大跨度异形钢结构屋面设计思考(2)
(2)对于建筑外形已确定,而此时外形显然不利于排水的屋面结构,应具体分析当地雨水的强度、雨水流经的途径、汇聚的方向和集中的程度,从而对\"雨水荷载\"作出专项分析,并与风及其它荷载进行效应组合,从而确保结构的安全。
(3)对于某些特别容易积聚雨水的部位,可以采用有保障的强制性机械排水措施尽快排除积水。在天沟水位超过一定高度时,可考虑降低建筑使用标准,设定有限高度檐口,这样水量太大时,可直接向外排水从而减轻对结构的压力。
三、 屋面结构形式与跨度及厚度的关系问题
大型场馆异形钢结构屋面都是以空间结构的形式出现的,然而空间结构的内涵是将平面结构的弯曲效应转换为空间结构构件的拉压效应,从而提高结构材料的利用率,减少结构变形。但是真实的空间结构不可能将弯曲效应全部化为轴力,特别是单层空间结构。如单层网壳结构在受到非均匀分布的局部荷载作用时普遍存在次弯矩。所以评定一个结构是否是空间结构,只有相对标准,主要是看它的\"度\",在其结构效应中,是以弯曲为主还是以轴向拉压为主。如果是以弯曲为主,则结构的厚度和跨度之比就要求较大;而对于以拉压效应为主的空间结构,则其厚度和跨度之比可以较小。例如一个平板网架,若将其看作一块板,则它主要受弯,不算严格的空间结构,所以其高跨比相对较大;而一个双层网壳,尽管其结构形式与平板网架相似,但作为一个壳体,其主要的结构效应为压力,因此其高跨比可以比平板网架明显减少。
大型场馆的异形钢结构屋面为了显示其轻巧和刚劲,常常要求屋面结构的厚度尽可能薄,于是许多新型结构、空间结构大量应用,如深圳会展中心中展览馆所用的索与曲面网壳的杂交结构。由于利用了索的支承作用,其网壳的厚度可以减薄。而吊索在室内并不占有空间,在室外还可以起到丰富观感的视觉效应。北京2008年奥运主场馆\"鸟巢\"方案,其屋面结构只是\"形似\"空间结构,而实质上接近平面板架结构(荷载与结构平面基本垂直),以弯曲效应为主,这就使得其构件截面难以减小,而单位平方米材料用量就较大。同时,这一方案也存在屋面雨水向中心汇集、排水路径过长问题。所以,尽管\"鸟巢\"方案在建筑和人文上很成功,它使我们联想起我们的先祖\"有巢氏\",它也使我们可以从建筑的发展来品味辩证法的历史观;然而,它在结构方案上却存在弱点。反之,如若将\"鸟巢\"方案改为圆拱形结构,则结构是优化了,但天然的\"鸟巢\"就变成人造的\"鸟笼\"了。所以建筑和结构的矛盾和协调问题,是建设领域中永恒的矛盾和主题。
四、屋面形状的变异与钢结构节点形式的关系
(1)现场焊接
钢结构的优势在于标准化工厂制作(包括焊接),现场快速安装(主要用螺栓),而对于大型场馆的异形钢结构屋面,由于造型变化导致构件的标准化划分非常困难,所以绝大多数工程用现场焊接方法,甚至是大量的高空焊接。
现场高空焊接与工厂焊接相比弊病较多,如:作业条件差、焊接工位无法调整、结构安装累积误差影响大、质量稳定性相对较低、质量检验困难、焊缝防腐蚀处理相对困难,等等。所以在设计异形钢结构屋面时,对于重要的节点,应力水平相对较高的节点,应该优先采用工厂焊接。若必须采用现场焊接,甚至高空焊接时,则应该采取重点技术措施,确保焊接质量。
(2)铸钢节点
铸钢节点用于杆件交汇数量多、交角小的节点,可以避免较大的应力集中,并体现出钢结构\"精确的美\"。然而,铸钢节点有被滥用的倾向。在某些少量大口径钢管之间接近正交的连接中,也有使用铸钢节点的。当钢管口径达1m时,所用铸钢节点的最大尺度达到5m之多,重达几吨,甚至十几吨,其制作难度大、重量大、造价高。对于这类少量几根钢管之间的连接,不妨仍采用相贯线焊接,也同样能满足受力要求,而且节约材料、降低工程造价,从外观看也并没有实质性的区别。所以无论对于什么引进的新技术,都应实事求是地分析其优缺点和适用范围,不能盲目引用。
目前,我国大型场馆异形钢结构屋面设计和建设正可谓精彩纷呈。作为结构工程师,则应理性地分析、认识各种结构形式的特点,在方案阶段就解决好结构概念设计问题,消除各种隐患,为合理地进行工程项目的设计及建设打下良好的基础。
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