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1、大跨度空间钢结构的发展与施工技术陈桥生（上海宝冶建设有限公司，上海，201900）摘要：大跨度空间钢结构是目前发展最快的结构类型，主要包括空间网格结构和张力结构两大类，其主要发展方向有张拉整体结构、膜结构、开合结构、折叠结构等新型空间结构。在经济、文化飞速发展的今天，大跨度建筑及作为其核心的空间结构技术的发展状况与施工技术水平是代表一个国家建筑科技水平的重要标志之一。计算机的普及和有限元分析方法的广泛运用为空间结构的加速发展创造了真正的条件，大跨度空间结构造型越来越新颖，结构体系越来越复杂，施工难度也越来越大，这无疑给我国工程技术人员提出了新的挑战。本文通过南京奥林匹克体育中心主体育场钢屋盖工
2、程，重点介绍了目前大跨度钢结构的发展趋势与施工技术的研究方向。关键词：大跨度空间结构 空间网格结构 张力结构 张拉整体结构 膜结构 开合结构 折叠结构 杂交结构 施工技术1 前言空间结构是指结构的形态呈三维状态，在荷载作用下具有三维受力特性并呈空间工作的结构。空间结构与平面结构相比具有很多独特的优点，国内外应用非常广泛。特别是近年来，人们生活水平不断提高，工业生产、文化、体育事业不断进步，大大增强了社会对空间结构尤其是大跨度高性能空间结构的需求。在建筑技术飞速发展的过程中，空间体系始终没有停止其自身的发展，而且日益显示出一般平面结构无法比拟的丰富多彩和创造潜力，体现出大自然的美丽和神奇。空间结
3、构的卓越工作性能不仅仅表现在三维受力，而且还表现在通过合理的曲面形体来有效抵抗外荷载的作用。当跨度增大时，空间结构就愈能显示出它们优异的技术经济性能。计算机的普及和有限元分析方法的广泛运用为空间结构的加速发展创造了真正的条件，大跨度空间结构造型越来越新颖，结构体系越来越复杂，施工难度也越来越大，这无疑给我国工程技术人员提出了新的挑战。 2 大跨度空间钢结构的发展特点大跨度空间钢结构主要是指网架、网壳结构及其组合结构(两种或两种以上不同建筑材料组成)和杂交结构(两种或两种以上不同结构形式构成)。这是一类结构受力合理、 刚度大、重量轻、杆件单一、制作安装方便的空间结构体系，在近一二十年来获得了蓬勃
4、发展，其主要发展特点如下：2.1结构形式灵活多变 结构形式的多样化应该是空间结构最突出的优点之一，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，从上世纪60年代网架在我国开始获得应用以来，到8090年代大、中、小跨度的网架几乎已经遍及各地，空间结构形式灵活多变。近年来兴建的大型公共建筑大多都采用了钢管杆件直接汇交的管桁架结构，它的外形丰富、结构轻巧，传力简捷、制作安装方便、经济效果好，是当前应用较多的一种结构体系。对于空间结构形式的变化，一方面是建筑上的需要，另一方面在技术上也能做到，因此世界各国正以较大的热情进行互相学习与应用，预计今后还会有更大的发展，使空间结构的造型更趋丰富多彩
5、。2.2杂交结构兴起“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，它有别于采用不同材料而组成的“组合”结构。它最大的优点是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，从而改进了整个结构体系的受力性能。前几年在中国研究并开发的横向加劲单曲悬索结构就是一种桁架与单向索组合而成的杂交结构体系，美国工程师盖格尔所开发的“素穹顶”（Cable Dome）则是典型的索与膜的杂交结构。在“素穹顶”的基础上，美国工程师李维开发的“双曲抛物面-张拉整体穹顶”（Hypar-Tensegrity Dome）则是杂交结构先进理念的体现。2.3现代预应力技术的引入预应力大跨度空间钢结构是
6、把现代预应力技术引用到例如网架、网壳等网格结构、索、杆组成的张力结构、立体桁架结构等一类大跨度结构，从而形成一类新型的、杂交的预应力大跨度空间结构体系。如预应力网格结构、斜拉网格结构、索穹顶结构、双曲抛物面-张拉整体穹顶在内的索穹顶结构、张弦梁结构、弓式预应力钢结构等。这一类结构受力合理、刚度大、重量轻,制作安装也比较方便,在近十多年来得到开发与发展,并在大跨度、大柱网的公共与工业建筑中得到应用,且受到国内外科技界和工程界的关注和重视。通过适当配置拉索，或可使结构获得新的中间弹性支点或使结构产生与外载作用反向的内力和挠度而卸载，前者即为斜拉结构体系，后者则为预应力结构体系。这一类“杂交”结构体
7、系将改善原结构的受力状态，降低内力峰值，增强结构刚度、技术经济效果明显提高。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，膜材也在许多大跨度建筑中获得了应用。膜结构是当前我国正在兴起的一种空间结构，其中应用较多的是张力膜结构，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承体系间的组合，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。支承体系也可采用杆系结构，如空间桁架，网壳等，即刚性骨架支承张力膜结构。在膜结构兴起的同时也必然为空间钢结构的应用与发展提供了更广阔的空间。 2.5计算技术越来越进步随着计算机的发展和广泛应
8、用，非线性有限元分析方法兴起，并逐渐成为结构稳定性分析中的有力工具。近年来，计算技术已经有了长足的进步,许多单位研制开发了商品化专用设计程序,它们都是建立在理论研究与大量工程实践的基础上而推向市场的.它们一般都具有完善的前后处理功能,可在微机上进行复杂的空间网格结构设计.有的软件除用于空间网格结构外,也可用于索、杆、梁体系的设计分析.这些程序的推出为大跨空间钢结构设计提供了有效手段,也为大跨空间钢结构的推广应用创造了有利条件。2.6试验研究愈来愈广泛 随着大跨度空间钢结构结构形式的日益复杂及新型材料的广泛应用，理论计算和研究彰显重要。但是，理论计算也存在一定的局限性，为确保结构体系既安全可靠、
9、技术先进，又经济合理，确保理论分析的正确性和可靠度，必须采取一定的试验手段，如模型试验、节点试验及实体结构测试，通过试验，为工程设计提供一些有价值的参考数据和依据，以解决一些目前尚无足够可信度的理论分析模式能解决的一些难题，解决无标准、规范和首次采用的新型节点的设计和制作工艺。 2.7空间结构应用范围扩展近十年来，空间结构是建筑结构中最为重要、也是最活跃的发展领域之一。从结构形式来说，从网架、网壳到膜结构。从材料来说，从天然材料到人工合成材料；从计算分析来说，从静力到动力、从线性到非线性。在原有的体系上，不论是设计或施工都走向成熟，与此同时也孕育着新的应用范围。3 大跨度空间钢结构的发展现状与
10、趋势3.1大跨度空间钢结构的发展现状近几十年来，世界上建造了成千上万的大型体育馆、飞机库、展厅，采用了各类空间结构，各种类型的大跨空间结构在美、日、欧等发达国家发展很快，建筑物的跨度和规模越来越大。目前，尺度达150m以上的超大规模建筑已非个别，结构形式丰富多彩，采用了许多新材料和新技术，发展了许多新的空间结构形式，如空间网格结构（网壳结构、平板网架）、张力结构（悬索结构、双曲抛物面索网结构、膜结构或索-膜结构、整体张拉式索一膜结构、可开合结构），许多宏伟而富有特色的大跨度建筑已成为当地的象征性标志和著名的人文景观。可以这样说，大跨空间结构是最近三十多年来发展最快的结构形式。从今天来看，大跨度
11、和超大跨度建筑物及作为其核心的空间结构技术的发展状况已成为代表一个国家建筑科技水平的重要标志之一。目前空间结构向着轻量、大跨方向发展，这种发展趋势要求必须千方百计降低结构自重。降低结构自重的途径一方面是研制运用轻质高强的新型建筑材料，另一方面是研究开发合理的结构形式。张拉整体结构和膜结构是降低结构自重的较理想的结构体系，可跨越很大的跨度，目前跨度已做到200m左右。另外适应全天候气候条件的开合结构、施工便捷的折叠结构等也都有属于现代空间结构新发展的课题，国外已有很多的工程应用。3.2大跨度空间钢结构的发展趋势由于张拉整体结构、膜结构既可以最大限度地利用材料和截面的特性，用尽量少的钢材建造超大跨
12、度建筑，又可以塑造优美灵活造型，所以它们仍然是大跨度空间钢结构发展的主流。而随着当代人类物质文化生活水平的提高、计算理论与计算机技术的飞速发展及人们对体育场馆功能要求的日益完美，复杂、新颖的预应力空间钢结构、开合结构、折叠结构及杂交结构将会获得更为广阔的应用和发展。南京奥林匹克体育中心主体育场钢屋盖从某种程度来讲，就是一种杂交结构，它是由钢桁架拱、吊杆、马鞍型屋面网格结构及支撑柱组成的杂交结构，与纯拱结构、壳体结构具有不同的受力特点和失稳模式。分析表明，屈曲（失稳）现象发生时，部分结构构件的应力已先期达到或超过屈曲状态，说明结构强度极限状态的到达将先于稳定极限状态。在结构体系形成后，在给定的荷
13、载工况下，本结构的安全性由强度设计与单杆稳定设计控制。4 大跨度空间钢结构施工技术近年来，各国在研究大跨度空间结构的结构形式的同时，也在不断地研究和提高大跨度空间结构的施工技术。目前，国内外已有很多先进的空间结构施工技术，如高空散装技术、地面分段组装与分段吊装技术、地面分段组装与提升及整体倾斜技术、地面整体组装与液压提升技术、地面分片组装与滑移技术、地面组装与定点吊装及整体滑移技术等。但是，各种施工技术都有其优缺点和一定的针对性，不同的结构形式、场地条件及工程实际情况，所采用的施工技术也会有所不同。对于南京奥林匹克体育中心主体育场钢屋盖此类大跨空间结构，主拱和屋面箱型梁互相依托，形成稳定的空间
14、结构体系，国内外却无先例，更无成熟的类似施工技术。可以断定，此类结构的施工技术必将成为我国乃至世界建筑技术领域研究的课题。下面结合南京奥体主体育场钢屋盖工程实例，重点阐述一种新型施工技术。4.1工程概况南京奥体中心主体育场屋顶结构体系是由与水平面成45倾斜的、跨度为361.582m的三角形变断面的钢桁架拱和由数十条钢箱型梁形成的中空马鞍形空间结构组成，罩棚的径向长度为68.14m27m，覆盖面积4万多平方米。主拱南北方向对称布置，最高点为拱顶，标高达64.719m，钢结构总量约12153吨。整个屋盖结构体系在各种不同荷载组合情况下，分别由主拱和钢箱梁外端的“V”型支撑将荷载传至下部结构。45倾
15、斜主拱宛如飘带，线条简明，结构体系造型新颖美观。图1 建造中的南京奥体主体育场效果图4.2难点分析及施工方案的选择4.2.1难点分析由于南京奥体主体育场屋盖结构体系的特殊性，倾斜主拱通过前吊杆、辅助杆及后撑杆（因三种杆件形成M形，故统称M杆）与屋面箱型梁相连，主拱通过前吊杆为箱型梁悬臂端提供竖向约束，而箱型梁通过后撑杆则为主拱提供平面外的侧向稳定，两者互相依托，其传力体系异常复杂。在整个结构体系未形成之前，屋面系统与主拱皆非独立的结构静定体系。为保证安装过程中结构的稳定性，屋面和主拱安装时必须设立临时支撑系统，安装完成后屋面临时支撑需进行卸载和拆除，卸载过程中结构体系逐步转换，稳步成型。但是，
16、杆件内力和临时支撑的受力在卸载过程中发生变化，工况分析相当困难，变形控制难度大。施工过程中，不但要考虑吊装方案、吊装顺序、支撑系统布置方案、铸钢件焊接方案、温度和焊接变形控制方案、主拱组装和翻身方案、主拱合拢方案，而且还要考虑吊装完成后的整体卸载方法和顺序，施工技术难度相当大。该组合结构国内尚无先例，国际上也实属罕见。为保证结构的可靠性，设计方案经过三番五次修改与论证，结构验算也分别由同济大学和东南大学采用四套不同的计算软件进行。为了验证理论分析的正确性和可靠度，设计上还通过1:20模型试验取得的数据来分析比较。所以，无论是设计还是施工，本工程都具有相当大的难度。其施工难点主要体现在以下四点：（1）支撑胎架的设置：本工程中的支撑胎架既是结构安装过程中的稳定支撑，又是安装操作平台，同时，屋面和主拱安装完成后屋面临时支撑需进行卸载，卸载过程中临时支撑的受力会产生相应的变化，所以支
