【正文】 們在地震作用下同樣存在動力失穩(wěn)問題，其嚴重性如何？對于某些動力反應(yīng)過大的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，是否有必要采取適當?shù)恼駝涌刂拼胧?？諸如此類問題都是我國學(xué)術(shù)界正在深入思考或已著手進行研究的問題。我國在懸索結(jié)構(gòu)和膜結(jié)構(gòu)的“找形分析”或更確切地說“初始平衡狀態(tài)分析”方面作過不少工作，并編制了一些相應(yīng)的軟件。這類結(jié)構(gòu)在風(fēng)作用下的振動一般屬于限幅隨機振動。關(guān)鍵詞：空間結(jié)構(gòu) 回顧 展望一、概 述在這實際的三維世界里，任何結(jié)構(gòu)物本質(zhì)上都是空間性質(zhì)的，只不過出于簡化設(shè)計和建造的目的，人們在許多場合把它們分解成一片片平面結(jié)構(gòu)來進行構(gòu)造和計算。例如 1975年建成的美國新奧爾良“超級穹頂”（Superdome），直徑207m，長期被認為是世界上最大的球面網(wǎng)殼；現(xiàn)在這一地位已被1993年建成夏徑為222m的日本福岡體育館所取代，但后者更著名的特點是它的可開合性：它的球形屋蓋由三塊可旋轉(zhuǎn)的扇形網(wǎng)殼組成，扇形沿圓周導(dǎo)軌移動，體育館即可呈全封閉、開啟1／3或開啟2／3等不同狀態(tài)?！睆慕裉靵砜?，大跨度和超大跨度建筑物及作為其核心的空間結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展狀況已成為代表一個國家建筑科技水平的重要標志之一。以北京亞運會（1990）、哈爾濱冬季亞運會（1996）、上海八運會（1997）的許多體育建筑為代表的一系列大跨空間結(jié)構(gòu)——作為我國建筑科技進步的某種象征在國內(nèi)外都取得了一定影響。大跨空間結(jié)構(gòu)的類型和形式十分豐富多彩，習(xí)慣上分為如下這些類型：鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)；平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)；懸索結(jié)構(gòu)；膜結(jié)構(gòu)和索－膜結(jié)構(gòu)；近年來國外用的較多的“索穹頂”（Cable Dome)實際上也是一種特殊形式的索－膜結(jié)構(gòu)；混合結(jié)構(gòu)(Hybrid Structure)，通常是柔性構(gòu)件和剛性構(gòu)件的聯(lián)合應(yīng)用。二、空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)早于平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。1973年建成的上海萬人體育館采用圓形平面的三向網(wǎng)架凈架110m，厚6m，采用圓鋼管構(gòu)件和焊接空心球結(jié)點，用鋼指標47kg每平米。這種現(xiàn)實需求對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)等多種空間結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展起了良好的刺激作用。在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用日益擴大的同時，平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)并未停止其自身的發(fā)展。1992年建成的天津無縫鋼管廠加工車間面積為6萬平米（108m x 564m），柱網(wǎng)36m x 18m,采用螺栓球結(jié)點網(wǎng)架，用鋼指標32kg每平米，與傳統(tǒng)的平面鋼桁架方案比較，節(jié)省了47％。與國際水平相比，我國目前網(wǎng)架生產(chǎn)的工藝水平和質(zhì)量管理水平尚有一定距離。但此后我國懸索結(jié)構(gòu)的發(fā)展停頓了較長一段時間，一直到80年代，由于大跨度建筑的發(fā)展而提出的對空間結(jié)構(gòu)形式多樣化的要求，這種形式豐富的輕型結(jié)構(gòu)重新引起了人們的熱情，工程實踐的數(shù)量有較大增長，應(yīng)用形式趨于多樣化理論研究也相應(yīng)地開展起來形勢相當喜人。為了提高單層懸索的形狀穩(wěn)定性，在單層平行索系上設(shè)置橫向加勁梁（或桁架）的辦法也是十分有效的。這一新穎結(jié)構(gòu)參加了1987年在美國舉行的國際先進結(jié)構(gòu)展覽。所以，采用組合式屋蓋在很多場合毋寧說主要是出于建筑造型和使用功能方面的考慮。從國外情況看，1970年大阪萬國博覽會上的美國館采用氣承式膜結(jié)構(gòu)（俗稱充氣結(jié)構(gòu)），首次使用以聚氯乙烯（PVC）為涂層的玻璃纖維織物，受到廣泛注意，其準橢圓平面的軸線尺寸達14Om x 835m，一般認為是第一個現(xiàn)代意義的大跨度膜結(jié)構(gòu)。這種體系與索網(wǎng)結(jié)構(gòu)類似，張緊在剛性或柔性邊緣構(gòu)件上，或通過特殊構(gòu)造支承在若干獨立支點上，通過張拉建立預(yù)應(yīng)力，并獲得確定形狀。然而由美國工程師Geiger根據(jù)Fuller的張拉集合體（Tensegrity)概念發(fā)展起來的所謂“索穹頂”（Cable Dome），也許是近10年來最為膾炙人口的一種新穎張拉體系。在膜結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面近年來也開始呈現(xiàn)比較活潑的勢頭。這些研究為我國空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了基本的理論支持。但也應(yīng)當指出，對某些形式的懸索結(jié)構(gòu)來說，簡單實用的解析方法仍然有意義；對于像雙層索系等比較簡單的體系，解析力法已完全可以提供準確而完整的計算結(jié)果。結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能可以從其荷載位移全過程曲線中得到完整的概念；這種全過程曲線要由較精確的非線性分析得出。（2）除了關(guān)于各種類型空間結(jié)構(gòu)的基本性狀和計算方法的研究以外，一些更為基礎(chǔ)性的理論研究也受到了重視，例如關(guān)于網(wǎng)殼穩(wěn)定性的研究已取得許多重要成果?，F(xiàn)在我們設(shè)計空間結(jié)構(gòu)幾乎全部依靠計算機。應(yīng)該說我們在空間結(jié)構(gòu)理論研究大面做了許多工作。與世界先進水平相比，中國在膜結(jié)構(gòu)方面的差距是十分明顯的。例如日本秋田縣的“天穹”（Sky dome）是一個切去兩邊的球面穹頂（D=130m），其主要承重結(jié)構(gòu)是一系列平行的格構(gòu)式鋼拱架，蒙以膜材后，用設(shè)在兩拱中間的鋼索向下拉緊，并在屋面上形成V形排水（雪）溝槽。但如前面所提，日本在1988年建成的東京后樂園棒球館仍然采用氣承式索膜結(jié)構(gòu)，不過應(yīng)用了極為先進的自動控制技術(shù)，而且采用雙層膜結(jié)構(gòu)，中間可通熱空氣融雪；中央計算機自動監(jiān)測風(fēng)速、雪壓、室內(nèi)氣壓、膜和索的變形及內(nèi)力，并自動選擇最佳方法來控制室內(nèi)氣壓和消除積雪。與此同時，同屬于張力結(jié)構(gòu)體系、在國外應(yīng)用很廣的膜結(jié)構(gòu)或索膜結(jié)構(gòu)在我國則處于艱難起步階段。采用各種組合式屋蓋不僅進一步豐富了建筑造型，而且往往能更好地滿足某些建筑功能上的要求，例如為體育館建筑提供了“最優(yōu)”的內(nèi)部空間。我國無錫體育館也采用了這種體系。施工時先將屋面板掛在索上（使索正好位于板縫中），在板上臨時加載使索伸長，然后在板縫中澆灌細石混凝土，待達到一定強度后卸去臨時荷載，即形成具有一定預(yù)應(yīng)力的“懸掛薄殼”。世界上最早的現(xiàn)代懸索屋蓋是美國于1953年建成的Raleigh體育館，采用以兩個斜放的拋物線拱為邊緣構(gòu)件的鞍形正交索網(wǎng)。這么大的數(shù)字是任何其它國家無法比擬的，無愧于“網(wǎng)架王國”這一稱號，難怪國外有關(guān)企業(yè)對這一巨大市場垂涎欲滴。1991年建成的第一汽車制造廠高爾夫轎車安裝車間面積近8萬平米（），柱網(wǎng)21mx12m,采用焊接球結(jié)點網(wǎng)架，用鋼指標31kg每平米。1997年剛建成的長春萬人體育館平面呈桃核形，由肋環(huán)型球面網(wǎng)殼切去中央條形部分再拼合而成，體型巨大，如果將外伸支腿計算在內(nèi)，其桁架式“網(wǎng)片”的上、下弦和腹桿一律采用方（矩形）鋼管，焊接連接，是我國第一個方鋼管網(wǎng)殼。但事物總是存在兩個方面。相對而言自第一個平板網(wǎng)架（上海師范學(xué)院球類房，）于1964年建成以來，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)一直保持較好發(fā)展勢頭。這類結(jié)構(gòu)富有發(fā)展前景。這一新臺階包含材料和生產(chǎn)條件等技術(shù)問題，也包含尚未很好解決的一些理論問題。我國大跨度空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)原來比較薄弱，但隨著國家經(jīng)濟實力的增強和社會發(fā)展的需要，近十余年來也取得了比較迅猛的發(fā)展?？梢赃@樣說，大跨空間結(jié)構(gòu)是最近三十多年來發(fā)展最快的結(jié)構(gòu)形式。近二十余年來，各種類型的大跨空間結(jié)構(gòu)在美、日、歐等發(fā)達國家發(fā)展很快。本文就空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和張力結(jié)構(gòu)兩大類介紹了國內(nèi)外（但主要是國外）空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀和前景。對于不同的結(jié)構(gòu)體系，其風(fēng)振特性也有差別。日本半谷近年來提出形態(tài)分析的概念試圖使空間結(jié)構(gòu)的形體設(shè)計理論進一步系統(tǒng)化，很有意義。（3）相對來說，國內(nèi)外關(guān)于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在風(fēng)和地震荷載作用下的反應(yīng)研究得較少。此外，在研究初始缺陷對網(wǎng)殼穩(wěn)定性的影響時，對所提出的“一致缺陷模態(tài)祛”（即認為初始缺陷按最低屈曲模態(tài)分布時可能具有最不利影響）的合理性和有效性進行了仔細論證，并使之規(guī)范化。當考察創(chuàng)始缺陷和荷載分布方式等因素對實際網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能的影響時，也均可從全過程曲線的規(guī)律性變化中進行研究。這是我國結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的一個優(yōu)良傳統(tǒng)。計算機的普及和有限元分析方法的廣泛運用為空間結(jié)構(gòu)的加速發(fā)展創(chuàng)造了真正的條件。國產(chǎn)膜材的質(zhì)量也正在改進。Geiger進行了適當改造，提出了支承在圓形剛件周邊構(gòu)件上的預(yù)應(yīng)力拉索壓桿體系，索沿輻射方向布置，并利用膜材作為屋面，他稱之為“索穹頂”，并首先用于1988年漢城奧運會的兩個體育館工程。1993年建成的美國丹佛國際機場候機大廳采用完全封閉的張拉式膜結(jié)構(gòu)平面尺寸305mx67m，由17個連成一排的雙支柱帳篷式單元組成。但這種結(jié)構(gòu)體系也出現(xiàn)了一些問題，主要是田于意外漏氣或氣壓控制系統(tǒng)不穩(wěn)定而使屋面下癟，或由于暴風(fēng)雪天氣在屋面形成局部雪兜而熱空氣融雪系統(tǒng)又效能不足導(dǎo)致屋面下癟甚至事故。這種體系利用由塔柱頂端伸出的斜拉索為屋蓋的橫跨結(jié)構(gòu)（主梁、桁架、平板網(wǎng)架等）提供了一系列中間彈性支承，使這些橫跨結(jié)構(gòu)不需靠增大結(jié)構(gòu)高度和構(gòu)件截面即能跨越很大的跨度。例如四川省體育館和青島市體育館的屋蓋是由兩片索網(wǎng)和作為中間支承的一對鋼筋混凝土拱組合起來的。由一系列承重索和曲率相反的穩(wěn)定索組成的預(yù)應(yīng)力雙層索系，是解決懸索結(jié)構(gòu)形狀穩(wěn)定性的另一種有效形式。值得稱道的是，我國的科技人員在學(xué)習(xí)和吸收國外先進經(jīng)驗的同時，在結(jié)合工程具體條件創(chuàng)造更加符合中國國情的結(jié)構(gòu)應(yīng)用形式方面做了不少嘗試和創(chuàng)新。三、張力結(jié)構(gòu)中國現(xiàn)代懸索結(jié)構(gòu)的發(fā)展始于50年代后期和60年代，北京的工人體育館和杭州的浙江人民體育館是當時的兩個代表作。這類結(jié)構(gòu)體系整體剛度好，技術(shù)經(jīng)濟指標優(yōu)越，可提供豐富的建筑造型，因而受到建設(shè)者和設(shè)計者的喜愛。這些三邊支承的平板網(wǎng)架規(guī)模巨大，且需承受較重的懸掛荷載，常采用較重型的焊接型鋼（或鋼管）結(jié)構(gòu)，有時需采用三層網(wǎng)架；其單位面積用鋼指標可達到一般公用建筑所用網(wǎng)架的一倍或更多。近幾年來建造了一些規(guī)模相當宏大的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。改革開放以來的十多年里是我國空間結(jié)構(gòu)快速發(fā)展的黃金時期而平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)就自然地處于捷足先登的優(yōu)先地位。當時柱面網(wǎng)殼大多采用菱形“聯(lián)方”網(wǎng)格體系，1956年建成的天津體育館鋼網(wǎng)殼（跨度52m）和l961年同濟大學(xué)建成的鋼筋混凝土網(wǎng)殼（跨度40m）可作為典型代表。平板網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，還包括一些未能單獨歸類的特殊形式，如折板式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、多平面型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、多層多跨框架式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等，總起來可稱為空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。但與國際先進水平相比，我國大跨空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展仍存在一定差距。同一時期，西德由斯圖加特大學(xué)主持組織了一個“大跨度空間結(jié)構(gòu)綜合研究計劃”，每年研究經(jīng)費100萬馬克以上。許多宏偉而富有特色的大跨度建筑已成為當?shù)氐南笳餍詷酥竞椭娜宋木坝^。當跨度增大時，空間結(jié)構(gòu)就愈能顯示出它們優(yōu)異的技術(shù)經(jīng)濟性能。網(wǎng)格內(nèi)外均鋪設(shè)透明的ETFE充氣膜膜枕,賦以整個建筑以晶瑩剔透的外表,這種結(jié)構(gòu)又稱之為“水立方”(Water Cube。內(nèi)桅桿的增設(shè), 主要控制風(fēng)荷載作用下膜下拉處的水平位移及向下位移。2結(jié)構(gòu)體系索膜頂棚采用連續(xù)的張拉式索膜結(jié)構(gòu)體系, 總長度約840m, 最大跨度約97m, 膜面總投影面積約61000m2, 展開總面積約65000m2, 單塊膜最大展開面積約1800m2, 膜面單元一般呈三角形。由于施工方法的限制,上層網(wǎng)殼的安裝定位依靠布置在節(jié)點下部的臨時支撐完成，焊接完成后部分結(jié)構(gòu)自重仍由臨時支撐承擔。建筑層數(shù):地上2層,地下1層,屋蓋采用聯(lián)方一凱威特型弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系,矢跨比為1/10。節(jié)點構(gòu)造詳圖6,該節(jié)點為典型的半剛性節(jié)點。屋蓋鋼結(jié)構(gòu)桿件采用Q345B 級鋼的圓鋼管,桿件詳細規(guī)格見表2 ,所有桿件節(jié)點形式為空間相貫節(jié)點。由于上述拉索預(yù)應(yīng)力和彈性支承的共同作用,使得最終殼體的內(nèi)力和變形明顯減小,實現(xiàn)對殼體應(yīng)力和變形的主動控制,從而大大提高了結(jié)構(gòu)效率。結(jié)構(gòu)體系與布置在充分分析屋蓋建筑造型特點的基礎(chǔ)上,經(jīng)多次方案論證,屋蓋結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力平面桁架殼體(圖6。該屋面除了中央矢高為7m,跨度為24m 的中央球殼為球面外,其余的屋面部分無法采用解析曲面對其進行描述。二:2008奧運會乒乓球館該體育館屋蓋的造型充分考慮了中國傳統(tǒng)建筑特色和北京的城市建筑風(fēng)格(圖1 ,在建筑形象上抽象地表達了乒乓球比賽的特點。鋼筋混凝土柱柱頂標高+,網(wǎng)殼最高點標高+。三:廣州亞運會臺球壁球綜合館 溫度縫的設(shè)置 節(jié)點設(shè)計四:2008奧運會鳥巢國家體育場建筑體形上像鳥巢新穎獨特,具有一定的獨創(chuàng)性。 ITI,上部剛性桿件結(jié)構(gòu)斷面為正三角形立體桁架,高3 1TI、寬3 ITI,下部距預(yù)應(yīng)力桁架兩端45 1TI處各設(shè)置了兩對空間V形撐桿,見圖3。除在四周邊設(shè)有支座外,在熱身區(qū)域和比賽區(qū)域交界處還有一排柱子支承,整個屋蓋結(jié)構(gòu)為東西方向單跨簡支,南北方向兩跨簡支。在熱身館區(qū)域,不包括懸挑結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)跨度為51m 63m,跨度較小,空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的高度與跨度比較協(xié)調(diào),不需要在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下部布置鋼索。三維整體模型工程屋蓋由12榀空間門式鋼鋼架組成,中心距8,0米,鋼剛架為四肢組合的格構(gòu)式結(jié)構(gòu)。雖然體育館在功能上劃分為比賽館和熱身館兩部分,但屋蓋結(jié)構(gòu)在兩個區(qū)域連成整體,即采用正交正放的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)連續(xù)跨越比賽館和熱身館兩個區(qū)域,形成一個連續(xù)跨結(jié)構(gòu)。菱形支撐的四個角點均位于上弦節(jié)間的中點,該點也是網(wǎng)架斜腹桿的上弦點。主題館平面水平投影為矩形, m懸挑屋檐。在檁條結(jié)構(gòu)層內(nèi)滿堂布置約18 1TI18 m的交叉支撐,見圖4。整體承重結(jié)構(gòu)由一系列門式剛架繞著內(nèi)環(huán)旋轉(zhuǎn)而成,這種結(jié)構(gòu)布置形成一種三維空間承重體系。網(wǎng)殼采用焊接球節(jié)點,最大桿件為Φ21914,最大球節(jié)點為D65030,用鋼量約為95kg/m2,其中雙層球面網(wǎng)殼部分為60kg/m2,人字型柱及鋼結(jié)構(gòu)圈梁35kg/m2。球殼覆面材料為玻璃,這就可以讓自然光線穿過中央球殼照入室內(nèi)。該體育館中央球殼的標高為3313m,球殼周邊的圓形支承邊界的標高為2613m,旋轉(zhuǎn)屋脊低端與中央球殼的圓支承邊界相切,高端在屋檐處的最高點標高為2815m。為了使結(jié)構(gòu)造型與所取曲面形態(tài)一致,充分利用桁架結(jié)構(gòu)建筑造型適應(yīng)能力強的特點,將桁架上弦桿計成其軸線位于屋面曲面內(nèi)的復(fù)雜曲線形狀,下弦與上弦平行,桁架高215m,腹桿布置方式確保了較長的斜腹桿受拉,較短的豎腹桿受壓。鑒于扁平的屋蓋殼體在支座節(jié)點處將對下部混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的推力,32 個抗震球鉸支座中除了4個角點處的支座為固定鉸支座外,其余28 個支座均為單向滑動支座,長邊支座沿y 方向滑動,短邊支座沿x方向滑動。沙丘不透光部分為單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),三角形網(wǎng)格的尺寸基本為2m 2m 2m,每個網(wǎng)格的三個角點作為屋面系統(tǒng)的支承點。上層為單層網(wǎng)殼,下部布置5圈預(yù)應(yīng)力索桿體系,∞H 州。環(huán)向索從外到內(nèi)分別采用拉索SNS/S一7x199,5x139,5x139,5x61, 5x61。膜結(jié)構(gòu)一:上