新型混凝土空间网格结构的发展现状及工程实践

张华刚，张 钰，卢亚琴,杨娇娇，孙仁中，马克俭

(1．贵州大学 空间结构研究中心，贵州 贵阳 550025；2．贵州省结构工程重点实验室，贵州 贵阳 550025；3．重庆大学 土木工程学院，重庆 400044)

古代大跨度结构主要是由砖、石砌筑而成的拱式结构及穹顶结构[1]，1824年波特兰水泥(Portland cement)的发明及随后混凝土在建筑工程中的应用，推动了薄壳结构的发展[2]。我国在上世纪60年代前后建造了一些薄壳结构的典型工程[3]，但施工木模的缺乏及其制作复杂限制了薄壳结构的应用。到上世纪80年代前后，钢管和角钢的大量应用使钢网架和网壳得到了快速发展，由于自重轻、施工速度快，这类钢网格结构至今也是工程技术人员在应用时首选的大跨度结构。虽然现代工程中少见混凝土壳体，但混凝土良好的耐久性、耐火性和防渗性有效降低了建筑的维护成本，使混凝土空间结构的研究及应用工作并未停止[4-5]，因此有必要系统梳理其发展现状，为工程结构的创新拓展思路[6]。

混凝土空间结构的形式较多，按形状可分为平板形和曲面形两种，本文主要介绍其中新型空间网格结构的发展现状及其工程实践，为大跨度混凝土结构的选型及其工程应用提供参考。

1 平板形混凝土空间网格结构

对于混凝土平板，除了采用预应力技术来降低弯曲效应的影响外[7]，还可从构造上采取措施来达到同样的效果，由此衍生了一些新型平板形混凝土空间网格结构。

1.1 密肋楼盖

混凝土板的内力以弯曲内力为主，其中的剪力由板的自身截面来抵抗，而弯矩在截面上造成的拉、压应力则分别由受拉钢筋和受压区混凝土承担。因为荷载与弯曲内力成正比，故减轻自重是降低板弯曲效应影响的有效措施。当按网格大幅度挖空板底的混凝土时，可得到图1所示的密肋楼盖结构。因为削弱了楼盖的刚度，使得密肋楼盖的总厚度要大于实心板厚度，且剪力需要肋梁的剪压区截面及抗剪钢筋来共同承担，故此时的结构事实上是交叉梁系板架。我国较早就开始了密肋楼盖的研究和应用工作，早期的模板以木模为主，或者在肋间充填空心砖为模板[2]，以后过渡到钢模，至上世纪90年代前后，可周转使用的塑料模壳及预应力技术的应用有效推动了密肋楼盖的发展[8]。

图1 密肋楼盖Fig.1 Multi-ribbed plate

近年来出现的若干填埋式薄壁模盒，降低了密肋楼盖的施工难度。山东聊城市地税局办公楼会议厅15.8 m跨度屋盖的密肋板，就采用了填埋塑料薄壁模盒，工程情况如图2所示[9]。楼盖厚度为0.28 m，在周边做了1 m宽0.4 m厚的实心板带过渡后，支承在截面尺寸为0.4 m×0.8 m的框架梁上，薄壁模盒的名义尺寸为0.4 m×0.4 m×0.18 m， 肋间距较小，使楼盖的受力性能更接近平板。当填埋的模盒具有足够强度，又与混凝土可靠连接时，是可参与楼盖共同工作的。杨伟军等[10]用普通密肋楼盖进行的对比试验表明，模盒在一定程度上增大了楼盖的刚度和极限承载力，但此时需要模盒具有稳定的力学性能，否则极易导致工程质量事故。

图2 聊城市地税局办公楼会议厅屋盖工程 图3 瓮福集团职工宿舍Fig.2 Roof engineering of conference hall in Fig.3 Staff residence in Wengfu GroupLiaocheng Local Tax Bureau Office Building

当模盒仅用于楼盖混凝土施工成形时，其制作材料是很多的。图3所示的瓮福集团马场坪磷酸厂职工宿舍，密肋楼盖的每个网格内充填了4个用改性后的磷石膏制作成的模盒[11-12]；在小开间混合结构中，则可采用图4(c)所示的预制填充模块嵌入密肋楼盖底，已被成功应用于遵义市鸭溪镇和洪关乡的农房中[12]。

图4 遵义市农房Fig.4 Rural residential in Zunyi City

1.2 现浇圆孔空心楼盖

混凝土空心板采用预制抽芯方式成形时，上世纪在砌体结构中得到了大量应用，楼板在垂直于孔向的两端支承而按简支梁计算[13]。当将制作好的空心管单向填埋在现浇混凝土板内时，楼盖构造如图5所示。由于此时周边支承，楼盖两个方向的受力性质分别类似于密肋楼盖和空腹桁架结构[14-15]，因此这种现浇圆孔空心楼盖被称为构造上的正交异性板[16]，可用于大开间灵活隔断建筑中。

图5 现浇圆孔空心楼盖构造Fig.5 Construction of cast-in-place round-hole hollow plate

布管方向对现浇空心楼盖荷载的传递、内力及挠度分布等均有明显影响。在矩形柱网中，当沿短跨布管时，楼盖传至四边的荷载和两向梁的内力差值均小于长跨布管的情况，这有利于框架梁的设计和楼盖的挠度控制，但当柱网的长、短边之比大于1.5时，楼盖在两个方向的正(负)弯矩差值较大，因此布管方向的选择应结合楼盖混凝土浇筑的难易程度、经济性等影响因素来综合确定[17]。现浇混凝土圆孔空心楼盖可按抗弯刚度等效原则折算为密肋楼盖计算内力和控制刚度[18]，结构具有较好的技术经济性[19]。图6(a)所示的贵阳贸易大厦用钢量为51 kg/m2，而图6(b)所示的国电贵阳勘测设计院办公楼，其用钢量则为48 kg/m2。

(a)贵阳贸易大厦 (b)国电贵阳勘测设计院办公楼图6 现浇圆孔空心楼盖工程Fig.6 Engineering of cast-in-place round-hole hollow plate

1.3 空腹夹层板楼盖

图7 空腹夹层板构造Fig.7 Construction of open-web sandwich plate

图8 贵州铝厂温水游泳馆Fig.8 Warm water natatorium in Guizhou Aluminum Factory

(a)建筑立面 (b)建筑室内图9 贵州省老年大学综合馆Fig.9 Comprehensive building in Guizhou Agedness University

虽然挖空中性层附近的混凝土使得空腹夹层板的平面刚度要低于密肋楼盖，但试验研究表明，这几乎不影响结构计算的楼盖平面无限刚假定[26]。对于抗弯性能分析，在抽取计算简图时，很容易将空腹夹层板按空腹网架对待。事实上，剪力键具有块体受力性能，从而使上下肋的局部弯矩较小，肋的节间变形是明显区别于空腹网架的[27]，这也是目前在计算空腹夹层板内力时，将密肋梁的整体弯曲内力乘以放大系数后，转化为上下肋轴力进行工程设计的原因[28]。

1.4 空腹网架

组合网架可用作大跨度楼盖，1990年前后在我国有所应用，但结构高度较高，且钢结构部分的防锈和防火维护较为繁琐[29]，因此伴随组合网架的研究，马克俭等[30]逐渐开展了混凝土空腹网架的研究和应用工作。空腹网架可理解为框架横置后编织而成的空间结构，外形与空腹夹层板具有相似性，但结构高度远大于空腹夹层板的结构高度，因此腹杆处于偏心受力状态，即局部弯矩对空腹网架杆件受力性能的影响是不容忽视的，这是空腹网架与空腹夹层板的最大不同之处。

相比于钢网架，混凝土空腹网架具有更好的适应性。图10为2020年回访的、建于1987年的安顺市体育局训练馆使用情况，历经30余年而结构完好如初。2013年落成的淮阳县文化艺术中心剧院22.4 m跨屋盖，经方案对比后也采用了空腹网架结构[31]。当空腹网架的结构高度与建筑层高一致时，在多(高)层建筑中可隔层获得大跨度使用空间，肖南等[32]称其为跳层空腹网架结构，需要注意结构的层间剪切刚度突变问题，否则易使楼层的受剪承载力突变，这对结构抗震是不利的。

(a)建筑立面 (b)室内网格图10 安顺市体育局训练馆Fig.10 Gymnasium of Anshun Sports Bureau

2 曲面形混凝土空间网格结构

混凝土壳体施工复杂是不争的事实，施工技术的改进已成为影响其能否继续推广使用的关键因素。上世纪80年代前后采取的措施主要是装配式施工[33]，并修建了同济大学大礼堂[34]、乌鲁木齐机库[35]等代表性工程，其中同济大学大礼堂进行简单维护后至今仍在使用[36]。近年来，为降低混凝土壳体结构的施工难度，又陆续出现了若干曲面形空间网格结构。

2.1 组合薄壳

在如图11所示的钢壳内浇筑混凝土，滕锦光等[37]提出了钢底壳-混凝土壳组合薄壳结构。因为钢底壳既是混凝土浇筑的模板，也是结构的受力构件，因此施工阶段钢底壳的承载力及稳定问题至关重要[38-39]。此外，螺栓除连接卷边钢壳外，还用于协调钢底壳与混凝土壳的共同工作性能，这会成为影响组合薄壳极限承载力的控制因素[40]。江西新余市广电中心演播大厅25 m跨度的屋盖采用了这种结构，不同之处在于钢底壳卷边后的钢肋由螺栓夹接在另设钢肋上，这相当于将结构演化成了加劲组合壳，结构施工较为方便[41]。工程情况如图12所示。

图11 钢底模示意图Fig.11 Diagram of bottom steel formwork

图12 新余市广电中心组合球面扁壳Fig.12 Xinyu Broadcast-TV Center composite spherical shallow shell

2.2 组合网壳

薄壳加肋可显著提高其稳定性和承载力，此时的带肋壳事实上是单层网壳，这在现代工程中仍有应用[42-43]。当跨度较大而使肋上应力水平较高时，采用钢-混凝土组合肋是改善结构受力性能的有效措施[44-45]。

上世纪90年代，还出现了将单层钢网壳与混凝土带肋壳结合使用的单层组合网壳结构，并应用了10余项工程[46]。图13为这种结构在山西潞安矿务局常村矿洗煤厂圆锥台煤场34.1 m跨顶盖中应用的结构构造[47]，图14为其在珠海某表演场67.8 m跨屋盖中的应用情况[48]。单层钢网壳是预制混凝土带肋壳安装时的支撑，只有两者连接可靠后才能共同工作，因此与钢底壳-混凝土壳组合薄壳类似，应注重施工阶段单层钢网壳的承载力及稳定性能分析，否则易导致工程事故发生[49]。

图13 球面单层组合网壳 图14 珠海某表演场单层组合网壳Fig.13 Single-layer spherical composite reticulated shell Fig.14 Single-layer composite reticulated shell of a performance hall in Zhuhai

如果将组合网架弯曲后应用，则形成双层组合网壳结构，有学者开展了这类结构中的柱面壳(图15)研究工作，发现结构具有较好的受力性能[50-51]。如果将上弦层的混凝土带肋壳改为带肋钢板-混凝土组合壳时，则可将这类结构引入到防护工程中，可获得良好的抗冲击性能[52]。与钢网壳通过檩条传递荷载不同的是，组合网壳的屋面荷载通过混凝土上弦杆直接传递，致使上弦杆事实上是偏心受力构件，应注重上弦杆的强度、刚度及节点连接可靠性复核[21，53]。

图15 柱面双层组合网壳结构 图16 混合型网壳结构Fig.15 Cylindrical double-layer composite reticulated shell Fig.16 Hybrid reticulated shell structure

2.3 混合网壳

根据壳体的内力分布规律，前述双层组合网壳的跨中区域以薄膜应力为主，弯曲内力大多出现在边界附近，可根据这一特性取消壳体跨中区域的腹杆和下弦杆，所得到的结构被称为混合型网壳[54]，如图16所示。由于中部区域的混凝土单层网壳支承在屋盖周边的双层组合网壳上，因此单双层交接处的连接可靠性对结构安全是至关重要的。分析表明，结构具有较好的强度和刚度储备[55]。这类结构目前未见工程应用。

2.4 折板式网壳

采用平面切割曲面后再网格化，则可获得折板式网壳结构[56]，这相当于是将密肋平板引入到混凝土壳体结构中，典型结构形式如图17所示。密肋平板依靠汇交后的脊线或谷线支承，因此可以将结构理解为由交汇折线拱和密肋平板组成的双重网格空间结构，密肋梁协同折线拱共同工作，且折线拱在很大程度上决定了结构的安全性[57]。这类结构可借助建筑结构行业软件完成设计工作，但需注意结构的构件并非处于纯受弯状态，还需注意屋盖推力对下部楼层承载力的影响[58-60]。

图17 混凝土折板式密肋网壳的典型结构型式Fig.17 Typical structures of concrete folded-plate multi-ribbed shell

当前，这类网壳中的人字形结构，按屋盖投影面积已应用1.2万余平方米[6]，典型工程为关岭美食城，共有12栋单体建筑，总建筑面积为2.81万m2，如图18(a)所示。其中1#～4#屋盖的最大跨度达24 m，如图18(c)—(e)所示，屋盖支承在柱上的主肋梁截面高度为跨度的1/40，并在根部加腋，其余肋梁截面高度为屋盖跨度的1/48，屋盖混凝土的折算厚度为191 mm/m2，用钢量为43 kg/m2。结构具有较好的技术经济指标。

图18 关岭美食城Fig.18 Guanling Food Market

3 结语

新中国成立以来，我国的空间结构得到了长足发展，尤其是采用轻屋面系统的结构得到了大量应用，这与科学技术的发展和投资选择有关，一般的工程结构往往只注重兴建时的投资而忽视了使用阶段的维护费用。混凝土具有良好的耐久性能和防火性能，不失为大跨空间结构的理想用材。本文主要基于文献检索，未穷尽当前的新型混凝土空间结构，且简单按外形分类对其中的空间网格结构进行评述，有相当一部分结构型式是作者所在团队的研发成果。可以发现，降低结构自重、便于施工和改善应力分布是目前新型混凝土空间网格结构研发的一个重要方向，围绕这一方向，相信还会出现越来越多的新型混凝土空间结构[61-62]。

实践表明，现有结构还有许多构造、承载力计算理论等需完善的地方，例如密肋楼盖中填埋的芯模与混凝土的连接可靠性、混合网壳刚度突变处的节点连接性能、空腹夹层板承载力的精细化计算理论等。若干问题是在实践中发现的，只有科技人员不断投入精力，才能有效推动新型混凝土空间网格结构的发展。