建筑工程結構體系在工程中的作用

建筑工程結構體系在工程中的作用

當前,隨著建筑業的不斷發展、快速建筑設計的要求越來越

高,對建筑結構的要求更高,從而提出了一些關于結構體系

的心得。本文主要介紹了越來越多應用于新型建筑結構中的

體系,包括:鋼――混凝土混合結構、索張拉結構、索穹頂結

構、膜結構和高效預應力結構進行論述。

1.鋼――混凝土混合結構

鋼――混凝土混合結構是我國目前在高層建筑領域里

應用較多的一種結構形式。鋼結構和混凝土結構各有所長,

前者具有重量輕、強度高、延性好、施工速度快、建筑物內

部凈空大等優點,而后者剛度大、耗鋼量少、材料費省、防

火性能好。綜合利用這兩種結構的優點為高層的建筑發展開

辟了一條新途徑。統計分析表明:高層建筑采用鋼――混凝

土混合結構的用鋼量約為鋼結構的70%,而施工速度相當于

全鋼結構,在綜合考慮施工周期、結構占用使用面積等因素

后,混合結構的綜合經濟指標優于全鋼結構和混凝土結構的

綜合經濟指標。

鋼――混凝土混合結構最早于1972年用于芝加哥的

GatewayⅢBuilding(36層137米),我國至80年代才將鋼結

構用于高層建筑。目前已建成或在建的高層結構建筑中,有

一半以上采用的是鋼――混凝土混合結構。最近建設部和國

家冶金工業局在頒布的《建筑用鋼技術政策》中,將鋼――

混凝土混合結構列為要大力推廣的建筑新技術,可以預見,

混合結構在高層辦公樓、學校、醫院及住宅等建筑中將有較

廣泛的應用。

2.索張拉結構

結構基本受力構件有三類:受壓構件、受彎構件和受拉

構件。對于受壓構件,當構件長細比較大時,由于構件會發生

整體失穩,構件的作用不能充分發揮。對于受彎構件,由于構

件截面應力不均勻,截面邊緣的最大應力往往控制構件的設

計,使得構件材料不能充分發揮作用。只有受拉構件,截面的

應力均勻,不會發生整體失穩,如利用高強鋼索做成受拉構

件,能最大限度地發揮受拉構件的作用,提高結構的經濟性。

在結構體系中巧妙利用張拉構件,結合少數剛性受壓構

件,可構成受力合理的高效張拉結構體系,不僅承載力高、剛

度大,且能使各種材料的強度均得到很好的發揮。

3.索穹頂結構

索穹頂結構實際上是一種特殊的索一膜結構,是近幾年

才發展起來的一種結構效率極高的張力集成體系,其外形類

似于穹頂,而主要的構件是鋼索,由始終處于張力狀態的索

段構成穹頂,利用膜材作為屋面。因此被命名為索頂。由于

整個結構除少數幾根壓桿外都處于張力狀態,所以充分發揮

了鋼索的強度,只要能避免柔性結構可能發生的結構松弛,

索穹頂結構便無彈性失穩之虞,所以,這種結構重量極輕,安

裝方便,具有新穎的造型,經濟合理,被成功地應用于一些大

跨度和超大跨度的結構。

4.膜結構

膜結構是張力結構體系的一種。它以具有優良性能的柔

軟織物為膜材,由膜內的空氣壓力支承膜面(充氣式膜結構

或所承式膜結構),或利用鋼索或風性支承結構向膜內預施

加張力(張力膜結構),從而形成具有一定剛度、能夠覆蓋大

空間的結構體系。膜結構采用的薄膜材料,大多采用涂層織

物薄膜,分為兩部分,內部為基材織物,主要決定膜材的力學

性質,提供材料的抗拉強度、抗撕裂強度等;外層為涂層,主

要解決膜材的物理性質,提供材料的耐火、耐久性及防水、

自潔性等,常用膜材一般為聚酯織物涂敷氯乙烯涂層膜材、

玻璃纖維織物涂敷聚四氟乙烯涂層或有機硅樹酯涂層膜材。

膜結構具有如下特點:造型活潑優美,富有時代氣息;自

重輕,適合大跨度的建筑,充分利用自然光,減少能源消耗;

價格相對低廉,施工速度快;結構抗震性能好。

5.高效預應力結構體系

高效預應力結構是指用高強度材料、現代設計方法和先

進的施工工藝建筑起來的預應力結構,是當今技術最先進、

用途最廣、最有發展前途的一種建筑結構形式之一。目前,

世界上幾乎所有的高大精尖的土木建筑結構都采用了高效

預應力技術,如,大型公共建筑、大跨重載工業建筑、高層建

筑、大中跨度橋梁、大型特種結構、電視塔、核電站安全殼、

海洋平臺等幾乎全部采用了這一技術。

與傳統預應力結構相比,高效預應力結構具有以下一些

特點:廣泛采用高強度材料:目前國內預應力混凝土結構中

常用的混凝土強度等級從C40一C80,甚至達到C100以上,

應力鋼絞線的極限抗拉強度可達1860Mpa。按照現代設計理

論設計,如抗震設計理論、延性設計理論等,通過合理確定結

構預應力度和截面配筋指數,大大改善了高效預應力結構的

抗震性能、正常使用性能等。隨著先進施工工藝的開發,近

年來高噸位、大沖程千斤頂的應用和多種錨固體系的開發等,

為高效預應力結構的大規模推廣應用提供了技術基礎;高效

預應力結構適用于大跨和超大跨度、重載以及使用性能高的

結構,其應用范圍拓展到高層以及結構轉換層、鋼結構、基

礎、路面等結構領域。

近年來,高效預應力技術在我國發展迅速,已制定專門

的預應力結構設計、施工規程,工程中應用的預應力結構體

系也很豐富。典型工程實例有:面積最大的單體預應力工程

是首都國際機場新航站樓工程,每層建筑面積約8.8萬平方

米。總建筑面積約35萬平米,在混凝土板、墻、框架、柱以

及鋼屋架、鋼梁和鋼管網架中大量采用了預應力技術;柱網

最大的預應力工程是深圳車港工程,標準層平面尺寸

159×103.5米,標準柱網16×25米,總建筑面積

9.5萬平方米;最大的預應力鋼桁架工程是北京西站主站房

工程,該預應力鋼桁架跨度45米,桁架上承40米高的中式門

樓,門樓總重5400余噸;層數最多的預應力工程是廣東國際

大廈主樓,總計63層;高度最高的預應力工程是青島中銀大

廈,總高度241米,58層,等等。

可以預見,隨著高性能預應力材料(高強混凝土、高強預

應力筋、新型纖維塑料筋等)的推廣應用以及結構設計理論

的不斷發展,新型、高效預應力結構體系將在我國二十一世

紀大規模基本建設中發揮越來越大的作用。