建筑工程新結構體系研究

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一、鋼—混凝土混合結構

20世紀80年代，我國引進芝加哥的鋼—混凝土混合結構，并將其普遍應用于高層建筑當中。我國建設部和冶金工業(yè)局非常重視鋼—混凝土混合結構的綜合使用效益，從20世紀末到21世紀初便一直將其列為重點結構綜合使用，尤其在高層辦公大樓、高層住宅建筑、高校建筑以及醫(yī)院建筑等方面應用的最為普遍。如今，鋼—混凝土混合結構形式依然遵循最初的建設及應用標準，較多應用于我國高層建筑領域當中，已經(jīng)成為了當前超高層建筑的主要結構材料。據(jù)相關部門調查分析可知:我國高層建筑采用鋼―混凝土混合結構可以大大提高建筑材料的綜合利用比率，相比全鋼結構的使用周期和施工速度，鋼—混凝土混合結構明顯優(yōu)化了許多，是目前高層建筑建設中最為有效的工程結構形式。鋼—混凝土混合結構主要由三大部分組合而成，分別是:鋼構件、鋼、混凝土組合構件，由于各部件各具特點和建筑優(yōu)勢，因此它們可以組成各種不同的混合結構形式。具體而言，鋼結構和混凝土結構各自具有建筑優(yōu)勢，鋼結構重量輕、強度好、建筑施工較為簡便，混凝土結構的剛度大、材料消耗少且防火性能較好，兩種建筑材料各具優(yōu)勢，將兩者有效結合才能為我國高層建筑建設開辟一條全新的發(fā)展道路。簡言之，與其他材料結構相比，鋼—混凝土混合結構的主要優(yōu)點是整體性能較好，可以灌筑成為一個有效的整體;可塑造性強，可以灌筑成為各種尺寸和形狀的結構;結構強度和防火性能較好，工程造價和維護費用都相對較低。然而，在具體建設過程中，也需要注意混合結構的缺點和不足之處，鋼構件、鋼與混凝土組合構件之間的協(xié)作性能還需進一步加強和提高，相應的控制指標還需進一步改善和優(yōu)化;由于在室外施工，受天氣、氣候和季節(jié)的影響較大;新舊混凝土融合度較差，加大了后期的修復難度。下面將通過一個典型的鋼—混凝土混合結構建筑實例———深圳地王大廈，展示該結構的獨特魅力。深圳地王大廈的正式名稱是信興廣場，是當時世界超高層建筑“最扁”、“最瘦”的記錄保持建筑物，建成時也是亞洲第一高樓，全國第一個鋼結構高層建筑，采用鋼框架—ＲC核心筒結構，用鋼量高達24500噸，位居世界十大建筑之列。該工程的整個主樓鋼結構以箱型鋼柱以及H型鋼梁支撐為主，最大重量為47噸，最厚鋼板的厚度約為90毫米，最大箱型梁37.5噸;主樓鋼結構約有1.5萬件，重量約為2.45萬噸，壓型鋼板14萬米，熔焊栓釘50萬個，高強螺栓50萬顆;另外，主樓的中間部分為核心墻，勁性混凝土筒中筒結構的核心墻內共有鋼緒構柱24根，標準層內有鋼梁24根，并且外框都是全鋼結構，另外有26根箱型鋼柱通過鋼梁斜撐與核心墻相連，鋼結構數(shù)量為國內僅有。此外，地王大廈還采用了鋼管混凝土疊合柱與組合柱材料，所謂疊合柱與組合柱就是指截面中部的鋼管混凝土和鋼管外的鋼筋混凝土疊合而成的柱，疊合柱需要先澆筑中部的鋼管混凝土后再澆筑鋼管外的鋼筋混凝土，而組合柱需要同時澆筑鋼管內外的混凝土而成。采用疊合柱與組合柱不僅可以同時兼?zhèn)滗摴芑炷恋脑S多優(yōu)點，還具有更好的防火、防風、抗爆以及抗壓能力等優(yōu)點，這也是鋼—混凝土混合結構的絕對建筑優(yōu)勢所在，大大減輕了結構自重，并且加快了建筑施工速度。

二、索張拉結構

20世紀40年代末期，美國著名建筑師Fuller利用“拉壓共存”原理首次提出了索張拉整體體系，強調不連續(xù)的受壓構件與連續(xù)的受拉構件相互聯(lián)系，是一種高效率的鋼壓桿與預應力鋼索整合結構體系。該結構體系可以通過減少受壓狀態(tài)而使結構處于連續(xù)的張拉狀態(tài)，從而實現(xiàn)拉桿與壓桿相互聯(lián)系的最佳效應。分析建筑物結構的基本受力情況可知，結構的基本受力構件由受壓構件、受彎構件以及受拉構件三個部分組成。具體而言，受壓構件需要良好的整體配比，當受壓構件整體過長或者是整體過細都不利于有效發(fā)揮構件的穩(wěn)定性，構件失衡便無法發(fā)揮自身的使用效益;受彎構件的截面應力不均勻，往往會使得構件無法發(fā)揮最大效用;相比而言，只有受拉構件的截面應力相對均勻，不會發(fā)生整體失衡的狀態(tài)。因此，在建筑工程中最大限度地發(fā)揮受拉構件的綜合作用，不僅可以提高構件的承載力和受壓能力，充分發(fā)揮各種建筑材料的自身強度，還能切實提高構件的使用效率和經(jīng)濟效能。下面將通過一個典型的索張拉結構建筑實例———上海浦東國際機場，展示該結構的整體特點。20世紀末上海浦東國際機場正式建成，主要建筑航站樓由主樓和候機長廊兩大部分組成，由兩條信道連接，三層結構建成，總面積高達28萬平方米。該工程主要由主樓、高架進廳、登機長廊三大部分組成，主樓和高架進廳為連接3跨，跨度由東向西約為50m和40m，縱向長度約為410m。根據(jù)建筑結構和受力特點，航站樓的屋蓋斜挑鋼結構為國內外罕見的結構體系，主要采用了鋼筋混凝土結構和鋼結構兩大結構體系，標高12米以下的部分主要采用鋼筋混凝土結構體系，12米以上的大空間覆蓋面積主要采用鋼結構體系，兩種結構協(xié)調搭配，不但保證了航站樓的穩(wěn)定性，也保證了其較高的經(jīng)濟效益和使用效率。上海浦東機場的登機長廊跨度約為50m，縱向長度約為1400m，鋼屋架通過托架梁支撐在兩側不同的傾斜鋼柱上，張弦梁的上下弦均為圓弧形結構，其中，下弦為高強鋼索的梭子型鋼屋架結構體系，高端通過托架梁支撐在傾斜的鋼柱上，低端通過硂框架支撐在大梁上，通過縱向穩(wěn)定以及橫向堅固措施加強整體結構建設，以此確保該工程成為了索張拉結構的經(jīng)典之作。

三、索穹頂結構

索穹頂結構來源于美國著名設計師Fuller的“張拉結構”思想，經(jīng)過美國工程師Geiger和Levy的相繼改造，索穹頂結構在不斷發(fā)展中愈加完善，在美國、韓國等國家的體育館建設中得到了具體的實踐應用。20世紀80年代，我國從國外引進索穹頂結構，自從索穹頂結構引入中國，便以合理的受力、經(jīng)濟的造價和簡便的施工等顯著優(yōu)點贏得了廣大工程師的厚愛，發(fā)展至今，國內已經(jīng)建成了三個索穹頂標志性工程，索穹頂結構無疑成為了近年來炙手可熱的建筑工程研究熱點之一。具體而言，索穹頂結構是效率極高的張力集成體系，主要的構件是鋼索，因其利用膜材作為屋面，始終處于張力狀態(tài)的索段構成穹頂而得名為索穹頂。索穹頂建筑結構體系將鋼索的強度特性發(fā)揮的淋漓盡致，不但有效避免了柔性結構的松弛狀況，而且整體材料較為輕薄，便于正常建設與施工，堪稱建筑界的“經(jīng)濟造價之王”，普遍適用于跨度較大的結構之中。值得一提的是，索穹頂結構中的預應力鋼索壓桿少而短，極大提高了建筑鋼材的拉力和預應力。然而，索穹頂結構普遍存在索網(wǎng)平面外剛度不足、容易失穩(wěn)等固有缺點，在建筑過程中，需要提出進一步的完善舉措。下面將通過一個典型的索穹頂結構建筑實例———天津理工大學體育館，展示該結構的別樣之處。天津理工大學體育館是第13屆全國運動會的競賽場館之一，是國內第一個跨度超過100米的長短軸馬鞍形索穹頂結構，也是目前天津市在施場館中難度最大的一項工程。天津理工大學體育館是一座綜合性很高的體育場館，該項目用地面積43045m2，項目總建筑面積17100m2，主要由中心場地、訓練館及配套用房組成。該場館采用鋼筋混凝土框架結構，外墻采用蒸壓加氣混凝土砌塊，屋面采用鋁鎂錳合金板防水屋面、雙層膜結構及花崗石屋面，建筑物的使用年限以及安全系數(shù)都達到了同類建筑物之首。該場館不僅造型獨特，還兼顧了采光、牢固、實用等多重功效，體育館的屋蓋采用了膜結構和金屬結構相結合的建造方式，采用質量極佳的上好材料膜，實現(xiàn)了大跨度建筑材料的完美應用，充分保證了場館白天的采光性能。然而，由于屋蓋罩面采用的是異形結構，兩個坡坡面能夠在一點實現(xiàn)交匯，在交角處實現(xiàn)平滑過渡，才能保證索穹頂結構的良好使用功效，這一建設特點也加大了施工難度。

四、高效預應力結構體系

隨著我國建筑技術的不斷發(fā)展，高效預應力結構以其高強度的材料優(yōu)勢、現(xiàn)代化的設計方法以及先進的施工工藝逐漸發(fā)展成為了當今世界上技術最高、應用最廣的一種優(yōu)質建筑結構形式。目前，世界上大部分高端的土木建筑結構都采用了該建筑結構體系，與傳統(tǒng)的預應力建筑結構體系相比，該建筑結構充分使用高強度優(yōu)質建筑材料，混凝土強度較高，抗壓、抗拉能力強，利用預應力混凝土板、預應力框架梁、預應力墻體、預應力鋼屋架、預應力鋼梁、預應力柱、預應力鋼網(wǎng)架等結構實現(xiàn)建筑工程的整體建設。另外，通過抗震設計理論和延性設計理論來確定結構的預應力度和截面的配筋指數(shù)，大大提高了該建筑結構的抗震性能和正常使用能力等。近年來，該建筑結構體系被廣泛應用于高層以及結構轉換層、鋼結構、基礎、路面等結構領域。在我國建筑實例中，首都國際機場新航站樓工程、深圳車港工程、廣東國際大廈主樓工程以及青島中銀大廈工程等都是典型的高效預應力結構應用案例。由此可以看出，隨著高性能預應力材料的進一步發(fā)展以及先進建筑理論的合理應用，新型、實用、高效的預應力結構體系將會在我國建筑行業(yè)發(fā)揮越來越重要的建設作用，應該加強對高性能預應力建筑結構體系的綜合應用，從而實現(xiàn)建筑工程的快速發(fā)展和進步。