索结构在建筑领域的应用与发展(三)

2017-10-24 18:43:35 admin 6

⑵斜拉结构

斜拉结构是由主结构、塔柱和拉索构成的一种索结构形式。主结构可以是网架结构、网壳结构、折板结构等结构形式。斜拉结构多用于桥梁结构,即斜拉桥。从文献记载来看,1972年建造的慕尼黑奥运会主赛场馆是斜拉结构第一次在重大工程结构中应用。目前斜拉结构已作为一种主要的结构形式,在国内外工程项目中得到应用,典型的工程项目有以下两种:

①天津滨海国际会展中心

天津滨海国际会展中心是2008年夏季达沃斯论坛主会场,屋盖结构体系采用了大跨度斜拉折板网格结构,其中屋面上下层的每个折板形单元为1榀平面钢管相贯桁架,这些折板形的平面桁架通过竖向和斜向的平面钢管相贯桁架构成了屋盖钢结构体系。

②山东茌平体育场

山东茌平体育场屋盖为圆锥面,平面投影为月牙形,长度约为200米,宽度约30米,屋面最高点标高35.75米。屋面结构体系采用空间网格结构,支承在混凝土柱上,同时在体育场主席台后的桁架柱和体育场两端实腹柱上设置斜拉索作为屋盖结构的弹性支承,形成斜拉结构。

⑶索穹顶结构

索穹顶结构是由连续的拉索和间断的压杆构成的一种自平衡、自应力结构体系,是目前最接近Fuller张拉整体结构思想的结构体系。由于该结构体系主要以拉杆为主,因而构件材料强度得以充分发挥,尤其是采用强度本身就很高的拉索材料(拉索材料的抗拉强度通常可高出普通钢材强度5~8倍),因此索穹顶结构的自重较轻,跨越能力较大。

索穹顶结构的概念是由美国工程师Geiger提出的,他认为空间的跨越能力是由连续的张拉索和不连续的压力杆完成的。在这一理论基础上,提出了索穹顶结构基本概念,即索穹顶结构是中央张拉环经由数目为四的倍数的脊索、环索、压杆和斜索而到达受压环梁,从而形成一个完整封闭的张拉结构体系,上述索穹顶结构形式又称为Geiger索穹顶或肋环形索穹顶。

对于Geiger索穹顶结构而言,索网平面外刚度不足,容易失稳、承受如风荷载、地震作用等非对称荷载性能较差,针对上述缺点,美国工程师M.P.Levy和T.F.Jing对其进行了改进,将辐射状脊索改为联方型布置,消除了结构内部存在的机构,取消了起稳定作用的谷索。

截止到目前,从公开发表的相关文献来看,国内外已有12项索穹顶工程应用,其中国外8项、国内4项(含台湾),中国大陆最大的索穹顶结构为鄂尔多斯伊金霍洛旗体育活动中心索穹顶,跨度71.2米,远落后于美国乔治亚索穹顶(240米×93米)。

①鄂尔多斯伊金霍洛旗体育活动中心索穹顶

该工程是目前我国第一个大型索穹顶结构工程,屋盖建筑平面呈圆形,直径为71.2米,屋盖矢高约5.5米。由外环梁、内环梁、斜索、脊索及两圈撑杆组成,表面覆盖PTFE和ETFE两种膜材。经过模拟分析及方案优化,拟采用地面组装、整体提升、外脊索、外斜索分步张拉的安装方法。该屋盖承包单位为北京纽曼帝蒙膜建筑技术有限公司,索张拉单位为北京建筑工程研究院,索生产厂家为广东坚朗五金制品有限公司。

②无锡科技交流中心索穹顶

无锡太湖国际高科技园区科技交流中心钢结构设计中,24米的采光顶采用了索穹顶结构。根据工程特点,选用了Geiger型索穹顶,结合下部结构考虑,结构采用10道脊索、两道环索及相应的斜索、压杆。

③中国(太原)煤炭交易中心索穹顶

中国煤炭交易中心——展览中心中央区采光顶为玻璃幕墙次索网与索穹顶组合的索网穹顶结构,平面为圆形,直径36米,矢高1.636米,结构中心点标高25.8米。结构的主要特点为在索穹顶主结构的基础上,增加了上层幕墙次索网,屋盖覆盖材料采用点支式玻璃屋面。索穹顶为Geiger型。结构由上海宝冶集团工安分公司承担,并于2011年1月18日开始了整体索结构的提升工作。该结构体系在索穹顶主结构基础上,增加了上层幕墙次结构网,屋面覆盖材料采用点支式玻璃屋面。

⑷索桁架结构

索桁架是由飞柱和索组成的索结构,可分为平面索桁架结构和空间索桁架结构。平面索桁架结构多用于玻璃幕墙结构,属于双层索系结构,包含鱼腹式索桁架和自平衡索桁架。

近年来,索桁架结构在建筑采光顶中应用逐渐增多,常用的索桁架结构形式有鱼腹式索桁架、张弦拱索桁架以及轮辐式索桁架。从结构构成来看,前两种属于纯平面受力,而轮辐式已经具有空间受力的特点了。

索桁架结构在大跨度建筑结构领域的工程应用有1993年建成的德国斯图加特纳卡体育场罩棚膜结构、1997年建成的马来西亚吉隆坡室外体育场罩棚结构以及2002年韩日世界杯的韩国釜山体育场和仁川体育场罩棚结构。国内的典型工程应用有深圳宝安体育场。(待续)

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