建筑工程结构体系

[摘 要]最近建设部和国家冶金工业局在颁布的《建筑用钢技术政策》中,将钢混凝土混合结构列为要大力推广的建筑新技术,可以预见,混合结构在高层办公楼、学校、医院及住宅等建筑中将有较广泛的应用.本文主要介绍建筑工程结构体系.

[关 键 词]建筑工程结构体系

中图分类号：TU318文献标识码：A文章编号：1009-914X（2014）37-0132-01

人类从原始社会利用山洞、树林自然屏障遮风挡雨,到利用天然土、木、石和人工烧制粘土砖、瓦搭建房屋延续了数千年.真正意义上的现代建筑结构体系是随着18、19世纪钢铁工业和水泥工业的发展而出现的,利用热轧型钢、钢板和铆接技术及随后出现的焊接、螺栓连接技术,形成的建筑排架、桁架、网架等结构体系,利用混凝上的抗压性能和钢筋的抗拉性能,发展了钢筋混凝土技术,形成了钢筋混土框架、剪力墙等结构体系.进入20世纪以后,随着建筑造型、建筑设计和跨度的要求越来越高,对建筑结构的要求更高,从而提出了一些新的结构体系.

一、索张拉结构体系

索张拉结构基本受力构件有三类：受压构件、受弯构件和受拉构件.

对于受压构件,当构件长细比较大时,由于构件会发生整体失稳,构件的作用不能充分发挥.对于受弯构件,由于构件截面应力不均匀,截面边缘的最大应力往往控制构件的设计,使得构件材料不能充分发挥作用.只有受拉构件,截面的应力均匀,不会发生整体失稳,如利用高强钢索做成受拉构件,能最大限度地发挥受拉构件的作用,提高结构的经济性.

在结构体系中巧妙利用张拉构件,结合少数刚性受压构件,可构成受力合理的高效张拉结构体系,不仅承载力高、刚度大,且能使各种材料的强度均得到很好的发挥.

二、膜结构体系

膜结构是张力结构体系的一种,它以具有优良性能的柔软织物为膜材,由膜内的空气压力支承膜面（充气式膜结构或所承式膜结构）,或利用钢索或风性支承结构向膜内预施加张力（张力膜结构）,从而形成具有一定刚度、能够覆盖大空间的结构体系.膜结构采用的薄膜的材料,大多采用涂层织物薄膜,分为两部分,内部为基材织物,主要决定膜材的力学性质,提供材料的抗拉强度、抗撕裂强度等；外层为涂层,主要解决膜材的物理性质,提供材料的耐火、耐久性及防水、自洁性等,常用膜材一般为聚酯织物涂敷氯乙烯涂层膜材、玻璃纤维织物涂敷聚四氟乙烯涂层或有机硅树酯涂层膜材.膜材并接的结构接缝多采用热焊,非结构接缝采用缝合.

膜结构是最新发展起来的一种空间结构类型,它的重量比传统的结构要轻很多,一般仅仅达到传统屋顶重量的1/10――1/30,它是通过向性能优良的织物中充入气体支撑起膜面,或者通过刚性骨架或具有柔性的钢索将膜面绷紧,进而形成具有一定的强度和刚度,并且能够覆盖大面积实现大跨度的结构,起到承重和围护的双重作用

膜结构具有如下特点：造型活泼优美,富有时代气息；自重轻,适合大跨度的建筑,充分利用自然光,减少能源消耗；相对低廉,施工速度快；结构抗震性能好.

充气膜结构有单层、双层、气肋式三种形式,充气膜结构一般需要长期不间断地能源供应,在低拱度大跨度建筑中的单层膜结构必须是封闭的空间,以保持一定气压差.在气候恶劣的地方,空气膜结构的维护有一定的困难,不少建筑曾遭意外的漏气而下瘪.

采用独立的拱或桅杆作为支承结构将钢索与膜材悬挂起来,然后利用钢索向膜面施加张力将膜面绷紧,形成了具有一定刚度的屋盖.

通过钢架替代空气膜结构中的空气的支撑结构,按照建筑要求选用拱、网壳之类的结构,然后在骨架上敷设膜材并绷紧,适用于平面为方形、圆形或矩形的建筑物.

复合膜结构由钢索、膜材及受压的杆件组成,包括连续的拉索和单独的压杆,在荷载作用下,力从中心受拉环或架通过放射状的径向脊索、谷索、环向拉索、斜拉索传向周围的受压环梁.扇形的膜面从中心环向外环方向展开.

三、索穹顶结构体系

索穹顶结构实际上是一处特殊的索-膜结构,是近几年才发展起来的一种结构效率极高的张力集成体系.其外形类似于穹顶,而主要的构件是钢索,由始终处于张力状态的索段构成穹顶,利用膜材作为屋面,因此被命名为索穹顶.由于整个结构除少数几根压杆外都处于张力状态,所以充分发挥了钢索的强度,只要能避免柔性结构可能发生的结构松弛,索穹顶结构便无弹性失稳之虞,所以,这种结构重量极轻,安装方便,可具有新颖的造型,经济合理,被成功地应用于一些大跨度和超大跨度的结构.

四、高效预应力结构体系

高效预应力结构是指用高强度材料、现代设计方法和先进的施工工艺建筑起来的预应力结构,是当今技术最先进、用途最广、最有发展前途的一种建筑结构型式之一.目前,世界上几乎所有的高大精尖的土木建筑结构都采用了高效预应力技术,如,大型公共建筑、大跨重载工业建筑、高层建筑、大中跨度桥梁、大型特种结构、电视塔、核电站安全壳、海洋平台等几乎全部采用了这一技术.

五、悬索结构体系

悬索结构是利用了钢材料强度高的特点,用来悬吊屋顶结构.单层悬索的抗风性能和稳定性能不是很好,因此现在广泛使用双层悬索或双向悬索.双层悬索结构是由上层起稳定作用的稳定索和下层承受有效载荷的承重索组成,呈平面圆形的结构.两种锁交织连接形成索网,在预拉张力的作用下形成紧密的整体,抗风性能和稳定性能都较单层悬索结构有了很大的提升.悬索结构不仅具有重量轻,节约材料用料,能够实现大的跨度等优点,其使用的范围和灵活性也非常优秀.

悬索结构形式各色,可以满足各种建筑形体和立面处理的多种需求.工程设计师可以根据建筑需要,通过调整悬索曲面,来调节内部空间的大小和整体建筑构型的艺术感,还可以通过改变主剖面下凹面的曲率,以适应工程建设的需求,同时还能够节约空间,优化空间和布局,甚至节省空调费用.悬索结构是大型大跨度建筑工程的理想选择,它只是通过简单的支撑体系和具有高强度的支撑材料来实现承受巨大的载荷.

六、壳体结构体系

壳体结构根据其受力情况的不同可以分为折板、单曲壳面和双曲壳面等三种结构类型.壳体结构能适用于方形平面、矩形平面,同时也能应用于三角平面、圆形平面及其他几何形状的平面；可以用以覆盖中小型面积的空间结构,同时也能够完全覆盖大型或特大型面积的空间；在实际工程运用中,可以单独适用来满足建设需要,又能和其他形式的建筑结构组合适用,可以看出壳体结构的使用是多样化的,形式是丰富的.

壳体结构的布局非常巧妙,它通过运用合理的外形,使所承受的有效载荷作用在结构体上时能够很好的分散开来,达到使结构各部分受力均匀的效果,因此具有很高的稳定性.从理论上而言,如果一种结构运用了强度极高的轻质材料的话,就能使结构的剖面尺寸大幅度的减小,但却容易在大的载荷下发生形变,稳定性不能满足实际需要,但是若把这种高强度的轻质材料运用于壳体结构中,就不会发生因容易变形而达不到稳定的情况,壳体结构可以把厚度做的很薄,同时也能满足大的空间覆盖面范围.因为壳体结构的静载不随跨度的增大而增大,具有厚度小、空间覆盖面大的优点,合理科学的外形保证了壳体结构的刚度,不需要加大结构断面,能满足各种曲面形状不同而又苛刻的要求,所以材料的用量可以很少,效用比很高,尤其是它的承重和无盖合而为一,充分利用了建筑空间,又具有优秀的艺术感.

七、总结

建筑结构体系的科学是一门重要的学问,也是一门建筑工程人员必须具备的技能之一.随着我国建筑行业市场竞争越来越激烈,建筑工程体系快速健康发展,大跨度的建筑结构形式将会多种多样.