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  • 日期: 2015-10-23
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膜结构 结构的基本功能是承载.其承载能力的大小和有效性取决于采用的建筑材料和结构形式.而且两者是相互关联的。起初人类可采用的建筑材料只有天然的石材和木材,且由于木材易受潮腐烂,为得到具有恒久使用功能的结构如金字塔,石材几乎成为惟一的选择。当石材不易获取或获取的成本太高时,晒l' 的土坯和烧制砖便成为其替代品。然而石材、砖等砌块的尺寸都比较小,要得到能承担荷载的基本构件如墙体、屋顶、柱、墩等,必须把他们粘结起来,经常采用的粘结材料有灰泥、砂浆等。由砌块和枯结材料两种组分制成的构件称为砌体,是址爪要的结构构件。
人们显然希望更多使用受拉杆件,这是由于受拉构件只有达到抗拉强度后才会破坏,而细长受压杆件会在达到抗压强度之前发生屈曲失稳。降低结构自重的另外一个有效方法就是施加预应力,从而将不利的压应力转化成拉应力,该方法被广泛应用于建筑结构和桥梁结构中(Schlaich, 2001)0
除改进结构构件的形式外,降低结构自重的另一个有效方法是采用合理的结构体系。若结构承担的外荷载作用相同,采用那种能将承担的荷载向各个方向扩散,使整个结构的构件共同工作达到等强(可靠度)设计的结构的自重必然最小。具有这种受力特点的结构就是空间结构。
薄壳是最早采用的现代空间结构形式。由于薄壳结构的厚度小,当受到外荷载时,壳体的面外弯曲应力和扭转应力相对较小,其主要应力是面内应力 (亦称薄膜应力)。面内应力的流向成立体状,传力途径简捷,使得混凝土薄壳成为20世纪六七十年代最主要的空间结构形式。
如前所述,人们在充分认识了实腹梁的受力特性后,逐步将其部分腹部材料掏空,形成了平面析架;为了提高析架的刚度和承载力,人们又将平面析架双向布置,形成空间析架,进而发展成为(平板)网架。与此相似,为了降低钢筋混凝土薄壳的自重,发挥钢材这种轻质高强材料的特点,将壳体中部分钢筋混凝土材料掏空,用钢构件代替剩余的钢筋混凝土,形成钢网壳。一般将网架和网壳统称为空间网格结构。
在外荷载作用下,空间网格结构中部分构件受拉,部分构件受压。对于受拉构件,其截面尺寸由强度和刚度控制.而受压构件的截面尺寸由稳定承载力控制;同时,为了方便工厂加工及现场安装,必须减少构件种类,这样就造成只有部分构件是满应力的,而其他构件则处于“强度过剩”状态,使材料的高强性能得不到充分发挥。
悬索结构或许是弥补这一缺陷的另一种结构形式,它以受拉的高强钢索作为主要承重构件,代替空间网格结构的刚性构件,形成柔性网格结构,此时结构内基本上不存在构件的稳定问题,可最大限度地利用钢材的高强性能。
需要注意的是,在从连续壳体结构向网格结构发展过程中发生了受力结构与屋面围护结构的分离。对于连续壳体结构,壳体既是受力结构又是攫盖性围护结构;而对于网格结构,必须在受力网格上附加围护结构才能将各种活荷载传递到受力网格上,并满足建筑功能要求。网格结构的围护构件一般采用各种形式的板材,此时虽然板的跨度只是单个网格的尺寸,较整个结构的跨度降低了很多,但它不再具有壳体的空间受力特性,与壳体相比,其厚度并没有随着跨度的降低而等比例减小,因此网格屋盖结构(含覆盖层时)的单位面积自重并不一定较钢筋混凝土壳体的自重有较大幅度的降低,只是由于采用了高强度材料才使网格结构的跨度得以提高。这样可以看出,如果能开发出一种具有一定强度,可起到传递荷载作用的轻质覆盖材料,将对降低结构自重做出很大的贡献。
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