【正文】 ，則成了建筑師和結(jié)構(gòu)工程師們共同追求的新目標(biāo)。在大跨度建筑結(jié)構(gòu)材料的使用方面，近些年來用得最多的還是傳統(tǒng)的型鋼、圓鋼、鋼索和薄膜。大跨度建筑結(jié)構(gòu)向著更輕、更遠(yuǎn)的發(fā)展趨勢要求必須千方百計(jì)降低結(jié)構(gòu)自重，其途徑一方面是研制運(yùn)用輕質(zhì)高強(qiáng)的新型建筑材料，另一方面是研究開發(fā)合理的結(jié)構(gòu)形式。本文所研究的結(jié)構(gòu)并非必須大于80m跨度的結(jié)構(gòu)，例如，對(duì)于框架結(jié)構(gòu)而言，15m的跨距已經(jīng)不適宜簡單的梁柱結(jié)構(gòu)體系實(shí)現(xiàn)，雖也是很大的跨度，但與80m的概念相距甚遠(yuǎn)。 研究意義從字面上理解，大跨度建筑混合結(jié)構(gòu)包含兩層意思：即“大跨度”與“混合”的結(jié)構(gòu)。如能將不同的結(jié)構(gòu)類型恰當(dāng)?shù)鼗旌显谝黄穑瑑?yōu)勢互補(bǔ)，則會(huì)獲得更為經(jīng)濟(jì)合理，并頗具表現(xiàn)力的結(jié)構(gòu)形式，從而更好地實(shí)現(xiàn)人類一直追尋輕、遠(yuǎn)的跨越理想。然而，一種結(jié)構(gòu)形式總有它自身跨越的極限能力和適用范圍?？蚣芙Y(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、薄殼結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、張拉結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)等已相當(dāng)豐富多彩。因此，無論是大跨度的工業(yè)廠房建筑，還是大跨度的民用公共建筑，豎向荷載始終限制著人類對(duì)空間跨度的不斷追求。內(nèi)力或位移HO圖112 高層建筑物高度與軸力、彎矩、側(cè)移的關(guān)系但是，在大跨度建筑中，往往是以重力為代表的豎向荷載控制著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，水平荷載產(chǎn)生的內(nèi)力和位移很小，對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較小。圖112給出了高層結(jié)構(gòu)中豎向荷載引起的軸力N、水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩M、結(jié)構(gòu)側(cè)向位移Δ與建筑物高度H的關(guān)系。同時(shí)，隨著建筑物高度的增加，水平荷載（風(fēng)荷載及地震作用）對(duì)結(jié)構(gòu)的作用將越來越大，傾覆力矩幾乎成倍增長。但是，高層建筑與大跨度建筑在力學(xué)上有著完全不同的設(shè)計(jì)方法。在建筑與結(jié)構(gòu)兩種學(xué)科的不斷碰撞與交流中，大跨度建筑正走向更富有活力、充滿靈感的新紀(jì)元。在這個(gè)過程中，建筑師越來越大膽地表現(xiàn)自己的建筑想法，結(jié)構(gòu)工程師面對(duì)越來越多的挑戰(zhàn)。大跨度建筑中的混合結(jié)構(gòu)是近年來結(jié)構(gòu)專業(yè)的新型提法，是大跨度建筑中不可或缺的結(jié)構(gòu)形式。從國內(nèi)外工程實(shí)例可以看到，大跨度建筑多數(shù)采用各種形式的空間結(jié)構(gòu)體系，多由兩種或兩種以上不同材料的承重結(jié)構(gòu)所共同組成的結(jié)構(gòu)體，即混合結(jié)構(gòu)。建筑物的跨度和規(guī)模越來越大，結(jié)構(gòu)形式越來越豐富多彩，許多宏偉而富有特色的大跨度建筑已成為各地的象征性標(biāo)志和著名的人文景觀。圖19 懸索結(jié)構(gòu)圖110 膜結(jié)構(gòu) 圖111 索穹頂結(jié)構(gòu)人類對(duì)空間跨度的不斷追求促進(jìn)了大跨度建筑的發(fā)展，大跨度建筑也因其功能上的特殊性導(dǎo)致其歷史地位的特殊性，大跨度建筑往往是某個(gè)歷史時(shí)期最先進(jìn)的建筑技術(shù)與時(shí)代精神的集中反映。而自上世紀(jì)70年代起，又陸續(xù)出現(xiàn)了以受拉為主要受力特征的張拉結(jié)構(gòu)，先有以鋼 圖18 以桿系單元為主的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)索承重的懸索結(jié)構(gòu)（圖19），后有以合成材料制成織物來受力的薄膜結(jié)構(gòu)（圖110）。二次世界大戰(zhàn)之后，百廢待興，混凝土的大量應(yīng)用促使圖13 宏偉的歐洲建筑圖14 倫敦水晶宮 圖15 巴黎埃菲爾鐵塔 圖17 混凝土薄殼結(jié)構(gòu)圖16 巴黎世博會(huì)機(jī)械館薄殼結(jié)構(gòu)（圖17）蓬勃發(fā)展，(奈爾維)、(德羅哈)、(坎德拉)、(伊斯拉)等杰出工程師展現(xiàn)結(jié)構(gòu)詩意的舞臺(tái)。工業(yè)革命之后，在18世紀(jì)末、19世紀(jì)初，出現(xiàn)了真正意義的現(xiàn)代大跨度建筑。在對(duì)人類早期建筑遺址的發(fā)掘中發(fā)現(xiàn)，無論是我國半坡聚落中具有空間骨架意味的山形居室（圖11），還是北美印第安人始祖繼承下來的穹頂棚屋（圖12），都已經(jīng)可以看出這種探索的端倪。大跨度混合結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目錄1 緒論 1 研究背景 1 大跨度混合結(jié)構(gòu)的發(fā)展 1 大跨度混合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 5 研究意義 6 大跨度混合結(jié)構(gòu)體系 7 按建筑功能分類 7 按建筑材料分類 7 按結(jié)構(gòu)布置分類 7 按結(jié)構(gòu)受力分類 8 按結(jié)構(gòu)形態(tài)分類 8 綜合考慮分類 8 大跨度混合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 9 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展 9 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的層次 10 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn) 10 本文的主要工作 112 大跨度混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 12 概述 12 混凝土構(gòu)件與鋼構(gòu)件的混合 12 概念 12 設(shè)計(jì)要點(diǎn) 15 混凝土構(gòu)件與組合構(gòu)件的混合 18 概念 18 設(shè)計(jì)要點(diǎn) 24 鋼構(gòu)件與組合構(gòu)件的混合 27 概念 27 設(shè)計(jì)要點(diǎn) 27 混凝土構(gòu)件、鋼構(gòu)件及組合構(gòu)件的混合 29 概念 29 設(shè)計(jì)要點(diǎn) 29 本章小結(jié) 293 工程實(shí)例設(shè)計(jì)與分析 30 工程概況 30 初步設(shè)計(jì)分析 34 設(shè)計(jì)依據(jù) 34 分析軟件選取 34 設(shè)計(jì)參數(shù)確定 35 結(jié)構(gòu)布置 41 優(yōu)化設(shè)計(jì) 42 選型分析 42 方案對(duì)比及結(jié)論 67 結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化 70 構(gòu)件優(yōu)化 71 經(jīng)濟(jì)技術(shù)對(duì)比 72 建筑效果 72 整體計(jì)算結(jié)果 72 經(jīng)濟(jì)性分析 73 本章小結(jié) 734 結(jié)論與展望 74 結(jié)論 74 展望 74參考文獻(xiàn) 75附錄 78附錄1 普通住宅建筑混凝土用量和鋼筋用量估算值 78附錄2 建筑結(jié)構(gòu)總信息 79附錄3 周期、地震力與振型輸出文件 88附錄4 SATWE位移輸出文件 97附錄5 各層荷載平面圖 101附錄6 板配筋計(jì)算簡圖 105附錄7 各層平面簡圖 109附錄8 混凝土構(gòu)件配筋及鋼構(gòu)件驗(yàn)算簡圖 113謝辭 1171 緒論 研究背景 大跨度混合結(jié)構(gòu)的發(fā)展人類的夢(mèng)想總是向著更廣闊的天地，大跨度建筑為這樣的夢(mèng)想插上了翅膀。自古以來，人類就在不斷尋求跨越更大空間的可能。在古代歐洲，從羅馬時(shí)期到中世紀(jì)再到文 圖11 我國半坡聚落的山形居室圖12 北美印第安人的穹頂棚屋藝復(fù)興，在大規(guī)模修建體量恢宏的神廟、浴場、教堂、宮殿等建筑（圖13）的同時(shí)，人類也把對(duì)天國的理想寄托于跨越能力的提高。新興的材料——鋼鐵，將倫敦水晶宮（圖14）、巴黎埃菲爾鐵塔（圖15）和機(jī)械館（圖16）等推上一個(gè)里程碑式的高度。20世紀(jì)50年代后，以桿系單元為主的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)嶄露頭角，這種以鋼、鋁合金或木的桿件通過節(jié)點(diǎn)組合成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（圖18），對(duì)大跨度建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一次革命性的影響。單就結(jié)構(gòu)自重而言，從古羅馬時(shí)期磚石穹頂結(jié)構(gòu)的9000kg/m2減少至當(dāng)今索穹頂結(jié)構(gòu)（圖111）的10kg/m2，技術(shù)革新正使人類的夢(mèng)想實(shí)現(xiàn)飛躍式的跨越。在今天看來，大跨度和超大跨度建筑物以及作為其核心的大跨度建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，已經(jīng)成為代表一個(gè)國家建筑科技水平的重要標(biāo)志之一。當(dāng)然，當(dāng)建筑物的跨度達(dá)到或超過一定限度時(shí)，普通的平面結(jié)構(gòu)就開始變得不是很合理了。混合結(jié)構(gòu)不是指單一的結(jié)構(gòu)形式，如混凝土結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等，而是指多種結(jié)構(gòu)（或稱構(gòu)件）混合而成的一種結(jié)構(gòu)形式。隨著技術(shù)水平的發(fā)展，大跨度混合建筑展現(xiàn)出多樣化的格局，由以前較重的結(jié)構(gòu)體系發(fā)展到輕薄的結(jié)構(gòu)體系，由傳統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu)發(fā)展到半剛性結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)。同時(shí)，優(yōu)秀的建筑師的新穎想法和所采用的一些具有創(chuàng)造力的表現(xiàn)形式也給結(jié)構(gòu)工程師提出了新的研究方向。 大跨度混合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（1）豎向荷載起決定作用隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人類對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的不斷創(chuàng)新，高層建筑和大跨度建筑成為兩個(gè)主要的發(fā)展方向。高層建筑隨著結(jié)構(gòu)高度的增加，相應(yīng)地剛度也增大，對(duì)穩(wěn)定性，特別是對(duì)整體傾斜的要求就更為嚴(yán)格。除了結(jié)構(gòu)內(nèi)力將明顯加大外，結(jié)構(gòu)側(cè)向位移增加更快，這是高層建筑與多層建筑受力的主要區(qū)別。因此，在高層建筑的分析和設(shè)計(jì)中，水平荷載起著決定性的作用。一方面，大跨度建筑的構(gòu)件尺寸較大，結(jié)構(gòu)自重很大；另一方面，由于建筑面積的增大，活荷載也會(huì)隨之加大。（2）結(jié)構(gòu)形式豐富多彩歷經(jīng)一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，大跨度建筑混合結(jié)構(gòu)體系展現(xiàn)出多樣化的格局。它們受力特點(diǎn)各有不同，在建筑上的表現(xiàn)能力也獨(dú)具天賦，正是由于它們出色的力學(xué)性能與美學(xué)張力，在建筑藝術(shù)的舞臺(tái)上演一場場或粗獷或柔美的精彩演出，產(chǎn)生工程史上一個(gè)個(gè)過目不忘的驚世杰作。實(shí)踐證明，不同的大跨度建筑結(jié)構(gòu)類型受力性能各有優(yōu)劣，采用一種純凈的結(jié)構(gòu)形式，并不總是經(jīng)濟(jì)合理的，同時(shí)，結(jié)構(gòu)造型也會(huì)缺少變化與表現(xiàn)力。同時(shí)，新材料和新技術(shù)的采用使得大跨度建筑混合結(jié)構(gòu)的發(fā)展日新月異。《中國土木建筑百科大辭典》把大跨度建筑定義為，“屋蓋結(jié)構(gòu)跨度在80m以上的建筑”。因此，本文將“大跨度”作為區(qū)別普通梁柱結(jié)構(gòu)體系等的定語，而非數(shù)字上的限定。輕質(zhì)高強(qiáng)材料的發(fā)展以及各種材料在大跨度建筑領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用可以說是大跨度結(jié)構(gòu)能得到普及的基礎(chǔ)。除此之外，國內(nèi)外也正在積極開發(fā)更多人工合成材料，不但強(qiáng)度高，重量也更輕，但目前還處在探索階段?；旌辖Y(jié)構(gòu)是個(gè)有潛力的結(jié)構(gòu)類型，它的受力合理性和經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)突出，同時(shí)輕盈精致的視覺表現(xiàn)具有獨(dú)特的審美價(jià)值。如果說，我們這個(gè)時(shí)代滿足于技術(shù)上的驚人進(jìn)步的人們，不能將這種技術(shù)進(jìn)步與表現(xiàn)我們時(shí)代新的飛速發(fā)展的驚人的結(jié)構(gòu)形式的出現(xiàn)相結(jié)合，反而在高度的作業(yè)能力及低材料成本的驅(qū)動(dòng)下，只關(guān)心加速標(biāo)準(zhǔn)件的生產(chǎn)速度，這不能不給人們留下一種新的遺憾?？梢灶A(yù)測，混合結(jié)構(gòu)發(fā)展方興未艾、極具活力，必將在21世紀(jì)的建筑舞臺(tái)上大發(fā)異彩。同時(shí)，目前對(duì)混合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)研究多集中在力學(xué)的計(jì)算分析上，包括穩(wěn)定性分析、應(yīng)力優(yōu)化分析、靜力彈塑性分析、支座推力分析、結(jié)構(gòu)安全性分析等等，對(duì)結(jié)構(gòu)體系的概念性分析內(nèi)容偏少。另一方面，隨著大跨度混合結(jié)構(gòu)體系的日趨多樣化，其設(shè)計(jì)與施工也變得錯(cuò)綜復(fù)雜。同樣，施工中不僅要考慮技術(shù)的可行性，更應(yīng)考慮到經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境影響等因素。因此，積極探討大跨度混合結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有明顯的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。其中，工業(yè)廠房建筑包括飛機(jī)裝配車間、飛機(jī)庫和其他大跨度廠房，民用公共建筑包括影劇院、體育場館、展覽館、大會(huì)堂、航空港及其他大型公共建筑。表11列出了幾種常見的大跨度混合結(jié)構(gòu)形式。 按結(jié)構(gòu)布置分類按結(jié)構(gòu)布置分類，大跨度混合結(jié)構(gòu)可分為平面結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)。嚴(yán)格上講，實(shí)際工程中平面結(jié)構(gòu)幾乎不存在，絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)都是空間結(jié)構(gòu)。雖然在計(jì)算機(jī)發(fā)展后，習(xí)慣上常簡化為平面結(jié)構(gòu)的桁架和剛架（如框架）等，已逐步轉(zhuǎn)向按空間結(jié)構(gòu)計(jì)算，但本文中還是將框架結(jié)構(gòu)等劃分為平面結(jié)構(gòu)。一般來說，平面結(jié)構(gòu)由于其受傳力機(jī)制、材料性能等的限制，在跨度上與空間結(jié)構(gòu)相比就要小得多。但對(duì)于空間結(jié)構(gòu)，跨度至少要達(dá)到30m以上才能稱得上大跨度結(jié)構(gòu)。 按結(jié)構(gòu)受力分類按結(jié)構(gòu)受力分類，結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)有拉、壓、彎、剪和扭五種，由于結(jié)構(gòu)實(shí)際受力的復(fù)雜性，只能說是以某種受力狀態(tài)為主。抗拉體系中主要是索膜構(gòu)件的應(yīng)用，因此抗拉體系包括懸索結(jié)構(gòu)、張拉結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)等?？箯濗w系是在豎向荷載作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)力以彎矩為主，其包括桁架結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等。區(qū)分三者形態(tài)的方法來自結(jié)構(gòu)截面尺寸和跨度比值，可以看出，實(shí)體結(jié)構(gòu)占據(jù)的空間最大而面系結(jié)構(gòu)最小。大跨度混合結(jié)構(gòu)體系剛性構(gòu)件混合結(jié)構(gòu)剛、柔構(gòu)件混合結(jié)構(gòu)拱（殼）單元 + 梁（板）單元拱（殼）單元 + 桿系單元梁（板）單元 + 桿系單元混合吊掛體系混合張拉體系混合加勁體系半剛性懸掛體系 綜合考慮分類圖113 大跨度混合結(jié)構(gòu)體系根據(jù)劉宏偉的研究，大跨度混合結(jié)構(gòu)體系由拱（殼）單元、梁（板）單元、桿系單元和索（膜）單元這四類基本單元相互混合而成，分為剛性構(gòu)件混合結(jié)構(gòu)和剛、柔構(gòu)件混合結(jié)構(gòu)兩大類（圖113）。任何混合結(jié)構(gòu)形式均可以在這一分類的框架中找到適當(dāng)?shù)奈恢茫瑫r(shí)該分類也啟發(fā)人們?nèi)ゲ粩鄤?chuàng)新、開發(fā)出新的混合結(jié)構(gòu)形式。剛性構(gòu)件混合結(jié)構(gòu)和剛、柔構(gòu)件混合結(jié)構(gòu)的區(qū)分界限在于是否含有索（膜）單元和結(jié)構(gòu)體系抵抗變形能力的強(qiáng)弱。這種樸素的優(yōu)化思想一直延續(xù)到上個(gè)世紀(jì)，1869年由Maxwell及1900年由Cilley等人提出同時(shí)破壞設(shè)計(jì)，1904年Michell又提出最小體積桁架的設(shè)計(jì)問題，才使應(yīng)用于土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化思想有了一定的理論依據(jù)，但這些方法的意義在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)之后（1950年）才被認(rèn)識(shí)到。由于準(zhǔn)則法理論上還有些缺陷，在某種情況下，只能得到近似最優(yōu)解。上世紀(jì)40年代后期發(fā)展了數(shù)學(xué)規(guī)劃法，它的發(fā)展與計(jì)算機(jī)的發(fā)展是同步亦趨的。數(shù)學(xué)規(guī)劃法雖然理論上比較完美，但真正要解決實(shí)際問題尚不容易。上世紀(jì)80年代以后，人們已經(jīng)成功地把兩方面結(jié)合起來研究，實(shí)質(zhì)上是把力學(xué)概念和優(yōu)化技術(shù)結(jié)合起來，形成規(guī)劃法與準(zhǔn)則法的統(tǒng)一。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的重大發(fā)展。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)從馬克斯威爾理論（Maxwell，1880）和米歇爾（Michell，1905）桁架出現(xiàn)起已有百年，從史密特（Schmit，1964）用數(shù)學(xué)規(guī)劃來解決結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)算起亦有近50年歷史，特別是過去40年內(nèi)，在理論、算法和應(yīng)用方面都取得了長足的發(fā)展。這其中比較成熟的理論是把結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)定義為構(gòu)件級(jí)和整體級(jí)兩個(gè)水準(zhǔn)的問題，通過多重有限元結(jié)構(gòu)分析確定逼近最優(yōu)的構(gòu)件斷面，從而實(shí)現(xiàn)構(gòu)件級(jí)優(yōu)化，同時(shí)采用非線性規(guī)劃方法求解整體級(jí)優(yōu)化問題。另外，在優(yōu)化過程中還可以結(jié)合彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析得到更符合工程實(shí)際的優(yōu)化結(jié)果。 （1）結(jié)構(gòu)選型優(yōu)化各個(gè)結(jié)構(gòu)的功能要求決定之后，就要根據(jù)功能要求為結(jié)構(gòu)選型。對(duì)高層建筑而言，可選用框架結(jié)構(gòu)、框一剪結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)、懸掛結(jié)構(gòu)等形式。（2）結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化是先從結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)入手，使結(jié)構(gòu)的平面布置盡量規(guī)則、對(duì)稱，立面和豎向規(guī)則，側(cè)向剛度均勻變化。（3）結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化在給定的結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)材料、平面布置的情況下，對(duì)各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料使用量最少，達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)效益，這就是結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化。構(gòu)件優(yōu)化最簡單有效的方法是利用有限元軟件建模。對(duì)于單元連接的框架結(jié)構(gòu)，桿件的橫截面特性發(fā)生改變時(shí)，就需要重新劃分網(wǎng)格；對(duì)于具有連續(xù)性的板或者殼，可以僅僅把構(gòu)件厚度作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，在優(yōu)化過程中，這類設(shè)計(jì)變量與剛度矩陣是簡單的線性關(guān)系。 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)近十幾年來，把優(yōu)化理論應(yīng)用在工程上的研究發(fā)展有以下特點(diǎn)：（1）