1 前言
近10多年來(lái)鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展很快，但鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍涵蓋面與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還相差甚遠(yuǎn)，中國(guó)是建筑業(yè)大國(guó)，國(guó)內(nèi)、國(guó)外的建筑市場(chǎng)十分廣闊。如何擴(kuò)大鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍，是建筑、結(jié)構(gòu)工程師在建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的“后建筑時(shí)代”也就是低碳、節(jié)能、環(huán)保建筑中所面臨的繼承和創(chuàng)新的挑戰(zhàn)。
我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)大量在建筑工程中應(yīng)用可以說(shuō)是從廣州新白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)開(kāi)始，發(fā)展到今天在許多航站樓、會(huì)展中心、體育場(chǎng)館、奧運(yùn)場(chǎng)館、工業(yè)廠房、高層建筑直至現(xiàn)在的高鐵站房。
上海世博會(huì)展館的建設(shè)，對(duì)建筑、結(jié)構(gòu)業(yè)內(nèi)人士來(lái)講是一個(gè)“萬(wàn)國(guó)建筑博物館”，幾乎所有的展館均采用了鋼結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造出了千姿百態(tài)形態(tài)各異的建筑風(fēng)格，也說(shuō)明鋼結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)出建筑藝術(shù)精品。
80年代中期筆者去歐洲考察時(shí)帶回了國(guó)外的門(mén)式剛架標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖紙以及H型鋼和鋼網(wǎng)架生產(chǎn)線(xiàn)照片。當(dāng)時(shí)有的從事設(shè)計(jì)工作20多年的工程師卻認(rèn)為是建筑模型而已。其實(shí)一些部屬設(shè)計(jì)院早在60年代后期門(mén)式剛架在援外工程中已有應(yīng)用了，角鋼、節(jié)點(diǎn)板螺栓連接的鋼網(wǎng)架在高等院校的健身房中也已推廣使用。
80年代后期隨著外資企業(yè)進(jìn)入中國(guó)后，門(mén)式剛架才逐步被設(shè)計(jì)工作者認(rèn)知，但是對(duì)門(mén)式剛架的圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用蒙皮效應(yīng)設(shè)計(jì)還是難以推廣。
2 改變傳統(tǒng)理念，提高設(shè)計(jì)水平
在上世紀(jì)80年代以前，設(shè)計(jì)單層廠房和多層廠房時(shí)，往往很自然的會(huì)不加思索的采用鋼筋砼結(jié)構(gòu)，屋面結(jié)構(gòu)體系采用預(yù)應(yīng)力薄腹梁、大型屋面板。隨著鋼產(chǎn)量不斷增加，門(mén)式剛架重量輕、建設(shè)周期短、造價(jià)與鋼筋砼結(jié)構(gòu)基本相同等的優(yōu)越性被人們逐步接受。但多、高層鋼結(jié)構(gòu)商住房由于深層次原因，推廣還是困難重重。
鋼結(jié)構(gòu)在建筑領(lǐng)域的發(fā)展勢(shì)在必行，鋼結(jié)構(gòu)一方面要得到人們的認(rèn)知，更重要的是提高從業(yè)人員的設(shè)計(jì)水平和學(xué)術(shù)交流。現(xiàn)在有一些建筑、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師對(duì)鋼結(jié)構(gòu)體系概念并不清楚。都是由建筑師在既定的建筑方案基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算。結(jié)構(gòu)體系選擇的優(yōu)劣直接影響結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性、合理性。現(xiàn)在設(shè)計(jì)院的結(jié)構(gòu)工程師習(xí)慣于“平法表示”，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)來(lái)講，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和鋼承板鋪設(shè)方向?qū)Y(jié)構(gòu)影響和樓板平面剛度尚不夠重視。節(jié)點(diǎn)構(gòu)造在結(jié)構(gòu)體系中無(wú)論對(duì)結(jié)構(gòu)功能和用鋼量都占有重要地位，也直接影響造價(jià)，在設(shè)計(jì)圖中節(jié)點(diǎn)構(gòu)造至少要提供剛接、鉸接的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)，只要圖示清楚就可以由制造廠在深化設(shè)計(jì)中完成。
隨著城市的快速發(fā)展新的建筑不斷涌現(xiàn)，這些工程是由多專(zhuān)業(yè)交融在一起，業(yè)主、設(shè)計(jì)、施工盤(pán)根錯(cuò)節(jié)，要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)好的、經(jīng)得起時(shí)間檢驗(yàn)和歷史記憶的建筑工程恐怕為數(shù)不多。
中國(guó)是一個(gè)建筑業(yè)大國(guó)，無(wú)論在建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工水平在60年代的“十大建筑”和我國(guó)援外的大型公共建筑和高層建筑都曾經(jīng)走在世界前列，引起世界關(guān)注。而現(xiàn)在建筑業(yè)大發(fā)展時(shí)代很多城市地標(biāo)建筑成為外國(guó)建筑師在中國(guó)的試驗(yàn)場(chǎng)所，但并非完美，卻對(duì)中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工發(fā)展拓寬了視野，推動(dòng)了鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的快速發(fā)展。
現(xiàn)代建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)體現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)的屬性和行至有效的時(shí)代特征的藝術(shù)品建筑。深厚的控制能力，秉承錯(cuò)綜復(fù)雜的工藝技術(shù)，創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)與精湛的施工工藝相結(jié)合。
3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
優(yōu)化設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)發(fā)展的必然產(chǎn)物，是一門(mén)學(xué)科，各行各業(yè)都有一個(gè)“優(yōu)化”問(wèn)題，在建筑、結(jié)構(gòu)行業(yè)中的優(yōu)化是降低鋼材消耗為宗旨，而航天器的優(yōu)化設(shè)計(jì)是減輕自重為主導(dǎo)，企業(yè)管理的優(yōu)化以文化品位為導(dǎo)向等等。
3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)原則
a.優(yōu)化設(shè)計(jì)不應(yīng)以降低結(jié)構(gòu)安全等級(jí)和使用年限為代價(jià)，“過(guò)度優(yōu)化”必然會(huì)產(chǎn)生“樓危危”、“樓脆脆”等等，使建筑工程沒(méi)有達(dá)到有效生命期，不是“未老先衰”就是“英年早逝”。
b.優(yōu)化設(shè)計(jì)沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)答案，多人計(jì)算即使采用同一程序，也可以得出不同結(jié)果，計(jì)算結(jié)果的分析判斷可信度只有自己知道。
c.優(yōu)化設(shè)計(jì)是以降低造價(jià)為目標(biāo)，在建筑工程中降低造價(jià)包括設(shè)計(jì)、制作、安裝、運(yùn)輸?shù)榷喾矫娴膬?yōu)化。
3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
在鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)中為了降低用鋼量片面的理解為“應(yīng)力優(yōu)化”，其實(shí)不然，建筑結(jié)構(gòu)的“優(yōu)化設(shè)計(jì)”應(yīng)從以下幾方面進(jìn)行考慮。
(4) 節(jié)點(diǎn)優(yōu)化
鋼結(jié)構(gòu)梁、柱連接節(jié)點(diǎn)，其用鋼量占總用鋼量的12%～18%，其節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的優(yōu)劣，直接影響鋼結(jié)構(gòu)的安全度和抗震性能。
(5) 鋼網(wǎng)架的優(yōu)化
雙層或多層網(wǎng)架一般下弦層或中間層采用抽空網(wǎng)格；在局部玻璃采光頂處，可按玻璃的承載能力及玻璃區(qū)格對(duì)網(wǎng)格轉(zhuǎn)換，以避免桿件交錯(cuò)，取得良好的室內(nèi)視覺(jué)效果。
(6) 弦支穹頂預(yù)應(yīng)力優(yōu)化
徑向預(yù)應(yīng)力：如上海南站、北京南站。環(huán)向預(yù)應(yīng)力：如北京奧體羽毛球館和濟(jì)南體育館，環(huán)向預(yù)應(yīng)力的效能比徑向預(yù)應(yīng)力效能更經(jīng)濟(jì)合理。
東南網(wǎng)架博士后工作站鄭君華博士研究的“預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的施工張拉及優(yōu)化結(jié)構(gòu)”在實(shí)際工程建設(shè)中具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值和創(chuàng)新性。
(7) 桿件截面優(yōu)化
增加截面剛度，減少用鋼量，如悉尼機(jī)場(chǎng)管桁架結(jié)構(gòu)采用空腹桁架和交叉柔性腹桿。推廣波型腹板H型鋼梁，但關(guān)鍵是翼緣與波型腹板的機(jī)械化焊接問(wèn)題有待開(kāi)發(fā)。
(8) 節(jié)點(diǎn)計(jì)算優(yōu)化
計(jì)算假定與構(gòu)造相一致，結(jié)構(gòu)構(gòu)造與施工安裝相一致，節(jié)點(diǎn)功能與結(jié)構(gòu)受力相一致。東南網(wǎng)架博士后工作站劉堅(jiān)博士研究的“鋼結(jié)構(gòu)高階分析理論及應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)研究”具有前瞻性，其中梁、柱節(jié)點(diǎn)半剛性連接的二階彈性分析，可作為鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)在工程應(yīng)用中的理論依據(jù)。
(9) 應(yīng)力優(yōu)化
提高構(gòu)件使用應(yīng)力，降低結(jié)構(gòu)安全度，這是“低俗化”的優(yōu)化，正確的優(yōu)化是將壓彎構(gòu)件轉(zhuǎn)換成拉、壓二力構(gòu)件。
4 鋼網(wǎng)架(殼)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與構(gòu)造
鋼網(wǎng)架(殼)結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，應(yīng)用范圍已十分廣闊，應(yīng)用領(lǐng)域如體育場(chǎng)館、航站樓、工業(yè)廠房等等。該結(jié)構(gòu)形式由于具有較好的經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性，且包裝、運(yùn)輸及安裝簡(jiǎn)易便捷，因此，特別適用于海外工程。
目前，鋼網(wǎng)架(殼)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工具也十分先進(jìn)，如MST經(jīng)過(guò)數(shù)次版本升級(jí)已日臻完善。
4.1 國(guó)內(nèi)鋼網(wǎng)架(殼)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)類(lèi)型。
我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范有四種節(jié)點(diǎn)類(lèi)型，即螺栓球節(jié)點(diǎn)、焊接空心球節(jié)點(diǎn)、嵌入式轂節(jié)點(diǎn)及板式節(jié)點(diǎn)，其中焊接球節(jié)點(diǎn)又分為加肋焊接球節(jié)點(diǎn)和不加肋焊接球節(jié)點(diǎn)。
螺栓球節(jié)點(diǎn)、焊接空心球節(jié)點(diǎn)是應(yīng)用最廣泛的兩種節(jié)點(diǎn)形式，一般單獨(dú)應(yīng)用，但也可混合應(yīng)用，如北京首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)T3航站樓，在其他工程中也較常見(jiàn)。嵌入式轂節(jié)點(diǎn)類(lèi)似加拿大的Triodetic節(jié)點(diǎn)，一般很少采用。板式節(jié)點(diǎn)在20世紀(jì)60～70年代使用較多，現(xiàn)仍有使用價(jià)值。
4.2 國(guó)外鋼網(wǎng)架(殼)節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)介。
國(guó)外鋼網(wǎng)架(殼)節(jié)點(diǎn)體系十分豐富，如英國(guó)的Spacedeck節(jié)點(diǎn)體系和Nodus節(jié)點(diǎn)體系、德國(guó)的Mero節(jié)點(diǎn)體系、法國(guó)的SDC節(jié)點(diǎn)體系、美國(guó)的Unistrut節(jié)點(diǎn)體系、加拿大的Triodetic節(jié)點(diǎn)體系、日本的 Obayashi節(jié)點(diǎn)體系等等。上述節(jié)點(diǎn)體系有些屬于專(zhuān)利產(chǎn)品，有專(zhuān)門(mén)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和定點(diǎn)工廠生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)如果設(shè)計(jì)需要，可以進(jìn)口。圖5、圖6所示為日本熊本縣綜合公園室內(nèi)運(yùn)動(dòng)廣場(chǎng)鋼網(wǎng)殼焊接心球節(jié)點(diǎn)應(yīng)用情況。
4.3 焊接球與螺栓球混合應(yīng)用的問(wèn)題
當(dāng)同根桿件的一端為焊接球另一端為螺栓球（見(jiàn)圖7）混合使用時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照?qǐng)D8所示施工程序進(jìn)行施工，以防焊接收縮變形而使另一側(cè)螺栓無(wú)法擰到位的現(xiàn)象發(fā)生。
4.4 角鋼、節(jié)點(diǎn)板組成的鋼網(wǎng)架
角鋼桿件與節(jié)點(diǎn)板之間用螺栓連接，螺栓承受剪力，一些工程仍在應(yīng)用。
4.5 鋼木組合式網(wǎng)架(殼)
采用木材或厚層膠合板作為桿件，用螺栓、銷(xiāo)釘和專(zhuān)用配件的鋼木組合式網(wǎng)架(殼)國(guó)外應(yīng)用也較多。
4.6 鋼網(wǎng)架(殼)桿件接長(zhǎng)與焊接球連接問(wèn)題
4.6.1鋼管桿件的選用
有的設(shè)計(jì)要求全部桿件均采用無(wú)縫鋼管，其實(shí)無(wú)縫鋼管壁厚很不均勻，難以控制桿件的強(qiáng)度，而高頻直縫焊管壁厚較均勻，易于控制桿件的強(qiáng)度。但是高頻焊管大部分是冷彎成型，其延伸率有所下降；同時(shí)還有人擔(dān)心高頻焊管在壓力作用下會(huì)裂開(kāi)，其實(shí)只要是正規(guī)廠家生產(chǎn)的高頻直縫焊管，質(zhì)量是可靠的。另外冷彎薄壁鋼管有時(shí)效現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后延伸率會(huì)上升，與冷彎前非常接近，達(dá)到了節(jié)能和降低成本的效果。
4.6.2桿件的對(duì)接接長(zhǎng)
現(xiàn)行“網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程”和即將發(fā)布的“空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程”規(guī)定，對(duì)接桿件數(shù)允許不超過(guò)桿件總數(shù)的20%，但不得集中使用，每根桿件只允許一條對(duì)接焊縫，焊縫等級(jí)要求達(dá)到一級(jí)焊縫，比過(guò)去只允許10%接長(zhǎng)大大放松，降低了鋼材的損耗率。
4.6.3桿件與焊接空心球的連接
“網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程”規(guī)定當(dāng)桿件匯交相貫時(shí)，主桿要求全截面焊接在球面上，另一桿件與主桿坡口焊接連接，但必須保證另一桿件有3/4的截面焊接在球面上，這就是搭接率只允許15%，與鋼管桁架允許的搭接率25%≤≤100%嚴(yán)格得多，是否可以放松，值得商榷。
4.7 鋼網(wǎng)架(殼)支座設(shè)計(jì)
支座作為上部鋼網(wǎng)架(殼)與下部結(jié)構(gòu)連接的重要部件，理論上是一個(gè)具有“運(yùn)動(dòng)副”的機(jī)構(gòu)，廣泛的應(yīng)用于鋼網(wǎng)架(殼)工程中。鋼網(wǎng)架(殼)的支座設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)工程師來(lái)講應(yīng)認(rèn)真研究解決支座的假定。
4.7.1主要功能及選型準(zhǔn)則
(1) 將上部結(jié)構(gòu)反力可靠地集中傳遞到下部結(jié)構(gòu)，固定支座可起到這種作用；
(2) 有些反力傳遞給下部結(jié)構(gòu)時(shí)，將使下部結(jié)構(gòu)處于非常不利的復(fù)雜受力狀態(tài)，在各種隨機(jī)荷載作用下，釋放這些反力使其不至于傳遞到下部結(jié)構(gòu)。鉸接支座和橡膠支座可釋放彎矩或水平推力作用；
(3) 大跨度鋼網(wǎng)架(殼)基于風(fēng)力或溫度應(yīng)力在支座上產(chǎn)生較大水平剪力，可采用有限滑移、轉(zhuǎn)動(dòng)的鉸接支座，釋放部分水平剪力；
(4) 支座還應(yīng)具有抗震、減震和隔振作用的功能，以減少隨機(jī)荷載峰值，以確保下部結(jié)構(gòu)的安全度；
(5) 支座的安全等級(jí)及設(shè)計(jì)使用年限與鋼網(wǎng)架(殼)的安全等級(jí)及設(shè)計(jì)使用年限應(yīng)相一致，特別是支座設(shè)計(jì)時(shí)其輔助材料必須考慮耐久性和可更換性。
4.7.2幾個(gè)典型案例
(1) 鋼網(wǎng)架(殼)不允許所有支座假定為雙向滑移，計(jì)算軟件難以反映出其雙向滑移的結(jié)果，但實(shí)際情況會(huì)產(chǎn)生鋼網(wǎng)架(殼)整體浮動(dòng)，不受任何方向水平力，實(shí)際上是分離狀態(tài)；
(2) 鋼網(wǎng)架支承在排架柱頂上，即使柱頂設(shè)置了連系梁，其抗側(cè)剛度不滿(mǎn)足柱頂位移情況時(shí)：
5.2 合攏溫度
超大型鋼網(wǎng)架(殼)和大跨度管桁架結(jié)構(gòu)無(wú)論采用什么安裝方案，都是逐塊、逐條順序安裝，逐步形成整體的過(guò)程。設(shè)計(jì)人員或施工技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)擬建地區(qū)的氣溫條件提出最終合攏區(qū)段的合攏溫度要求。合攏時(shí)應(yīng)特別注意以下問(wèn)題：
(1) 合攏區(qū)段的構(gòu)件應(yīng)以原設(shè)計(jì)的幾何尺寸和連接構(gòu)造為準(zhǔn)。不應(yīng)隨意修改合擾區(qū)段的構(gòu)件幾何尺寸和連接構(gòu)造，更不允許采用嵌入構(gòu)件來(lái)彌補(bǔ)施工安裝中的收縮變形；
(2) 當(dāng)合攏溫度與設(shè)計(jì)要求不符時(shí)，可采取二種對(duì)策。對(duì)策一：可根據(jù)晝夜溫差確定合適的時(shí)間進(jìn)行合攏。對(duì)策二：施工期內(nèi)，晝夜溫差難以解決時(shí)，必須對(duì)溫差組合效應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算；對(duì)超應(yīng)力桿件更換是不現(xiàn)實(shí)的，要么加固，要么對(duì)局部桿件可按低階塑性狀態(tài)計(jì)算，然后按結(jié)構(gòu)整體校核，其變形在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)也是可行的。
(3) 加強(qiáng)合攏區(qū)段施工期間的監(jiān)管，并做好相關(guān)的記錄，歸入驗(yàn)收檔案。
6 結(jié)束語(yǔ)
參考文獻(xiàn)
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[3]《網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ61-2003，J258-2003）.
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[5]《結(jié)構(gòu)概念和體系》第二版[美]林同炎等著，中國(guó)建筑工業(yè)出版社.
[6]《高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)》高立人等箸，中國(guó)計(jì)劃出版社.
[7]《世界建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精品選》日本篇 陳以一主編，中國(guó)建筑工業(yè)出版社.
[8]《網(wǎng)架網(wǎng)殼設(shè)計(jì)與施工》丁蕓孫等編著，中國(guó)建筑工業(yè)出版社.
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