论文部分内容阅读
摘 要：大跨度建筑中的混合结构是近年来结构专业的新型的提法，大跨度建筑不可或缺的结构型式，随着技术水平的发展，展现出多样化的格局，由以前较重的结构体系发展到轻薄的体系，由传统的刚性结构发展到半刚性结构，笔者通过从实际与理论方面浅析一下混合结构。
关键词：大跨度；混合结构
在最近的一二十年里，大跨空间结构在美国、日本、欧洲等一些发达国家发展很快。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经不是个例；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。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。
一、混合结构概念
当跨度达到超过一定限度时，普通的平面结构就开始变得不是很合理了。从国内外工程实例可以看到，大跨度建筑多数采用各种形式的空间结构体系，多由两种或两种以上不同材料的承重结构所共同组成的结构体，这就是混合机构，混合结构不是指单一的结构形式，如砼、木结构、钢结构等，而是指多种结构形式总和而成的一种结构。
二、大跨混合结构的分类
1.按材料分类，如砌体结构、木结构、混凝土结构、钢结构、铝合金结构、复合材料（如胶合木、玻璃钢等）结构、膜结构、甚至还有纸结构等等。
2.按结构布置分类，分为平面结构和空间结构。平面结构外荷与支座反力作用在构件平面内，整个体系则是由一个个平面结构通过次要构件联系而构成；空间结构则在三个维度上完成对外荷的接收、传递和释放。
3.按结构形态分类，分为实体结构、线形（骨架）结构和面系结构。区分三者形态的方法来自结构截面尺寸和跨度比值，可以看出，实体结构占据的空间最大而面系结构最小。
4.按结构受力分类，结构的受力状态有拉、压、弯、剪和扭五种，由于结构实际受力的复杂性，只能说是以某种受力状态为主。从整体作用来看，可分为抗拉体系、抗压体系、抗弯体系。
二、大跨混合结构的运用
1.刚性混合结构
（1）拱单元+梁单元
拱单元体系力的改向机制为形态作用，即通过简单的法向压应力改变外力的方向。在理想的状况下，拱单元体系的结构形态精确地与力流相吻合。可以说，就是力量显示在材料上的“自然”途径，严格地受“自然”力流的规则所控制，因而不能成为任意的自由造型的对象。梁单元体系可以看作是“线性”部件，长而直且具有刚度，不但能抵抗轴向作用力，还可以通过截面应力来接收垂直其轴向的外力，力的改向属于截面作用机制，虽是最理想的构形的几何工具但与“自然”力流法则基本冲突。
（2）拱单元+杆系单元
杆系单元体系是一种多组件结构，因杆组件截面与其长度相比显得较小，故只能沿着其长度方向以法向应力传递力量，力的改向机制是依靠个别的拉力和压力杆件间的协调作用（向量作用）而构成。杆系单元结构体系骨架明晰，表现出人类智慧控制力量及支配重力的创造性，也是大跨结构中最为普及的一种结构体系。
（3）梁单元+杆系单元
梁单元体系中的梁结构不但能抵抗结构轴向荷载，也可依靠加大截面抵抗垂直结构轴向作用力。板结构可以看作是梁结构在平面维度尺寸的加宽（折板则看作是斜向联结的板），特点是平面内刚度大，即若板是平行于作用力的方向（对应重力是垂直方向），则承载机制最有效，若板正交于作用力方向（对应于重力是水平向），则承载机制最弱。
2.刚、柔混合结构
（1）混合吊挂体系
混合吊挂体系是指悬挂体通过拉索悬挂或斜拉在承载体上。是把桥梁建造的手段运用在建筑上，获得了不同的造型形象。悬挂体可以是单点的质量块，也可以是具有一定尺度的结构整体。拉索分为承担结构自重和外荷载的承重索与通过施加预应力来提高结构整体刚度的稳定索。承载体形式很多，但必需是刚性结构，如钢柱、钢拱、析架、混凝土塔柱等。混合吊挂体系可充分发挥拉索的高强度和施加预应力的优势，减少用钢量，同时，由于在悬挂体跨中提供吊挂点，起到了分割结构跨度，减小挠度，降低构件内力峰值的作用。根据不同的吊挂形式可分为两种系统：悬挂混合系统，斜拉混合系统。
（2）混合张拉体系
混合张拉体系是指“用拉压杆件将不稳定的构件或构架进行整合并使之稳定的体系，反力（水平推力）可以是自锚式，杆件也可以接触”。这种体系的特点是利用拉索控制结构的受力状态，根据拉索和压杆布置形式又分为立柱系统（strut system）、骨骼系统（Skeleton System）、单元系统（Unit System）三种类别。
（3）混合加劲体系
混合加劲体系是利用刚性子结构作为加劲或稳定柔性子结构的构件，如在锚固好的索结构垂直方向铺设（替换以往柔性稳定索），下压这些横向构件两端，使之产生强迫位移后固定以此在整个体系中建立预应力，形成整体刚度好的混合结构。
横向加劲刚性构件起到三个作用，一是均匀地传递和分配可能的集中荷载和局部荷载于承载索上，二是使结构体系建立了预应力提高整体刚度，三是将单向布索的平面结构转化为空间结构。在施加预应力的时候（对横向加劲刚性构件进行下压），要考虑和精确计算预应力的大小，过大会导致对索的承载体不利而造成破坏和倾覆，过小则造成结构整体刚度不够，特别是在非对称荷载下，可能会产生较大的机构性位移。
（4）半刚性悬挂体系
柔性索结构本生不能抗弯、抗压，要采取一定的措施使其具有必要的刚度结构和抵抗变形能力，以满足结构的各种功能的要求。以往在单层索结构中，要采用重屋面或加超载方法（在横向稳定索上施加预应力）使索保持较大的张力形成稳定系统；在双层索结构中，则要在稳定索与承载索之间加入立柱，通过张拉建立较大的预应力来保持一定的受力形状。但是，这些措施的作用还是有一定限度的，与刚性结构相比，索结构的形状稳定性和刚度只是维持在可接受的水平上。
总之，随着祖国的不断发展壮大，势必要建造更多、更大的大空间和超大空间建筑物，甚至会超过许多发达国家。但与国际先进水平相比，我国大跨空间结构的发展仍存在一定差距。主要表现在结构形式还比较拘谨，较少大胆创新之作，说明新颖的建筑构思与先进的结构创造之间尚缺乏理想的有机结合，尤其是150m以上的超大跨度空间结构的工程实践还比较少；结构类型相对地集中于网架和网壳结构，悬索结构用得比较少，而一些有巨大前景的新颖结构形式如膜结构和索-膜结构、整体张拉结构、可开合结构等在国外已有不少成功的工程实践，在我国则还处于空白或艰难起步阶段。情况看来是，我国空间结构的发展经过十余年来在较为平坦的草原上的驰骋之后，似乎遇上了一个需要努力跃上的新台阶。这一新台阶包含材料和生产条件等技术问题，也包含尚未很好解决的一些理论问题。为促进我国空间结构进一步的更高层次的发展，有待科技工作者和企业家努力创造条件，以求得这些技术问题和理论问题较快较好地解决。
参考文献
[1] R.Scruton著，刘先觉译，《建筑美学》北京，中国建筑工业出版社，2003年。
[2] 罗文媛，赵明耀著，《建筑形式语言》北京，中国建筑工业出版社，2001年。
[3]梅季魁著，《现代体育馆建筑设计》。哈尔滨，黑龙江科学技术出版社，1999年。
关键词：大跨度；混合结构
在最近的一二十年里，大跨空间结构在美国、日本、欧洲等一些发达国家发展很快。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经不是个例；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。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。
一、混合结构概念
当跨度达到超过一定限度时，普通的平面结构就开始变得不是很合理了。从国内外工程实例可以看到，大跨度建筑多数采用各种形式的空间结构体系，多由两种或两种以上不同材料的承重结构所共同组成的结构体，这就是混合机构，混合结构不是指单一的结构形式，如砼、木结构、钢结构等，而是指多种结构形式总和而成的一种结构。
二、大跨混合结构的分类
1.按材料分类，如砌体结构、木结构、混凝土结构、钢结构、铝合金结构、复合材料（如胶合木、玻璃钢等）结构、膜结构、甚至还有纸结构等等。
2.按结构布置分类，分为平面结构和空间结构。平面结构外荷与支座反力作用在构件平面内，整个体系则是由一个个平面结构通过次要构件联系而构成；空间结构则在三个维度上完成对外荷的接收、传递和释放。
3.按结构形态分类，分为实体结构、线形（骨架）结构和面系结构。区分三者形态的方法来自结构截面尺寸和跨度比值，可以看出，实体结构占据的空间最大而面系结构最小。
4.按结构受力分类，结构的受力状态有拉、压、弯、剪和扭五种，由于结构实际受力的复杂性，只能说是以某种受力状态为主。从整体作用来看，可分为抗拉体系、抗压体系、抗弯体系。
二、大跨混合结构的运用
1.刚性混合结构
（1）拱单元+梁单元
拱单元体系力的改向机制为形态作用，即通过简单的法向压应力改变外力的方向。在理想的状况下，拱单元体系的结构形态精确地与力流相吻合。可以说，就是力量显示在材料上的“自然”途径，严格地受“自然”力流的规则所控制，因而不能成为任意的自由造型的对象。梁单元体系可以看作是“线性”部件，长而直且具有刚度，不但能抵抗轴向作用力，还可以通过截面应力来接收垂直其轴向的外力，力的改向属于截面作用机制，虽是最理想的构形的几何工具但与“自然”力流法则基本冲突。
（2）拱单元+杆系单元
杆系单元体系是一种多组件结构，因杆组件截面与其长度相比显得较小，故只能沿着其长度方向以法向应力传递力量，力的改向机制是依靠个别的拉力和压力杆件间的协调作用（向量作用）而构成。杆系单元结构体系骨架明晰，表现出人类智慧控制力量及支配重力的创造性，也是大跨结构中最为普及的一种结构体系。
（3）梁单元+杆系单元
梁单元体系中的梁结构不但能抵抗结构轴向荷载，也可依靠加大截面抵抗垂直结构轴向作用力。板结构可以看作是梁结构在平面维度尺寸的加宽（折板则看作是斜向联结的板），特点是平面内刚度大，即若板是平行于作用力的方向（对应重力是垂直方向），则承载机制最有效，若板正交于作用力方向（对应于重力是水平向），则承载机制最弱。
2.刚、柔混合结构
（1）混合吊挂体系
混合吊挂体系是指悬挂体通过拉索悬挂或斜拉在承载体上。是把桥梁建造的手段运用在建筑上，获得了不同的造型形象。悬挂体可以是单点的质量块，也可以是具有一定尺度的结构整体。拉索分为承担结构自重和外荷载的承重索与通过施加预应力来提高结构整体刚度的稳定索。承载体形式很多，但必需是刚性结构，如钢柱、钢拱、析架、混凝土塔柱等。混合吊挂体系可充分发挥拉索的高强度和施加预应力的优势，减少用钢量，同时，由于在悬挂体跨中提供吊挂点，起到了分割结构跨度，减小挠度，降低构件内力峰值的作用。根据不同的吊挂形式可分为两种系统：悬挂混合系统，斜拉混合系统。
（2）混合张拉体系
混合张拉体系是指“用拉压杆件将不稳定的构件或构架进行整合并使之稳定的体系，反力（水平推力）可以是自锚式，杆件也可以接触”。这种体系的特点是利用拉索控制结构的受力状态，根据拉索和压杆布置形式又分为立柱系统（strut system）、骨骼系统（Skeleton System）、单元系统（Unit System）三种类别。
（3）混合加劲体系
混合加劲体系是利用刚性子结构作为加劲或稳定柔性子结构的构件，如在锚固好的索结构垂直方向铺设（替换以往柔性稳定索），下压这些横向构件两端，使之产生强迫位移后固定以此在整个体系中建立预应力，形成整体刚度好的混合结构。
横向加劲刚性构件起到三个作用，一是均匀地传递和分配可能的集中荷载和局部荷载于承载索上，二是使结构体系建立了预应力提高整体刚度，三是将单向布索的平面结构转化为空间结构。在施加预应力的时候（对横向加劲刚性构件进行下压），要考虑和精确计算预应力的大小，过大会导致对索的承载体不利而造成破坏和倾覆，过小则造成结构整体刚度不够，特别是在非对称荷载下，可能会产生较大的机构性位移。
（4）半刚性悬挂体系
柔性索结构本生不能抗弯、抗压，要采取一定的措施使其具有必要的刚度结构和抵抗变形能力，以满足结构的各种功能的要求。以往在单层索结构中，要采用重屋面或加超载方法（在横向稳定索上施加预应力）使索保持较大的张力形成稳定系统；在双层索结构中，则要在稳定索与承载索之间加入立柱，通过张拉建立较大的预应力来保持一定的受力形状。但是，这些措施的作用还是有一定限度的，与刚性结构相比，索结构的形状稳定性和刚度只是维持在可接受的水平上。
总之，随着祖国的不断发展壮大，势必要建造更多、更大的大空间和超大空间建筑物，甚至会超过许多发达国家。但与国际先进水平相比，我国大跨空间结构的发展仍存在一定差距。主要表现在结构形式还比较拘谨，较少大胆创新之作，说明新颖的建筑构思与先进的结构创造之间尚缺乏理想的有机结合，尤其是150m以上的超大跨度空间结构的工程实践还比较少；结构类型相对地集中于网架和网壳结构，悬索结构用得比较少，而一些有巨大前景的新颖结构形式如膜结构和索-膜结构、整体张拉结构、可开合结构等在国外已有不少成功的工程实践，在我国则还处于空白或艰难起步阶段。情况看来是，我国空间结构的发展经过十余年来在较为平坦的草原上的驰骋之后，似乎遇上了一个需要努力跃上的新台阶。这一新台阶包含材料和生产条件等技术问题，也包含尚未很好解决的一些理论问题。为促进我国空间结构进一步的更高层次的发展，有待科技工作者和企业家努力创造条件，以求得这些技术问题和理论问题较快较好地解决。
参考文献
[1] R.Scruton著，刘先觉译，《建筑美学》北京，中国建筑工业出版社，2003年。
[2] 罗文媛，赵明耀著，《建筑形式语言》北京，中国建筑工业出版社，2001年。
[3]梅季魁著，《现代体育馆建筑设计》。哈尔滨，黑龙江科学技术出版社，1999年。