大跨度空间钢结构的结构形式浅析

常汝铜

【摘要】大跨空间钢结构是目前发展最快的结构类型，本文通过对大跨度空间钢结构几种主要形式：网架结构、空间网壳、张力结构的分析和讨论，通过几个大跨度空间钢结构的工程实例，讨论大跨度空间钢结构各种结构形式力学模型以及优缺点。

【关键词】大跨度；空間网架；张力结构；膜结构

空间结构是指具有不宜分解为平面结构体系的三位形体，具有三维受力特征，在荷载作用下成空间工作的结构。其主要的结构类型有：平面网架、网壳结构和张力结构。世界各国为大跨度空间结构的发展投入了大量的研究经费。这些研究工作为各国大跨度建筑的蓬勃发展奠定了坚实的理论基础和技术条件。

1、结构形式

1.1网架结构

由多根杆件按照一定的网格形式通过节点连结而成的空间结构，具有空间受力、重量轻、刚度大、抗震性能好等优点：可用作体育馆、影剧院、展览厅、候车厅、体育场看台雨篷、飞机库、双向大柱距车间等建筑的屋盖。缺点是汇交于节点上的杆件数量较多，制作安装较平面结构复杂。

1.2网壳结构

网壳结构是一种与平板网架类似的空间杆系结构，系以杆件为基础，按一定规律组成网格，按壳体结构布置的空间构架，它兼具杆系和壳体的性质。其传力特点主要是通过壳内两个方向的拉力、压力或剪力逐点传力。

网壳结构主要应对使用阶段的外荷载（包括竖向和水平向）进行内力和位移计算，对单层网壳通常要进行稳定性计算，并据此进行杆件设计。此外，对地震、温度变化、支座沉降及施工安装荷载，应根据具体情况进行内力、位移计算。

1.2.1强度、刚度分析

网壳结构的内力和位移可按弹性阶段进行计算。网壳结构根据网壳类型、节点构造，设计阶段可分别选用不同的方法进行内力、位移计算：双层网壳宜采用空间杆系有限元法进行计算；单层网壳宜采用空间梁系有限元法进行计算；对单、双层网壳在进行方案选择和初步设计时可采用拟壳分析法进行估算。

1.2.2稳定性分析

网壳的稳定性可按考虑几何非线性的有限元分析方法（荷载认一位移全过程分析）进行计算，分析中可假定材料保持为线弹性。用非线性理论分析网壳稳定性时，一般采用空间杆系非线性有限元法，关键是临界荷载的确定。单层网壳宜采用空间梁系有限元法进行计算。

1.2.3抗震分析

设防烈度为7度的地区，网壳结构可不进行竖向抗震计算，但必须进行水平抗震计算。在设防烈度为8度、9度地区必须进行网壳结构水平与竖向抗震计算。

1.3张力结构

在传统结构中，结构是从几何和材料中获取刚度的，这种主要从几何和材料中获取刚度的结构就是所谓的刚性结构。而张力结构则不然，它是主要从满足一定拓扑关系的几何构造中通过预应力过程来获取刚度，从而使结构具有承载能力。由此可见，张力结构要求设计，分析与施工紧密配合，这点也是和传统刚性结构有所区别的。张力结构体系最重要的环节就是预应力过程。因此，在张力结构中，预应力过程与传统结构中的某个或者某部分构件的预应力张拉过程有很大的区别。

1.3.1悬索结构

悬索结构按受力特点，一般可分成单层悬索体系、双层悬索体系、索网结构、张弦梁、组合悬索结构及斜拉结构等类型。

（1）单层悬索体系：单层悬索体系根据索的布置方式分为平行布置方式、辐射布置方式和网状布置方式。平行布置方式即单向索系结构，它由许多平行单根拉索组成，拉索之间可以设置横向加劲构件，拉索两端悬挂在稳定的支承结构上，也可设置专门的锚索或端部的水平结构来承受悬索的拉力。

（2）双层悬索体系：双层悬索结构由下凹的承重索、上凸的稳定索及它们之间的连系杆组成。每对承重索和稳定索一般位于同一竖平面内，二者之间通过受拉钢索或受压撑杆连系，构成索桁架，其工作机理与预应力索网有类似之处。双层索系的布置也有平行布置、辐射式布置和网状布置三种形式。平行布置的双层索系多用于矩形、多边形建筑平面，并可用于单跨、两跨及两跨以上。辐射及网状布置形式适用于圆形或椭圆形建筑平面。

（3）索网结构：索网结构通常由两组相互正交、曲率相反的钢索直接交叠组成，形成负高斯曲率的曲面，又称为鞍形索网。索网结构的成功与否取决于预应力作用下索系边缘支承结构能否形成自平衡体系。索网结构效率高，经济性能佳，极大推动了张力结构的发展和应用，并且发展和演变了很多其他结构型式，如帐篷结构和膜结构。

（4）张弦梁结构：张弦梁结构是最近几年发展起来的大跨度钢结构，用于屋盖结构、楼层结构及墙体结构。张弦梁结构使压弯构件和抗拉构件取长补短，协同工作，成为受力合理、制造运输方便、施工简单的自平衡体系，是具有良好的应用价值和前景的新型屋面结构。

（5）组合悬索结构：满足建筑功能和建筑造型的需要，将两个或两个以上的悬索体系（索网、单层索系、双层索系等）和强大的中间支承结构组合在一起，可形成形式各异的组合悬索结构。中央的支承结构负担很重，因此多采用刚度大、受力合理的拱、刚架、索拱体系等结构形式，个别的也有采用由粗大的钢缆绳组成的钢索。适用于各种跨度的屋面结构体系和不同几何外形的屋面形式。

（6）斜拉结构：斜拉结构是由单索体系发展而来的，可以看做是一种采用自成体系的刚性结构来处理单索的稳定问题。最初斜拉结构用于斜拉桥，在以后的发展中又出现了斜拉梁、板结构、斜拉桁架协同工作，并发展了各自结构上的优势。

1.3.2张力集成体系

张力集成体系由一系列集成单元组成，最大的优点是张力集成。常见的空间结构如网架是由一些基本结构单元组成，这些单元由铰接杆或刚接杆构成，但集成单元是由杆元和索元构成，是一种功能元件的组合和集成。张力集成体系的基本特点是最大限度地處于连续张力状态，而压杆只是极少数的杆件。目前工程中的应用主要是索穹顶结构和平板型张力集成体系（索网架）。

结语：

我国大跨度空间结构的基础原来比较薄弱，但随着国家经济实力的增强和社会发展的需要，近十余年来也取得了比较迅猛的进步，期待未来卓越的发展！