu)。目前我國的木結(jié)構(gòu)從生產(chǎn)加工到分析、設(shè)計、施工都相對較為落后，對外依存度相對較高。國內(nèi)通過引進技術(shù)也建設(shè)了若干項目，2019年建成的崇明體育訓(xùn)練中心游泳館，采用跨度45m的筒殼，上層木構(gòu)件采用交叉菱形網(wǎng)格，下部拉索形成弦支網(wǎng)殼。建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)外露，不做裝飾吊頂，充分展示了木結(jié)構(gòu)的親和力和溫馨感。2020年建成的太原植物園一期項目，最大的溫室跨度89.5m，結(jié)構(gòu)高度29m。結(jié)構(gòu)采用膠合木網(wǎng)殼，上層為雙向交叉上、下疊放的木梁，下層增設(shè)雙向交叉索網(wǎng)，索網(wǎng)布置方向與木梁斜交，索網(wǎng)和木結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼之間通過拉桿連接形成整個溫室結(jié)構(gòu)體系。該建筑是目前國內(nèi)跨度最大的全木網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，見圖9(b)。

2.2.3 膜結(jié)構(gòu)

膜結(jié)構(gòu)以性能優(yōu)良的織物為材料，通過向膜內(nèi)充氣、由空氣壓力支承膜面，或利用鋼拉索或剛性支撐結(jié)構(gòu)將膜面繃緊，從而形成一定剛度、覆蓋大跨度空間的結(jié)構(gòu)體系[19]。早期工程常用的膜材主要有兩種涂層織物，即P 類(PVC)以及G 類(PTFE)，以2008年北京奧運會國家游泳中心的建成為標志，由乙烯和四氯乙烯共聚物制成的ETFE膜材開始逐漸被國人所熟知和喜愛，并不斷應(yīng)用于工程。2010 年上海世博會，至少有16個建筑，主要是展覽館，采用了各種膜材作為屋蓋或圍護結(jié)構(gòu)。其中，世博軸長廊平面尺寸97m×840m，采用連續(xù)的柔性支承膜結(jié)構(gòu)，通過索系由大道兩側(cè)的桅桿和6個陽光谷網(wǎng)殼支承，見圖9(c)。

3 典型工程實踐案例

3.1 全張拉結(jié)構(gòu)

3.1.1 航海博物館

中國航海博物館因其富于表現(xiàn)的屋面形式而獨具特色。兩個對峙的輕質(zhì)屋面殼體在廣義上表現(xiàn)了海洋這一主題，使人聯(lián)想起航海的風(fēng)帆，構(gòu)成了整個博物館建筑的重要而富有個性的標志，見圖10。

圖10 航海博物館

航海博物館的中央帆體猶如兩張僅在一點上相互接觸的彎曲的風(fēng)帆，大型透明的弧形立面玻璃幕墻將建在兩張風(fēng)帆之間。結(jié)構(gòu)總高度約為58m，每個三角形風(fēng)帆的底部兩支點間間距大約為70m，兩張風(fēng)帆的交叉點也就是立面最高點大約距離地面40m，弧形立面玻璃幕墻各處寬度不等，最寬約24m。中央帆體結(jié)構(gòu)體系可分為主、從結(jié)構(gòu)體系，主結(jié)構(gòu)體系包括三角形截面邊緣箱梁和三鉸拱，從結(jié)構(gòu)體系包括側(cè)幕墻立柱、屋面兩向正交月牙形桁架體系、單層索網(wǎng)體系，航海博物館結(jié)構(gòu)布置示意圖見圖11。

圖11 航海博物館結(jié)構(gòu)布置示意圖

由于單層索網(wǎng)的剛度與帆體鋼網(wǎng)殼的剛度相互影響，必須合理設(shè)計單層索網(wǎng)的預(yù)應(yīng)力形態(tài)，同時滿足建筑形態(tài)、結(jié)構(gòu)安全的雙重要求。綜合建筑要求及索網(wǎng)內(nèi)力均勻度、玻璃翹曲等要求后，選擇建筑師期望的網(wǎng)格形式，并采用“定長索”找形方法進行分析。網(wǎng)格采用兩種協(xié)同找形方法，利用ANSYS的整體協(xié)同找形方法和ANSYS與EASY結(jié)合的整體協(xié)同找形方法。兩種找形方法都考慮帆體鋼網(wǎng)殼、索網(wǎng)的共同作用，反映索網(wǎng)成形過程的協(xié)同作用機理。兩種協(xié)同找形方法的基本原理、思路相同，采用小彈性模量方法實現(xiàn)鋼網(wǎng)殼和索網(wǎng)的整體協(xié)同找形，建立兩組相同的索網(wǎng)系統(tǒng)，通過單元生死實現(xiàn)小彈性模量找形和真實彈性模量找形之間的變換。由于施工條件和設(shè)備的限制，施工中采用分批分步的張拉方法。首先在帆體鋼結(jié)構(gòu)卸載完成后進行掛索，橫向索均按照原長掛在鋼結(jié)構(gòu)兩端，縱索僅上端掛在鋼結(jié)構(gòu)上，縱索下端自由。掛索完成之后，按照鋼索的無應(yīng)力長度將橫向索和縱索用索夾連接，采用索長控制的方法進行施工張拉，以縱索為張拉對象?？v索索長變化分四階段進行控制，每個階段分成兩次張拉，先張拉兩邊縱索，后張拉中間縱索。

通過索網(wǎng)縮尺模型試驗發(fā)現(xiàn)在張拉成形過程中，由于索的不平衡力造成許多索夾產(chǎn)生滑移，導(dǎo)致了索網(wǎng)網(wǎng)格畸變和索力不均勻。由此可見，索網(wǎng)索夾是確保雙曲面索網(wǎng)成形的關(guān)鍵，是關(guān)乎索網(wǎng)成形后索力是否達到設(shè)計要求的重要因素，索夾與玻璃夾具組合實體見圖12。對索夾進行改進，并進行抗滑移承載力試驗。改進后的索夾滿足以下設(shè)計要點：1)索夾同時夾住橫向索和縱索后，當(dāng)索夾相鄰索段索力差在一定范圍內(nèi)時，能保證索與索夾間不發(fā)生滑移；2)因為索網(wǎng)中橫縱索夾角在一定范圍內(nèi)變化，索夾需能自動調(diào)整索間夾角；3)索夾四塊玻璃交接處不在同一個平面內(nèi)，索夾要滿足適應(yīng)玻璃不共面的要求。

圖12 索夾與玻璃夾具組合實體

3.1.2 棗莊市市民中心二期體育場

棗莊市市民中心二期體育場屋蓋罩棚結(jié)構(gòu)平面呈橢圓環(huán)形，長、短軸尺寸分別為256.8m和235.0m。屋面主體索結(jié)構(gòu)采用輪輻式馬鞍形整體張拉索桁架結(jié)構(gòu)體系，由內(nèi)環(huán)、外環(huán)和徑向索組成；外壓環(huán)梁頂標高為30.056～34.823m；內(nèi)環(huán)索頂標高為34.202～38.834m，最高點和最低點高差為4.632m，屋面投影面積為31 000m2。屋面維護結(jié)構(gòu)為張拉PTFE膜結(jié)構(gòu)，屋蓋罩棚結(jié)構(gòu)模型見圖13。主體索結(jié)構(gòu)是對傳統(tǒng)的輪輻式索桁架結(jié)構(gòu)進行改進而形成的全新結(jié)構(gòu)體系，由以下三個部分組成：

圖13 屋蓋罩棚結(jié)構(gòu)模型

(1)內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)。內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)采用索桁架形式，由上、下內(nèi)環(huán)索、剛性撐桿、斜向拉索組成，為受拉狀態(tài)；通過設(shè)置內(nèi)環(huán)斜拉索，控制其長度和預(yù)應(yīng)力分布，一方面可實現(xiàn)建筑馬鞍造型和結(jié)構(gòu)布置的統(tǒng)一，另一方面可提高內(nèi)環(huán)和整體結(jié)構(gòu)的抗扭剛度和整體穩(wěn)定性。

(2)外環(huán)結(jié)構(gòu)。外環(huán)梁為受壓狀態(tài)，采用直徑2m的圓鋼管，并通過鋼斜柱支承在混凝土看臺結(jié)構(gòu)上。

(3)屋面結(jié)構(gòu)。屋面張拉結(jié)構(gòu)體系布置在受拉內(nèi)環(huán)、受壓外環(huán)之間，與內(nèi)、外環(huán)共同形成自平衡結(jié)構(gòu)系統(tǒng)；屋面結(jié)構(gòu)由上弦層徑向交叉索網(wǎng)和下弦層徑向索組成，上下弦之間用拉索連接形成雙層結(jié)構(gòu)體系。采用徑向交叉索網(wǎng)布置，一方面可實現(xiàn)建筑膜屋面造型的靈活多樣，減少次結(jié)構(gòu)布置；另一方面可提高結(jié)構(gòu)在不均勻荷載下的整體剛度和穩(wěn)定性。

由于內(nèi)環(huán)斜拉索的設(shè)置，內(nèi)環(huán)索在索夾兩側(cè)產(chǎn)生較大的不平衡力，因此設(shè)計了自鎖式抗滑移索夾，以承擔(dān)內(nèi)環(huán)索的不平衡力，見圖14。通過索夾試驗和數(shù)值分析，保證了索夾節(jié)點的可靠性，為實現(xiàn)屋蓋整體結(jié)構(gòu)造型和安全提供重要支撐。

圖14 自鎖式抗滑移索夾模型

3.2 鋁合金空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

3.2.1 上海辰山植物園

上海辰山植物園溫室建筑分為三個展廳，展開面積分別約為10 000，7 800，4 800m2。其中，最大的生態(tài)花園展廳長度為204m，結(jié)構(gòu)高度21m，最大跨度34m，見圖15。溫室群的建筑形態(tài)獨特，結(jié)構(gòu)采用弧形的大跨度穹頂，結(jié)構(gòu)形式為單層鋁合金空間網(wǎng)格，覆蓋三角形夾層中空鋼化玻璃。

圖15 上海辰山植物園生態(tài)花園展廳

溫室建筑采用曲面造型，無法通過解析方程式的方法得到節(jié)點坐標。此外，溫室曲面為不可解析曲面，當(dāng)采用三向網(wǎng)格時，建筑要求網(wǎng)格基本為等邊三角形，邊長為1.8m，根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特征進行自由曲面的網(wǎng)格劃分，沿結(jié)構(gòu)的短跨方向每隔1.8m左右布置一次拱(H300×120×8×10)，而每十跨布置一主拱(H300×200×8×10)，在各拱之間布置斜向桿件(H300×120×8×10)，在落地一圈支座之間設(shè)置一環(huán)梁(H300×200×8×10)。為充分發(fā)揮殼體剛度，進行“形體優(yōu)化”，用類似于索網(wǎng)結(jié)構(gòu)找形方式，“尋找”一種曲面，在滿足建筑要求的同時，盡可能優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力。

為減小溫度應(yīng)力的影響，在各單體的中間部位四根拱的兩端落地點設(shè)立固定鉸接支座；其余每根拱(包括主拱和次拱)的兩端落地點沿結(jié)構(gòu)長度方向(X向)設(shè)立單向彈性鉸接支座，彈簧的剛度取為1 000N/mm，其余兩方向線性約束。應(yīng)力和位移分布結(jié)果表明，該支座方案可充分釋放溫度應(yīng)力，達到設(shè)計預(yù)期的應(yīng)力分布和變形模式。

3.2.2 世博文化公園溫室

世博文化公園溫室位于在建的上海世博文化公園內(nèi)，包含主入口游客中心建筑P1、三個溫室(多肉世界館P2、熱帶雨林館P3、云之花園P4)、溫室間走廊、鋼結(jié)構(gòu)桁架，見圖16。其中主入口游客中心建筑地下一層，地上層高11.8m，采用鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)。三個溫室P2，P3，P4結(jié)構(gòu)高度分別為15.0，22.0，19.0m。其中，P2和P3溫室采用異形上弦雙向拉索空間張弦網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，屋頂根據(jù)采光及建筑圓形窗要求形成多邊形鋁合金結(jié)構(gòu)上弦，周邊設(shè)置受壓鋼環(huán)梁與上弦平面?zhèn)鬟f結(jié)構(gòu)水平力，下部設(shè)置雙向拉索形成曲面索網(wǎng)，通過在索網(wǎng)和上弦之間設(shè)置豎向撐桿形成溫室自平衡屋蓋結(jié)構(gòu)。為了找到合理的索網(wǎng)面，首先將溫室平屋面作為初始狀態(tài)，在自重受力模式下進行找形分析，找形分析采用小模量幾何非線性方法，按照最大矢高進行控制找形完成狀態(tài)，經(jīng)過分析最大矢高確定為2.8m，找形后索網(wǎng)理想分布曲面見圖17。得到找形后的曲面，進行網(wǎng)格化，分析屋面找形后主應(yīng)力分布，確定合理的索網(wǎng)布置方向，并在找形后的曲面上進行索網(wǎng)劃分，重新建立計算模型，與上弦鋁合金網(wǎng)格面合并，并設(shè)置豎向撐桿后，采用小模量幾何非線性方法進行索網(wǎng)二次找形分析，將二次找形后的幾何形態(tài)作為初始狀態(tài)進行進一步分析。

圖16 世博文化公園溫室建筑效果圖

圖17 索網(wǎng)理想分布曲面

P4溫室屋蓋由鋁合金構(gòu)件形成多邊形平板網(wǎng)格面，采用“日”字形鋁合金截面桿件，通過合金鋼拉桿懸掛于上部鋼桁架，周邊和中部核心筒區(qū)域支撐于下部鋼柱頂，鋼柱頂均設(shè)置矩形鋼環(huán)梁，屋蓋與柱頂?shù)匿摥h(huán)梁進行鉸接連接。溫室內(nèi)設(shè)置兩個核心筒，核心筒鋼柱之間設(shè)置斜撐。由于結(jié)構(gòu)水平剛度的需求，鋁合金桿件節(jié)點均需要剛接設(shè)計，采用鋁合金板式節(jié)點，典型節(jié)點如圖18所示。

圖18 鋁合金板式節(jié)點構(gòu)造圖

3.3 現(xiàn)代膠合木空間結(jié)構(gòu)

太原植物園一期項目包含1#，2#，3#共三個溫室建筑，內(nèi)部種植熱帶植物、沙生植物，跨度依次為89.5，54，43m。其中，1#溫室結(jié)構(gòu)高度約29m，是目前國內(nèi)最大的膠合木網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。溫室外觀建筑效果為木結(jié)構(gòu)，外圍護為玻璃幕墻，內(nèi)部不設(shè)吊頂。結(jié)構(gòu)采用雙向交叉上、下疊放膠合木梁形成網(wǎng)殼，在縱向木梁對應(yīng)位置下部間隔三根梁增設(shè)雙層木梁進行加強，縱向木梁夾住橫向木梁，其中縱向木梁截面均為200×400，間隔雙層加強，橫向木梁截面均為200×300。為了增加結(jié)構(gòu)整體性和剛度，在網(wǎng)殼下部增設(shè)雙向交叉索網(wǎng)，索網(wǎng)布置方向與木梁斜交，索網(wǎng)和膠合木網(wǎng)殼之間通過拉桿連接形成整個溫室結(jié)構(gòu)體系，見圖19。

圖19 弦支膠合木網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)

膠合木網(wǎng)殼的結(jié)構(gòu)構(gòu)件均為單曲或雙曲型，構(gòu)件加工精度和現(xiàn)場拼接難度高?？紤]到膠合木網(wǎng)殼桿件以軸向受力為主，彎矩和剪力較小，開發(fā)了一種“Z”形拼接節(jié)點(圖20(a))，其特點在于可保證軸向可靠受力，也可承擔(dān)部分彎矩和剪力。避免了傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)桿件連接節(jié)點需要預(yù)留槽口或使用型鋼連接，造成安裝施工耗時、建筑外觀效果不佳等問題。同時，針對疊合木梁，開發(fā)了一種能承受不同方向剪力的疊合搭接節(jié)點(圖20(b))，基本沒有削弱木構(gòu)件力學(xué)性能，并具有施工效率高、不影響建筑外觀等優(yōu)點。

圖20 膠合木連接節(jié)點

膠合木網(wǎng)殼下部通過張拉索網(wǎng)形成弦支結(jié)構(gòu)，拉索施工安裝不能采用兩端張拉方式，針對此設(shè)計了一種新型膠合木-拉索弦支節(jié)點，見圖21。施工初始保證雙向拉索能在過索部件中自由滑動，通過逐點擰緊節(jié)點螺母，將拉索拉向膠合木來施加預(yù)應(yīng)力。再按序逐步張緊螺母并檢測達到設(shè)計張力后，固定過索部件，拉索安裝就位。

圖21 膠合木-拉索弦支節(jié)點

4 結(jié)語

空間結(jié)構(gòu)形式多樣，新分析理論、新結(jié)構(gòu)體系、新材料技術(shù)不斷涌現(xiàn)和發(fā)展。中國已是空間結(jié)構(gòu)大國，建成空間結(jié)構(gòu)項目之多、跨度之大居世界前列，但目前自主技術(shù)創(chuàng)新還相對較少。通過對空間結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)的系統(tǒng)梳理和提煉，和對空間結(jié)構(gòu)設(shè)計與實踐過程中相關(guān)研究成果的總結(jié)，力求為提升我國空間結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論和技術(shù)實踐水平貢獻力量。相信不久的將來，我國完全有能力成為空間結(jié)構(gòu)強國。