建筑工程结构体系在工程中的作用

建筑工程结构体系在工程中的作用

当前,随着建筑业的不断发展、快速建筑设计的要求越来越

高,对建筑结构的要求更高,从而提出了一些关于结构体系

的心得。本文主要介绍了越来越多应用于新型建筑结构中的

体系,包括:钢――混凝土混合结构、索张拉结构、索穹顶结

构、膜结构和高效预应力结构进行论述。

1.钢――混凝土混合结构

钢――混凝土混合结构是我国目前在高层建筑领域里

应用较多的一种结构形式。钢结构和混凝土结构各有所长,

前者具有重量轻、强度高、延性好、施工速度快、建筑物内

部净空大等优点,而后者刚度大、耗钢量少、材料费省、防

火性能好。综合利用这两种结构的优点为高层的建筑发展开

辟了一条新途径。统计分析表明:高层建筑采用钢――混凝

土混合结构的用钢量约为钢结构的70%,而施工速度相当于

全钢结构,在综合考虑施工周期、结构占用使用面积等因素

后,混合结构的综合经济指标优于全钢结构和混凝土结构的

综合经济指标。

钢――混凝土混合结构最早于1972年用于芝加哥的

GatewayⅢBuilding(36层137米),我国至80年代才将钢结

构用于高层建筑。目前已建成或在建的高层结构建筑中,有

一半以上采用的是钢――混凝土混合结构。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。

2.索张拉结构

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。

3.索穹顶结构

索穹顶结构实际上是一种特殊的索一膜结构,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,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。

4.膜结构

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;

价格相对低廉,施工速度快;结构抗震性能好。

5.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形式之一。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。

与传统预应力结构相比,高效预应力结构具有以下一些

特点:广泛采用高强度材料:目前国内预应力混凝土结构中

常用的混凝土强度等级从C40一C80,甚至达到C100以上,

应力钢绞线的极限抗拉强度可达1860Mpa。按照现代设计理

论设计,如抗震设计理论、延性设计理论等,通过合理确定结

构预应力度和截面配筋指数,大大改善了高效预应力结构的

抗震性能、正常使用性能等。随着先进施工工艺的开发,近

年来高吨位、大冲程千斤顶的应用和多种锚固体系的开发等,

为高效预应力结构的大规模推广应用提供了技术基础;高效

预应力结构适用于大跨和超大跨度、重载以及使用性能高的

结构,其应用范围拓展到高层以及结构转换层、钢结构、基

础、路面等结构领域。

近年来,高效预应力技术在我国发展迅速,已制定专门

的预应力结构设计、施工规程,工程中应用的预应力结构体

系也很丰富。典型工程实例有:面积最大的单体预应力工程

是首都国际机场新航站楼工程,每层建筑面积约8.8万平方

米。总建筑面积约35万平米,在混凝土板、墙、框架、柱以

及钢屋架、钢梁和钢管网架中大量采用了预应力技术;柱网

最大的预应力工程是深圳车港工程,标准层平面尺寸

159×103.5米,标准柱网16×25米,总建筑面积

9.5万平方米;最大的预应力钢桁架工程是北京西站主站房

工程,该预应力钢桁架跨度45米,桁架上承40米高的中式门

楼,门楼总重5400余吨;层数最多的预应力工程是广东国际

大厦主楼,总计63层;高度最高的预应力工程是青岛中银大

厦,总高度241米,58层,等等。

可以预见,随着高性能预应力材料(高强混凝土、高强预

应力筋、新型纤维塑料筋等)的推广应用以及结构设计理论

的不断发展,新型、高效预应力结构体系将在我国二十一世

纪大规模基本建设中发挥越来越大的作用。