大跨空间钢结构研究综述

摘要：二十世纪以来，大跨空间结构在全世界范围内得到了很大的发展，其结构形式和内容不断更新。本文介绍了大跨空间结构的分类、发展特点、施工安装技术，为大跨结构今后的发展提供一定指导，同时对大跨空间钢结构的发展做了展望，相信大跨结构将在国内外应用中取得更大的进步与发展。

关键词：大跨空间钢结构发展

中图分类号： TU391文献标识码： A

引言

随着社会的不断进步，人们对大空间结构的需要越来越高，这便在一定程度上引起了各种大跨空间钢结构形式的出现[1]。近年来，我国大跨空间钢结构的研究与应用迅猛发展，大跨建筑大量出现。2008年的北京奥运会、2010年的上海世博会以及各地机场铁路建设的快速发展，带动了大跨空间钢结构的技术进步和大规模应用。在经济、文化飞速发展的今天，大跨建筑及作为其核心的空间结构技术的发展状况与应用水平成为一个国家建筑科技水平的重要标志之一[2]。本文综述了大跨空间钢结构的分类、发展特点、施工安装技术，并对大跨空间钢结构在今后建筑行业中的发展做了展望。

1大跨空间钢结构的分类

1.1 杂交结构及整体张拉结构

杂交结构及整体张拉结构包括索穹顶结构、张弦梁或张弦桁架结构、斜拉结构、车辐结构等。索穹顶结构绝大部分受力构件为受拉的索，截面受力均匀，可充分发挥钢索的高强度性能，自重大大减轻，同时受拉构件最稳定，无失稳问题；张弦梁或张弦桁架结构是用撑杆连接抗弯受压构件和抗拉构件而形成的自平衡体系，张弦梁主要通过撑杆提供弹性支承，从而减小梁中弯矩，适用于楼板或小坡度屋面情况，张弦拱是在通过撑杆减小弯矩和挠度的同时，由弦抵消拱端推力，充分发挥拱型的结构优势和高强索的高抗拉强度的材料优点；斜拉结构则是通过拉索给结构一个或多个弹性支承点，拉索另一端则固定于塔柱或者其他刚体上；车辐结构是将车辐受力原理引入到拱结构中，即按车辐式布置拉索系，形成的一种索-拱杂交结构，其刚度显著提高，稳定性明显改善。

1.2 钢管结构

钢管结构从结构形式上可分为梁式管结构和拱式管结构；从布置形式上可分为平面管结构和空间管结构。钢管结构主要采用圆形管和方形管，管与管之间通过相贯焊缝连接，因为这种连接不需要附加节点板，使得结构更加整齐美观。管桁架在体育馆、航站楼、会展中心，娱乐中心等大跨度设施中得到了广泛的应用。

1.3 树枝结构

近年来，一种造型新颖的结构形式——树枝结构被应用于空港、桥梁、厂房中。这种结构具有如下构造和受力特点：结构有规律地分叉，由一点或几点向空间伸展，形状恰似树枝；构件多采用圆钢管，具有良好的空间受力性能；节点多采用铸钢节点，具有较高的强度；树枝分叉顶端与屋面结构连接，构成整体受力；屋盖多采用轻型屋面体系。

1.4 膜结构

膜结构也称为织物结构，是20世纪中叶发展起来的一种全新的建筑结构形式。膜结构的发展引发了一种全新概念的建筑方式，即用多种高强薄膜材料及辅助结构通过一定的方式使其内部产生一定的预张应力，并形成应力控制下的某种空间形态，作为覆盖结构或建筑物主体，并具有足够的刚度以抵御外部荷载作用的一种空间结构形式。

1.5 开合屋盖结构

开合屋盖结构是一种在很短时间内部分或全部屋盖结构可以移动或开合的结构型式，它使建筑物在屋顶开启和关闭两个状态下都可以使用。开合屋盖的实现是将一个完整的屋盖结构按一定的规律划分成几个可动和固定单元，使可动单元能够按照一定轨迹移动达到屋盖开合的目的。

2大跨空间钢结构的发展特点

2.1 结构形式灵活多变

结构形式的多样化是大跨空间钢结构最突出的有点之一，空间结构能以其丰富的外形来满足使用功能与建筑造型的要求。近年来，兴建的大型公共建筑大多采用管桁架结构，外形丰富、结构轻巧、制作安装方便，是当前应用较多的一种结构体系，同时膜结构、杂交结构等也以其特有的优势被广泛应用。对于空间结构形式的变化，一方面是建筑上的需要，另一方面是建筑技术的发展为其提供了可能性。

2.2 杂交结构的应用

杂交结构是由不同类型结构组合而成的一种新的结构体系，有别于采用不同材料而组成的组合结构。杂交结构充分利用某种类型结构的长处来避免或抵消另一种与之组合的结构的短处，从而改进整个结构体系的受力性能。

2.3 预应力技术的引入

预应力大跨空间钢结构是把现代预应力技术引用到网架、网壳等网格结构、索、杆组成的张力结构、立体桁架结构等这一类大跨结构，从而形成一种新型杂交的预应力大跨空间结构体系。预应力大跨空间钢结构受力合理、刚度大、重量轻、制作安装也比较方便，近年来得到开发与发展，并在大跨度、大柱网等建筑中得到应用，受到国内外科技界和工程界的广泛关注和重视。

2.4 高强轻质材料的应用

在普通碳素钢获得大量应用的同时，膜材也在许多大跨建筑中得到应用。膜结构是当前兴起的一种空间结构，这是一种以玻璃纤维织物或聚酯纤维织物为基层，以聚四氟乙烯或PVC为涂层的膜材与不同类型的支撑体系间的组合，而其支承体系可为索——支柱或索——杆结构，它们常在膜材获得预应力后协同工作。

3大跨空间钢结构施工安装技术

3.1 高空散装法

高空散装法是将钢结构的全部杆件和节点直接在高空设计位置处进行拼装。工程中的髙空散装法一般为全支架法和悬挑法。全支架法多用于散件拼装，悬挑法主要用于小拼单元在高空的拼装。高空散装法常使用于非焊接连接的网架、网壳以及桁架等，其缺点是在干髙空作业量较大，同时需要大量的支架材料和设备。

3.2 分条安装法

分条安装法是先将钢结构分割成条状或块状单元，然后利用机械将其吊装至高空设计位置进行拼装的安装方法。使用分条安装法时，需要注意分割得到单元的刚度和受力，同时分割的尺寸需要根据起重机的负荷能力来决定。该方法的优点在于可以在地面进行焊接、拼装，减少高空作业，有利于工作人员控制质量，同时省去了大量的拼装支架。

3.3 高空滑移法

高空滑移法是先将钢结构按条状单元进行一定的分割，而后将这些单元铺设在预先已经准备好的滑移轨道上，以便将单元由一端滑移到另一端进行拼装。工程中常用的有单条滑移法和逐条累计滑移法。单条滑移法是将单元分别从一端滑移到另一端进行就位安装，在高空处对单元进行接；逐条累计滑移法是先将单元滑移一定距离后，再将其与第二个单元连接，而后将两个单元一起滑移一定距离，再连接第三条，直至连接上最后一个单元。

3.4 整体吊装法

整体吊装法是先将钢结构在地面进行拼装后，利用机械设备将整体吊装至设计标高并固定的方法。这种方法最大的缺点是需要巨型的机械设备，并且对机械安置地点下方的承受力的要求较高，同时也会在一定程度上影响土建的施工作业。

4展望

随着理论研究的深入和工程实践的大量增加，我国科技人员必将进一步研制开发出适应我国大跨空间钢结构需要的新休系、新技术、新材料，更充分地体现大跨空间结构的先进性、经济性与合理性，促使我国大跨空间钢结构更积极、健康的发展，使大跨空间结构更好地为我国经济建筑服务。

参考文献：

[1] 冯大斌,赵基达,王翠坤. 大跨空间结构及高层建筑工程篇[A]. .工程建设技术发展研究报告[C].:,2006:37.

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