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1、我国空间网架结构的发展现状pdf1997 年 12 月天津城市建设学院学报第 3 卷第 4 期D ec. 1997JOU RNAL O F T IAN J IN IN ST ITU T E O F U RBAN CON STRU CT ION V o l. 3 N o. 4我国空间网架结构的发展现状刘锡良X 潘延东(天津大学300072)摘要论述网架结构(平板网架及网壳) 在我国迅速发展的原因, 并对其进行分析, 然后按结构形式、网架连接、计算分析、施工检验以及质量等分别详述其发展情况, 最后列举一些典型有代表性的实例, 并浅谈曲面型网架(网壳) 的展望。关键词: 网架结构, 平板网架, 网壳

2、THE PRESENT CO ND IT IO N O F THE D EVELO PM ENT O FSPACE FRAM EWO RK STRUCTURE IN CH INAL iu X ilang Pan Yandong(T ian jin U n iversity 300072)Abstract In th is p ap er, the rea son s fo r rap id developm en t of sp ace fram ew o rk structu re (fla tsp ace fram ew o rk and reticu la ted shell) in o

3、u r coun try a re discu ssed and ana lyzed. T he developm en t situa tion of sp ace fram ew o rk structu re is exp la ined in deta il acco rding to its structu ra l style, connection typ e, ca lcu la ting ana lysis, con struction exam ina tion andqua lity resp ectively. F ina lly,som e typ ica l exa

4、m p les a re listed and an elem en ta ry in troductionto the p ro sp ect ofthe cu rvedfram ew o rk ( reticu la ted shell) is m ade.2Key words: fram ew o rk st ructu re, fla t sp ace fram ew o rk ,ret icu la ted shell空间结构主要是指薄壳、网架、网壳、折板和悬索结构。这五种结构在我国都有不同程度的应用和发展, 特别是网架应用范围最广, 数量最多, 近年来发展很快, 从 1990 年在

5、北京举行的第十一届亚运会的场馆建筑上就可看出网架结构的应用情况。亚运会新建的十三个场馆中十一个采用了网架与网壳, 其中焊接球节点占绝大多数, 平板型网架占一半以上(表1)。如从全国各省、市、地区或县的体育馆来看, 几乎全部采用空间结构, 而且大部分采用网架结构。这主要是网架技术比较成熟, 重量轻、工期短、造价低廉, 当然还有抗震性能好、刚度大等一些独特优点。另外由于重量轻, 用于大跨度更是独占鳌头, 非此莫属。目前我国已建成的 8000 余座网架中, 中小跨度占绝大多数, 这又说明网架所适用的范围不仅限于大跨度X 收稿日期: 19977 年 3 月3 1928 年生, 男, 教授, 博士导师.

6、 2 天津城市建设学院学报1997 年 12 月(60m 以上) , 而且对 30m 60m 以及 30m 以下的中小跨度也极适合, 故近年来采用网架结构的工程愈来愈多。表 1第十一届亚运会体育馆采用空间结构网架焊接球大学生、海淀、月坛、网球、光彩、丰台螺栓球地坛网壳焊接球奥体体育馆、奥体游泳馆、石景山、体院螺栓球悬索朝阳平面棱形桁架速滑馆此外, 近年来大面积网架用于大柱网的工业厂房迅猛发展, 从几千m 2 突增至 10 几万 m 2。云南玉溪卷烟厂厂房网架总面积竟达 13 万m 2。在汽车工业方面, 第一汽车制造厂轻型 发动机联合厂房采用了近 4 万m 2 的螺栓球节网架, 后又建成一座高尔

7、夫轿车总装厂房(长春一汽大众) 近 8 万m 2 (189m 420m ) 的焊接球节点网架, 12m 21m 柱网, 用伸缩缝分成十个单元, 由四家网架厂家联合施工。天津无缝钢管厂管加工车间 3- 36564 连续三 跨共 6 万m 2 的网架, 另外横向条形天窗也有近 2 万m 2 , 车间设有吊车梁及 1215t 的桥式吊 车, 有三个伸缩缝。天津静海棉纺厂近 2 万m 2 焊接球节点的网架, 柱网为 20m 22m 和18m 20m , 用伸缩缝分成五个单元。己建成面积较大的工业厂房采用网架的工程还有: 唐山机车车辆厂客车总装车间 72m222m , 柱网18m , 后又增建33000

8、m 2 的车间采用网架; 唐山齿轮厂联合厂房 16500m 2 , 12m柱网; 北京燕山石油化工总公司东方化工厂地毯车间 40000m 2; 青岛第二橡胶厂内轮胎车间72m 84m , 12m 24m 柱网; 石家庄机车车辆厂装配厂房 12000m 2 , 18m 柱网; 新疆奎屯市 第一棉纺厂 24000m 2 , 24m 27m 柱网; 南京聚丙烯包装及成品库 60m 220m , 用伸缩缝分 为五个单元; 江西新余长林机械厂 10080m 2 , 12m 18m 柱网; 机电部 204 项目 12960m 2 , 18m 18m 柱网; 等等。10000m 2 以下的工业厂房己很普遍。

9、网架结构得到日益广泛应用除以上所述一些优越性外, 尚有一些其它有利因素, 现分述如下:1) 中国土木工程学会空间结构委员会成立十余年来除经常举行学术交流处, 在推广应用方面做了大量的工作: 如每两年举行一次学术交流会, 不定期举行特殊问题研讨会及现场会, 发行空间结构简讯, 举办网架及其规程学习班、业务咨询及组织鉴定工作等。2) 已出版或正在出版的网架规范有六种。除过去一直使用的网架结构设计与施工规定(J GJ 7- 80) 外; 现正在使用的有网架结构设计与施工规程(J GJ 7- 91) 、网架结构工程质量检验评定标准(J GJ 8- 91) 、钢网架检验及验收标准(J GJ 75. 3-

10、 91) 。3) 大量出版了有关网架文献及论文集, 除 1979 年出版的刘锡良、刘毅轩编著的平板网架设计外, 近十年又出版了沈祖炎、严慧、马克俭、陈扬骥编著的空间网架结构( 1987年) ; 刘善维、刘毅轩、钱若军编著的网壳结构设计手册(1983 年) 及唐瑞森编的网架结构简化计算手册(1989 年)。此外空间结构委员会主编了空间结构论文选集(1985 年) , 近年来又出版了沈祖炎、严慧副主编的新型空间结构论文集(1994 年)。1996 年又出版了尹德钰、刘善维、钱若军编著的网壳结构设计。4) 网架定型图纸的发行。中国建筑标准设计研究所 1983 年出版了焊接空心球节点网第 3 卷第 4

11、 期刘锡良: 我国空间网架结构的发展现状 3 架定型图集及螺栓球节点网架定型图集这对推广中小型网架起了一定的作用。5) 网架制造厂家的兴起。据不完全统计, 我国己有 100 余家专门或部分生产网架结构的厂家。这对推广网架起着极重要的作用。迄今为止全国共建 8000 多座网架, 面积达 800 万m 2、总重量数十万吨。(a) 专门生产网架或主要生产网架的厂家, 其生产情况见表 2。 (1992 年统计资料)(b ) 主要产品不是网架而兼生产网架的厂家也有数十家: 第十三冶建公司第十工程 公司、山西省第五建筑公司、吉林省第一建筑公司、北京、上海、陕西、河北、四川等省机械施 工公司、中建六局四公司

12、、中建一局六公司、北京、西北、沈阳等地的金属结构厂、广州下渡造 船厂及文冲造船厂、中国人民解放军 5720 工厂等。(c) 规模较小或成立不久的小厂家约有几十家; 如徐州淮海网架厂、海南五集网架联合 公司、洛阳一拖网壳结构厂、连云港网架安装公司、吉林网架厂、龙口网架厂、沈阳冶金机械 专科学校机工厂、天津网架公司石家庄、文登、邯郸分公司等。表2网架专业厂生产厂家建厂工程数总面积总重量日期(m 2)( t)1汾阳建筑金属结构总公司1979 年598735100241002徐州飞虹网架公司1980 年686775042228453天津网架结构工程分司1984 年41434816378924杭州东南网

13、架厂1985 年30025000075005苏州建筑构配件工程公司网架厂1984 年18528000097006常州建筑构件厂网架分厂1986 年12512750040477呼和浩特网架结构厂1979 年15221500054358兰天网架厂1986 年937500024509徐州空间结构制造厂(通域集团)1986 年471355300959310徐州市工业设备安装公司金属结构厂1979 年23618800047006) 设计网架力量增大。我国网架设计力量布满全国, 加航空工业规划设计研究院、海军工程设计研究局、机电部工厂设计研究院、天津大学、浙江大学、哈尔滨建筑大学、建研院结构所和太原煤矿设

14、计院等。7) 高等院校设网架结构课程, 做网架的毕业设计, 培养网架专业的研究生, 现己有百余名网架研究生毕业并从事网架的教学、研究和生产工作。8) 开办网架结构学习班及举办设计交流会。空间结构委员会和其他单位举办过不少次不同形式的短训班, 对普及网架知识起了很大作用。如天津、北京、杭州、长沙、贵阳等地飞虹网架公司和天津网架分司都举办过网架设计交流会和网架学习班, 收到很好的效果。9) 国际上和国内多次举办空间结构会议。a) 国际上在德国斯图加特大学前苏联莫斯科、英国吉尔福特、澳大利亚、西班牙、日本、新加坡以及北京等地都开过有关空间结构国际会议。国内每两年空间结构委员会主办一次学术报告会(19

15、82 年福州、1984 年太原、1986 年吉林、1988 年成都、1990 年兰州、1992 年广州、1994 年文登) , 还不定期举办专题研究会, 如 4 天津城市建设学院学报1997 年 12 月在1983 年在柳州开体育馆研讨会, 在西安开陕西体育馆施工现场会, 1987 年在贵阳召开组 合网架研讨会, 1989 年在屯溪召开网架结构动力及质量研讨会, 1991 年在上饶召开网壳结 构特殊问题研讨会。1993 年在哈尔滨召开 21 世纪空间结构研讨会等。10) 邀请国际知名专家讲学, 十年来不断邀请国际知名专家教授讲学, 如英国马考夫 斯基教授、西德施莱锡教授、日本坪井善胜教授、半谷

16、裕彦教授、英国博布罗斯基博士、英国 泰勒工程师、美国泽特林教授、英国托赛博士、澳大利亚赛德拉克(膜结构专家)、美国麦德瓦 道斯基、日本川口卫教授等。11) 各地纷纷成立学会、研究中心等组织。我国除中国土木工程学会桥梁及结构学会 空间结构委员会外, 在各地成立了相应的组织。如天津市网架推广小组( 1976 年) , 山西( 1984 年)、兰州(1990 年)、江西(1991 年) 都成立了空间结构委员会, 南京(1989 年) 成立了 江苏空间结构中心, 上海(1991 年) 成立了上海地区空间结构技术发展中心。最近广州也成立了空间结构委员会。中国钢结构协会也成立了空间结构协会, 己开展工作。

17、12) 网架结构应用范围不断扩大。除在民用、公共及工业建筑中采用网架外。现已扩展到塔桅结构(如大连电视塔塔身、徐州电视塔塔楼、上海东方明珠电视塔两个塔楼)、体育看台罩栅(太原、北京、孝感、深圳、石家庄等地)、天井、雨蓬、人行桥、脚手架、栈桥、墙架以及楼板、甚至出现许多装饰性网架。) 空间结构委员会发行的空间结构简讯内容丰富、新颖、及时、对互通信息起了极其重其重要的作用。1网架形式网架形式除“网架结构设计与施工规程”中规定的十二种形式(两向正交正放、两向正交斜放、两向斜交斜放、三向、正放四角锥、正放抽空四角锥、斜放四角锥、棋盘形四角锥、星形四角锥、三角锥、抽空三角锥、蜂窝形三角锥) 外又研究成功

18、一种折板形网架, 已列入新修订的网架规程中。它最适用于狭长形平面, 是将正放四角锥网架的纵向上下弦全部去掉形成折板形网架。为了稳定起风留下 2 3 道纵向上下弦。这种网架建成的实例已有十余个工程,最早是 1986 年天津市汽车散热器厂食堂 18m 42m , 较大的有: 1988 年石家庄体委游泳馆( 水上游乐中心) 30m 102m ; 1990 年还建成沈阳自来水沉淀池 24m 72m ; 最近建成的厦 门湖里工业区台湾工业园 14 号厂房 30m 99m , 19kgm 2 , 仅为一般网架的 70%。对圆形平面除可布置三向、三角锥网格外尚可采用蛛网形网格, 这种网格仅在少数小跨度中应用

19、过,如天津市地铁西南角售票厅D = 15m。三层网架已逐渐在大跨度中应用, 已有些研究成果, 如对三层网架的内力分析、模型试验、优化设计以及组合三层网架等。三层网架有全部三层和局部三层两种, 对中等跨度的网架有不少采用后者, 内力值减少了, 降低了耗钢量。特别是螺栓球节点网架最大内力受到限制情况下采用三层网架更为合理。如广东英东体育馆、彬洲基地体育馆和陕西延安体育馆都采用中部三层, 取得良好效果。全部三层网架也在兴建, 如长沙黄花机杨 48m 64m 的维修机库即采用三层网架而支座采用双层的, 这在国内还是首次尝试, 由于跨度不是太大, 三层网架的优越性不太突出。但在大跨度飞机库或体育馆中采用

20、全部三层肯定是合理的, 也是发展方向。最近设计的首都机库(153m + 153m ) 90m 及厦门机库都采用三层网架。第 3 卷第 4 期刘锡良: 我国空间网架结构的发展现状 5 组合网架结构利用钢筋混凝土屋面板代替网架的上弦杆不但节约钢材而且屋面板与网架共同工作, 改善了网架的受力性能。组合网架不但适用于屋盖, 且用于楼盖中更为合适, 迄今已建成近 20 个工程。最早是在 1979 年徐州夹河煤矿餐厅(21m 54m ) 和小餐厅(9m 18m ) 中得到应用, 是徐州建筑设计院研究成功的。最大跨度的是江西抚洲体育馆 4515m 48m 也用于屋盖上, 用于楼盖上的有新乡百货大楼六层楼层中

21、 34m 34m , 长沙纺织大厦13 层楼层中 24m 27m , 以上都是板节点或焊接球节点的。最近徐州建筑设计院又研究成功螺栓球节点网架, 已成功地用于徐州教育学院下为食堂上为礼堂的楼盖及屋盖上, 平面为20m 30m 。此外还有徐州财经学院食堂(18m 48m ) 及山东金乡立体声影院(27m 36m )采用组合网架。1986 年贵州工学院研制成功的交叉桁架类型的钢筋混凝土网架, 它分空腹型、混合型及超级型三种, 既可用于屋盖也可用于楼盖, 己通过鉴定并成功地建成 15 幢工程。并己出版组合网架结构与空腹网架结构一书, 详细论述了这种结构的理论及应用。河北省辛集市建筑设计院也设计并建成

22、类似这种钢筋混凝土交叉梁系网架的多层网架。江西科学院 1991 年 5 月研究成功并通过鉴定的预应力离心混凝土管式网架已用于江西省纺织大厦屋盖中, 取得良好的效果, 节点是螺栓球节点。天津大学 1985 年研究试制成功装配式正放四角锥网架, 其上弦采用一对小角钢, 腹杆仍用钢管, 下弦一般则用圆钢, 上弦平面无节点, 腹杆直接焊到上弦方框的角部, 下弦则用特制的可拧进圆钢的空心球节点。单元四角锥体可在工厂制造, 运至工地组装成整体网架, 除了模型试验外还应用于南开大学体育中心排球馆(15m 24m ) 中, 轻巧美观。类似这种形式的网架后来有些单位也研制过, 如北京工业大学、北京纺设计院及黑龙

23、江省矿业学校等。天津大学还对预应力钢网架进行了初步研究, 并对轻骨料钢管混凝土用于大跨度网架也进行探讨都取得了肯定性意见。另外天津大学对折叠式网壳(球形、筒状) 的构型、自稳定、内力分析及图形自动生成等也进行了探讨。2网架连接方法近二十年来国内绝大部分网架还是采用焊接球节点和螺栓节点, 两者各占一半。板节点很少应用, 只在特殊情况下采用, 如巴基斯坦体育馆和白云机场网架都是采用高强度螺栓连接的钢板节点。焊接空心球节点网架是天津大学早于 1965 年研究成功的, 构造简单、价格便宜是它独特的优点, 特别适用杆件内力很大的连接。节点已有系列产品, 天津大学对其破坏机理方面又进一步深入研究也提出了一些初步建议。在此基础上还提出了空心球采用双肋和十字肋以提高其承载力办法, 有些工程已采用。节点直径一般最大做到 500mm , 最高其承载力办法, 有些工程已采用。节点直径一般最大做到 500mm , 最近首都机库工程中曾采用 800 直径的大球。螺栓球节点主要优点是现场施工简单, 是网架节点的发展方向, 为此我国科技人员对螺栓球节点做了大量的研究改进工作。1) 水雷式螺栓球节点是最早由航空工业规划设计研究院研究成功的, 减轻了自重, 降低了造价, 已成功应用于芜湖某飞机库及其它工程中。