大跨度空間結構

橫向跨越60米以上空間的各類結構可稱為大跨度空間結構。常用的大跨度空間結構形式包括折板結構、殼體結構、網架結構、懸索結構、充氣結構、篷帳張力結構等。

近年來我國大跨度空間結構發展迅速，特別是北京奧運會的大型體育場館的建設規模和技術水平在世界上都是領先的，將成為我國空間結構發展的里程碑。空間結構以其優美的建築造型和良好的力學性能而廣泛應用於大跨度結構中。

有折板結構、殼體結構、網架結構、懸索結構、充氣結構、篷帳張力結構等。

一種由許多塊鋼筋混凝土板連接成波折形的整體薄壁折板屋頂結構。這種折板也可作為垂直構件的牆體或其他承重構件使用。折板屋頂結構組合形式有單坡和多坡，單跨和多跨，平行折板和複式折板等,能適應不同建築平面的需要。常用的截面形狀有V形和梯形，板厚一般為5～10釐米,最薄的預製預應力板的厚度為3釐米。跨度為6～40米，波折寬度一般不大於12米,現澆折板波折的傾角不大於30°；坡度大時須採用雙面模板或噴射法施工。折板可分為有邊梁和無邊梁兩種。無邊梁折板由若干等厚度的平板和橫隔板組成,V形折板是無邊梁折板的一種常見形式。有邊梁折板由板、邊梁、橫隔板等組成，一般為現澆，如1958年建成的巴黎聯合國教科文組織總部大廈會議廳的屋頂，是意大利P.L.奈爾維設計施工的。他按照應力變化的規律,將折板截面由兩端向跨中逐漸增大，使大廳屋頂的外形富有韻律感。

用鋼筋混凝土建造的大空間殼體屋頂結構。殼體形式有圓筒形、球形扁殼，劈錐形扁殼和各種單曲、雙曲拋物面、扭曲面等形式。美國在40年代建造的蘭伯特聖路易市航空港候機室，由三組厚11.5釐米的現澆鋼筋混凝土殼體組成，每組是兩個圓柱形曲面殼體正交，並切割成八角形平面狀，相接處設置採光帶。兩個圓柱形曲面相交線作成突出於曲面上的交叉拱，既增加了殼體強度,又把荷載傳至支座。支座為鉸結點,殼體邊緣加厚，有加勁肋，向上捲起，使殼體交叉拱的建築造型簡潔別緻。德國學者U.F.瓦爾德和F.迪欣格爾等對殼體結構理論作出貢獻。奈爾維設計的1950年建造的都靈展覽館是波形裝配式薄殼屋頂建築。殼體結構可以減輕自重，節約鋼材、水泥，而且造型新穎流暢。

使用比較普遍的一種大跨度屋頂結構。這種結構整體性強，穩定性好，空間剛度大，防震性能好。網構架高度較小，能利用較小杆形構件拼裝成大跨度的建築，有效地利用建築空間。適合工業化生產的大跨度網架結構，外形可分為平板型網架和殼形網架兩類，能適應圓形、方形、多邊形等多種平面形狀。平板型網架多為雙層，殼形網架有單層和雙層之分，並有單曲線、雙曲線等屋頂形式。

50年代後期上海同濟大學曾建造了裝配整體式鋼筋混凝土單層聯方網架殼形結構建築，大廳部分淨跨度為40米，外跨度54米。上海文化廣場的改建設計採用鋼結構球節點平板型網架，1970年建成。1976年建成的美國新奧爾良市體育館，圓形平面直徑達207.3米,是當今世界上最大的鋼網架結構建築。

由鋼索網、邊緣構件和下部支承構件三部分組成的大跨度屋頂結構，如1961年建成的北京工人體育館,直徑為94米。國際上較早的懸索結構是1953～1954年建成的美國羅利市的牲畜館，它是一個雙曲馬鞍形懸索結構。1958～1962年E.沙裏寧設計建造的美國華盛頓杜勒斯國際機場候機樓是有名的實例。候機樓寬45.6米，長182.5米，上下兩層，屋頂每隔3米有一對直徑 2.5釐米的鋼索懸掛在前後兩排的柱頂上。在懸索結構上部鋪設預製鋼筋混凝土板構成屋面，建築造型輕盈明快。

用尼龍薄膜、人造纖維表面敷塗料等作材料，通過充氣構築成的大跨度屋頂結構。這種結構安裝、拆裝都很方便。

隨着科技水平的提高，我國空間結構理論分析近年來得到了長足的發展，計算方法由連續化分析到離散化分析，由近似計算到精確分析，由等效靜力分析到直接動力分析，由線性分析到非線性分析。研究方法向理論、試驗與大量計算機分析相結合的方向發展。

1、研究手段的進展

結合具體工程進行了大量的試驗研究，其中包括了懸索、網架、網殼、組合結構和張拉整體等各類空間結構。編制了大量的計算程序對各類空間結構體系進行計算分析，揭示了各種新型結構動力特性與地震反應特點及隨參數變化的規律。給出了各類空間結構的響應規律，試驗結果與計算分析值基本得到相互驗證，新的研究成果使得新結構、新體系層出不窮，極大地豐富了空間結構領域，進一步展示了我國建築科技水平的不斷提高。

2、計算理論的進展

空間結構的計算理論由彈性分析到彈塑性地震響應分析，在多遇地震作用下按彈性階段進行計算的同時，還要防止結構在罕遇地震作用下倒塌並考慮到設計的經濟性對結構彈塑性進行分析。利用圓杆截面空間梁系彈塑性本構關係，結合分割有限元法、Newmark 逐步積分法和Euler 一次Newton 一RaPhaon 迭代法，編制了空間網殼結構彈塑性地震響應時程分析程序，給出了單層球面與單層柱面網殼彈塑性響應規律和斜拉網格結構彈塑性響應規律，推導出了單元彈塑性剛度矩陣，研究了雙層與單層柱面網殼彈塑性反應隨參數變化的情況。對柔性結構全面考慮了幾何非線性的影響，使得計算精度得到極大地提高，計算理論不斷完善。

此外，空間結構與支承體系協同工作性能得到進一步地明確。在最初進行這類結構分析時，大多數採用離散分析，考慮到計算機容量及計算時間問題，常把支承體系用三向固定鉸支承代替，將空間結構與支承拆開，單獨進行計算P 但由於實際支承體系往往不是三向剛度無限大，周邊簡支模型與實際出人較大，後來進展到採用彈性支承的空間結構計算模型。有關共同工作問題，空間結構學術界不斷進行研究，提出各種鋼網格結構與混凝土支承不同材料組合體系的阻尼簡化公式，給出了修正的彈性支承計算模型。現有的分析軟件也逐漸實現整體分析。

3、結構抗震分析理論的進展

大跨度空間結構抗震分析從單維地震反應分析發展到多維地震反應分析。由於地震時地面運動是多維的，同時各方向地震動引起的地震響應一般為同數量級的，因此為更真實地掌握結構地震反應，進行多維地震反應分析剝良必要的。地震動有六維分量，由於結構設計形式儘量保證了均勻對稱，同時計算轉動分量將帶來過大的計算土作量，自前研究的震動以三個平動分量輸人為主，為考慮三維地震輸人，空間網殼結構曾用時程法進行確定分析；近年來，北京工業大學引用了林家浩等提出的單維虛擬激勵法推導出網格結構多維地震輸人的虛擬激勵隨機分析方法，編制了相應程序，並提出了隨機參數取法，用此程序對單層、雙層柱面網殼、球面網殼進行了系統的多維地震反應分析，得出了一些有益的結論。

4、空間結構隔震、控震分析

結構震動控制包括基礎隔震、被動控制、主動和半主動控制及近年來提出的智能控制。有關土建結構振動控制研究與應用約有30 年的歷史。我國空間結構中採用橡膠支座隔震已相當普及，但在空間結構振動控制方面尚處於起步研究階段，現已取得了二些可喜的科研成果。在基礎隔震方面，同濟大學、浙江大學等單位給出了各種支座的隔震性能、設計計算方法，浙江大學提出了適合於網格結構的粘彈性阻尼材料代替橡膠支座，北京交通大學研製出萬向支承方向轉動抗震減震支座，獲得了專利。在網殼結構控制方面，哈爾濱工業大學提出了多個TMD 調頻質量阻尼器的MTMD 系統，建立了隨機振動計算模型，採用傳遞函數算法和非線性數學規劃方法確定其最優控制參 數，並針對各類單層網殼進行了振動控制分析；設計了粘滯阻尼器，安裝在網殼上進行地震模擬震動台試驗，得出了相關結論。北京工業大學對網殼結構進行了半主動控制研究，提出將半主動控制器做成變剛度變阻尼杆件以替代網殼杆件的方法，並給出了控制桿件的最優佈置準則。蘭州理工大學提出採用約束屈曲支撐（B RB ）代替部分網殼結構杆件的做法，利用通用有限元軟件ANSYs 對這種新型結構體系的各種形式進行分析，尋找約束屈曲支撐在整體結構中的最優佈置和影響規律，在參數分析的基礎上，探索網殼結構減震體系的減震機理與變化規律，分析結構減震控制的關鍵因素。