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认识形态作用结构体系

认识形态作用结构体系

摘要:结构作为建筑实体存在的决定性因素,是建筑设计时的关键内容。而本文就将初步的对结构的体系进行认识和了解。对于结构体系的分类,是从建筑结构的功能出发,通过对其本质性的力的改向与传递的分析与研究,制定了一定标准,从而得到了不同的结构体系分类。结构体系一般分为:形态作用结构体系、向量作用结构体系、截面作用结构体系、面作用结构体系、高度作用结构体系以及共同作用的结构体系(混合结构体系)。

论文将浅析结构体系中的形态作用结构体系,其中拱结构和受拉体系中的悬索结构将作为本文的重点进行探讨,其他受拉结构体系也将有简要的认识。

关键字:形态作用结构体系拱悬索

一、结构与形态作用结构体系

建筑结构的稳定与持久,依赖于研究其最初最基本的受力状态。力对于结构的作用,影响着建筑设计、实施以及后续维护的各个方面。而对于形态的定义,它是指物质实体在三维空间中的特殊分布状态,更明确到建筑方面,则是指该实体以明确方式在运作并履行特定功能。

一般来说,形态的保持与功能的实现都是由结构决定的。而一些特定的形态也正是结构的重要部分,它的形态作用本身使得建筑能够维持并且实现其功能。而形态作用结构体系的定义则是:由可挠曲、非刚性物质构成的体系,体系内的力的改向系通过特定的形态设计与特有的形态稳定来实现。在参考教材中,形态作用体系悲愤为受拉结构体系和拱结构体系;在老师上课的课件中,将形态作用结构体系分为下面几种结构:悬索结构(cable structures)、帐篷结构(tent structures)、气囊结构(pneumatic structures)、拱结构(arch structures)。通过查找相关文献和论文资料,以下文段将对受拉结构体系中的悬索结构以及拱结构的进行较多讨论,着重悬索结构和拱结构。

二、悬索结构特点及形态

2.1结构体系概述

悬索结构,是指以一系列受拉的索作为主要承重构件,这些索按照一定规律组成各种不同形式的体系,并悬挂在相应的支承结构体系边缘构件上的结构。索一般采用有高强钢丝组成的高强钢丝束、钢绞线或钢丝绳,也可采用圆钢筋、带钢或薄钢板以及其他受拉性能良好的材料。正是由于索主要承受轴向拉力的特点,使得我们可以最充分的利用钢材的强度,如果再采用高强度材料时,更可以大大减轻结构的自重。因此,悬索结构可以较为经济的跨越很大的跨度,主要用于桥梁、体育馆、博物馆等大跨度公共建筑和某些大跨度工业厂房的建设,是目前大跨建筑的主要结构形式之一。

2.2悬索结构的特色

悬索结构是一种受力合理的建筑结构。索的受力特点是其只承受拉力,这种结构能够充分利用刚才的强度。通过索的轴向拉伸抵抗外荷载,结构中不出现弯矩和剪力效应。由于悬索在自重下形成自然下垂,由此使得索中拉力与支承水平力间的距离构成的内力臂始终在索截面范围以外,增加垂度也就加大了力臂,从而也有效减少索中拉力和索截面积。根据国外悬索屋盖所做的统计,当结构跨度不超过160m时,每平方米屋盖的钢索用量一般在10kg以下。

正因为此,悬索结构能够跨越很大的跨度,且不需要中间支承。由于悬索结构充分利用了个材料性能,特别是当采用高强钢材时,更可以大大减轻材料的用量,从而减轻结构自重,使得某些大跨度工程的材料使用费用降低。

悬索的结构形式多种多样,平面布置也比较灵活,可以满足不仅是结构承载上的建筑要求,同时还可以增加建筑的艺术感和特殊的造型设计,创造出新颖且独特的建筑造型。

除以上特点之外,因为悬索的自重较小,屋面也可采用轻质材料制造构件,不需要庞大的起重设备和搭设大量脚手架,节省模板,降低了施工费用。

然而,悬索结构也有一定的局限性。由于悬索的结构特点,使得悬索屋盖结构的稳定性较差。单根的悬索是一种几何可变结构,其平衡岁荷载分布方式而变,特别是当荷载作用方向与垂度方向相反时,悬索就丧失了承载能力。因此,常常需要附加布置一些索系或结构来提高屋盖结构的稳定性。同时悬索结构的边缘构件和下部支承也必须具有一定的刚度和合理的形式。用以承受索端巨大的水平拉力。

2.3悬索结构的主要形态

悬索结构的形式根据索网、边缘构件和下部支承结构的不同配置,可以构成不同系列形式各异的悬索结构。包括单层悬索结构、双层悬索结构、索网结构。

(一)单层悬索结构

所有复杂的悬索结构都是有多根单索组成的,因此我们首先需要了解单索的形态结构。

单索的索形态主要有悬挂点的位置和索的垂度决定。根据使用的建筑平面不同,又分为单曲面单层悬索结构和双曲面单层悬索结构。图示如下:

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单层悬索结构有一个比较大的缺点上文中已经提及过,即稳定性较差。更进一步讲即悬索为一种可变体系,其平衡形式随荷载分布而变,同时悬索的抗风性能差。

(二)双层悬索结构

双层悬索体系是由一系列下凹的承重索、上凸的稳定索及两者之间的连系杆(拉杆或压杆)组成。双层索系的空间形态取决于下层索的形态。对于交叠布置的双索系,其内部空间顶面形态丰富。中间连系杆的布置方式也会影响到结构形态的视觉效果。

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(三)索网结构

索网结构通常是由两组相互正交、曲率相反的钢索直接交叉组成的。这种索网形成有正、负高斯曲率构成的双曲抛物面,所以也被称为鞍形索网。两组钢索中,下凹的为承重索(主索),上凸的为稳定索(副索),两组钢索在交点处相互连接。

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索网周边构件受力较大,即使做成曲线形状,也会产生相当大的弯矩,因而需要有较大的截面。对索网结构必须施加预应力,使其体系的稳定性和刚度提升。由于存在曲率相反的两组拉索,因此对任意一组或同事两组进行张拉,即可实现预应力。一个由索网构成的承重面是由一维的受拉构件组成的,而一个帐篷结构则形成一个真正的索网面。

三、拱结构特点及形态

3.1拱结构体系概述

拱结构是一种主要承受轴向压力并由两端推力维持平衡的曲线或折线形结构。与弯剪体系相比,拱结构具有跨度大、承载力高、截面薄、变形小的优点,与悬索结构一样,拱结构为实际的建筑工程节省了材料。拱的内力主要为压力,这一突破性发展使得构件能够摆脱弯曲变形。拱结构通过砖、石砌体等脆性材料的抗压性能,实现某些结构体系不能或者较难实现的大跨度工程。同时,拱结构也有一定的缺陷存在,其拱脚处会产生水平推力,跨度大时推理增加,在解决这一推力时需要耗费较多材料。

在当代大跨建筑中,拱结构作为建筑屋盖的主要支承结构,与其他结构形式组合,也创造了独特且新颖的建筑设计形式。

3.2拱结构的形态

拱结构根据其轴线的几何形态可划分为圆形、椭圆形、抛物线、悬链线等几种基本形式。除此之外,还有多种如变曲率曲线、三角形、梯形、多角形等其他扩展形式。

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如果根据拱截面的平面内外的刚度差异,拱又可分为实心拱和格构拱。实心拱实现了弯矩向轴力的转化,截面形式主要有工字形、圆管、T形、矩形、平板(筒拱或拱壳)以及组合形式;格构拱的截面形式多样,常见的有箱型或圆钢焊接成的三角形格构拱、梯形格构拱,矩形格构拱和正方形格构拱等等。格构

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拱本身具有较好的空间刚度,一般适用

于较大跨度的拱形屋架。

除此之外,根据拱平面与水平面夹

角的不同,拱还可以分为直拱和斜拱两

种类型。直拱指拱平面和水平面之间夹

角为 90°的拱,斜拱指拱平面和水平面

之间夹角小于90°的拱。在满足建筑效

果的基础上,应该尽量增大拱平面和水

平面之间的夹角。适当增加斜拱出平面

方向的约束,可减小斜拱出平面方向的

弯矩和扭矩。

根据拱的静力图式,拱还可分为无

铰拱、两铰拱、三铰拱。无铰拱为三次

超静定结构,其特点为:在荷载的作用

下,拱的内力分布较均匀,结构的整体

刚度较大,且构造简单、施工方便,因

此被广泛应用于砌体以及钢筋混凝土拱

结构中。两铰拱结构整体刚度优于三铰

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拱,支座沉降等产生的附加内力小于无

铰拱。两铰拱因其构造简单、制作方便

等优势,一般应用于中小跨度的建筑中。

大跨建筑中,因拱弧太长,吊装刚度不

足,通常则采用三铰拱。

3.3拱结构的局限性

拱结构在建筑应用中,仍然存在着

一定的局限性,主要表现为:

1、相对于张拉结构,拱的变化形式

受其自身的力学机制影响,变化的局限

性较大,可调节的余地较小。

2、空间形态方面,拱结构组合所形

成的空间多为规则几何空间,其空间形

态相对不是很丰富。

3、结构处理上,侧推力的问题仍需

重点解决。解决侧推力,对建筑形体

及周边功能的排布影响较大。

4、对于格构拱,轻质高强的新型材料的应用促使拱结构在结构受力需求方面,截面变小,由此导致了两方面的问题:1)形象需求与结构需求的尺寸不统一;2)杆件过细导致出平面屈曲问题变得严重。

四、其他形态作用结构体系浅析

悬索结构和拱结构通过详细查找资料进行归纳汇总,上文进行了较为详细的梳理。除此以外,形态作用结构体系还有帐篷结构、气囊结构等。

帐篷结构最简单的构成就是将一块布四角拉紧固定起来得到的。这一结构是人类最早使用的结构之一,其传统的构造方式可以分为支架式和张拉式两种。帐篷结构体系的结构原理为:帐篷是纯受拉的结构形式,对于任何一个和帐篷面的方向不一致的外力,都会让帐篷面随之产生形变。在荷载作用下会产生较大的形变,尤其在风力作用下,会额外产生摆动甚至发出噪声。帐篷的造型不是通过几何方法,而是通过预张力的平衡来确定的。该结构的优点在于帐篷结构的自重轻、造型丰富。

气囊结构又被成为空气承重结构,其原理顾名思义是由空气支承外部(上部)结构,通过改变空气的压力,使得被包围的空气处于正压或负压的状态,用以此形成的压力差平衡外部荷载。一个均匀的弹性膜所包围的空间内部冲气加压时,这个围护的膜结构总是趋于一个球面(最小表面及原理),所以气囊结构的基本几何形式为球形。当气囊内部的空气压力增大时,薄膜内部的张力增大,球体的体积会随之膨胀,求的半径增大,而球的曲率减小。气囊结构体系的结构原理为:空气压力是用于支撑和稳定室内超压气囊结构的。当空气处于超压状态时,就会像各个方向施加均衡的压力,这个力用于支撑薄膜。然而,这种室内超压气囊结构是建立在室内超压环境之下的,它最大的问题在于气密性以及用于防止空气泄露所带来的维护费用。

参考文献:

[1]《大跨建筑中拱结构的应用及表现》.张智远.2009

[2]《悬索结构的建构及艺术呈现研究》.李清.2013

[3]《悬索结构特点及主要形式》.陈颖.2002

[4]《帐篷膜结构的风载分布及响应研究》.张轶.2005

[5]《建筑结构体系与形态设计》.曲翠松.中国电力出版社.2010

[6]《常见建筑结构体系实例分析》

[7]《试析适宜建筑师的结构理论内容及应用——兼以形态作用结构体系为例浅析结构概念设计》.2005

[8]《充气膜结构的设计方法与成形过程分析》.王珏.2008