大跨度空间网格结构抗连续倒塌性能

第1章 绪论 1.1 大跨度空间网格结构概述 1.1.1 大跨度空间网格结构的应用现状 近年来，随着我国经济的发展和建筑科学技术的进步，大跨度空间结构已成为当代建筑中*重要和*活跃的结构形式之一。 空间结构根据其结构形式通常可以分为以下四种：实体结构（薄壳结构、折板结构等）、网格结构（网架、网壳、立体桁架等）、张拉结构（悬索结构、薄膜结构等）及混合结构（张弦桁架体系、斜拉网壳等）[1]。空间网格结构具有跨度大、质量轻、造型丰富优美的优点，被广泛应用于大众文化交流、体育、娱乐及航空港等重要设施中（如体育馆、展览馆、影剧院等）。国际壳体与空间结构协会的创始人、著名薄壳结构专家 Torroja曾经说过，*佳结构有赖于其自身受力之形体，而非材料之潜在强度[2]。也就是说，采用高强度材料只是解决了问题的一个方面，还必须寻找形体合理的结构，使其能够充分发挥材料的潜力。大跨度空间网格结构正是此类结构，良好的受力性能使该结构成为近年来*富有活力的结构形式之一。 图1.1为国内外典型的大跨度空间网格结构工程。大跨度空间网格结构已经对现代建筑产生了重大影响，并成为反映一个国家建筑科学技术水平的重要标志。 （a）中国国家体育场 （b）中国西安奥林匹克体育中心 （c）中国深圳世界大学生运动会体育中心 （d）巴西马瑙斯亚马逊竞技场 （e）中国国家大剧院 （f）中国广州国际会展中心 （g）阿尔及利亚阿尔及尔新机场航站楼 （h）阿联酋阿布扎比机场航站楼 （i）中国西安东航维修基地新机库 图1.1 国内外典型的大跨度空间网格结构工程 1.1.2 大跨度空间网格结构的发展及趋势 大跨度空间网格结构的发展与人类科学技术的进步密切相关，与其他建筑结构一样，其发展也经历了一个漫长的过程。 事实上，人类很早就认识到穹隆能够用*小的表面封闭*大的空间。我国东汉时期的地下砖砌墓穴和公元前1185年古希腊 Mycenae国王墓穴的砖砌穹隆都采用此种形式。然而，受当时材料及认知水平的限制，此类结构的跨度一般较小，如古罗马万神殿43.5m的跨度纪录保持到19世纪才被打破。近现代以来，空间建筑结构理论研究的不断深入和钢材的投入应用，为大跨度空间网格结构的发展奠定了基础。1863年，德国人 Schwedle在柏林设计并建造了世界上**个钢穹顶体系——施威德勒穹顶，该结构体系可以看作是现代空间结构中单层球面网壳的雏形，目前采用的许多网壳结构是在此基础上加以变化构成的。 1964年，上海市建成了**个平板网架结构——上海师范学院球类馆（屋盖平面尺寸为31.5m×40.5m），拉开了我国大跨度空间网格结构发展的序幕。1968年建成的首都体育馆首次采用斜放正交网架结构体系，平面尺寸为99m×112m。1973年兴建的上海体育馆采用圆形平面的三向网架结构体系，其焊接空心球网架净尺寸达到了110m。1985年建成了深圳体育馆，其90m×90m的钢屋盖也仅用了四根柱子进行支撑，由此，大跨度空间网格结构的优势开始显现出来。20世纪80年代末，为了迎接第11届亚运会的召开，北京市兴建了一大批体育建筑，绝大部分建筑屋盖采用了网架结构，对我国空间结构的发展进行了一次检阅。其中，北京体育大学体育馆和北京朝阳体育馆首次采用了网壳结构，成功带动了网壳结构的发展热潮。此后一段时间内，很多重要的标志性大跨度建筑物几乎都采用了网壳结构，设计与安装技术获得了极大的进步，比较有代表性的是1994年建造的天津体育馆、攀枝花体育馆及1996年建造的黑龙江速滑馆等。 21世纪以来，随着焊接技术的日益成熟，高强钢材的出现及计算机仿真技术的突飞猛进，大跨度空间网格结构稳健发展，新的结构形式层出不穷。2008年北京奥运会、2010年广州亚运会、2011年深圳世界大学生运动会，以及2021年西安全运会、残运会暨特奥会，为此建设的一系列体育场馆有着丰富的空间结构形式，为我国大跨度空间网格结构发展提供了新的契机。此外，广州白云机场、国家大剧院及广州会展中心的建成开启了大跨度空间网格结构体系在民生领域的应用。 到目前为止，大跨度空间钢结构的发展经历了由传统的梁肋体系、桁架结构体系、薄壳空间结构体系到现代的网架结构、网壳结构、悬索结构、索膜结构、杂交结构及张拉集成结构体系的过程。可以预见，大跨度空间网格结构体系会继续朝着更大、更复杂、更新颖的方向发展下去，其发展趋势如下[3，4]。 1）跨度由大型向巨型发展 顾名思义，跨越超大空间是大跨度空间网格结构的显著特点。科幻小说中经常会看到这样一种设想，人们可以在月球上自由舒适地生活，由于没有氧气，设想中往往存在一个很大的封闭空间结构，假设采用结构体系完成，在现阶段的建筑技术条件下是无法实现的。因此，一旦空间网格结构的跨度超越了传统建筑，步入巨型结构行列，则跨度和面积都会有新的突破，这种新的体系可以为人们提供清洁舒适的生活与工作环境。 2）由静态结构向动态结构发展 人类对建筑结构的使用要求是没有止境的，投资者也往往希望使用功能能够达到*大化。也就是说，所建成的建筑既是体育场，又可以是展览馆、音乐厅等，这就要求可以根据不同的需要对结构进行相应的调整，从一个静态结构向动态结构转变。例如，当天气晴好时要求屋盖可以打开，当遇到阴冷天气时可以将屋盖关闭，也可以通过调节地面标高满足多功能的要求。 3）施工技术向精细化发展 大跨度空间网格结构的快速发展，必然给传统施工技术和方法带来巨大挑战。一般情况下，会有多种施工方案供选择，结合结构自身特点确定*优的施工方案非常关键。另外，钢结构构件的加工和安装精度也不能忽视，因此精细化的施工技术将是今后大跨度空间网格结构发展和创新的重要基础和保障。 4）由传统材料向新型材料发展 随着社会进步，材料成为促进大跨度空间网格结构发展的重要因素。钢材力学性能的优化、新型材料的出现均可以使结构更加经济高效，从而使大跨度空间网格结构能够广泛应用。 5）施工过程由离散化向系统化发展 现阶段大跨度空间网格结构的施工过程往往是针对特定工程制定具体施工方案，没有形成系统化施工，这样做造成的后果是辅助钢材浪费较大，且方案确定时间较长。相信在未来大跨度空间网格结构的建造过程中，这一障碍将会有所突破，形成系统化的施工过程。 6）结构设计向概念化发展 随着对大跨度空间网格结构的深入研究，发现结构的找形分析与局部杆件强度稳定分析同样重要。找形分析是从结构概念设计入手，可以有效提高结构的整体性，增加抗倒塌能力。因此，在未来大跨度空间网格结构设计中，像结构找形分析这样的概念设计将会是结构设计中的重要组成部分。 7）建造向国际化程度发展 现阶段一些比较重要的大跨度空间网格结构，从建筑方案设计到施工图设计，再到实际施工，均采用国际竞标的方式进行，而且往往在某几个环节中需要多家单位之间共同合作完成。随着大跨度空间网格结构向着复杂化发展，这种国际化程度将会越来越高。 可见，大跨度空间网格结构在当今建筑界里扮演着举足轻重的角色，并且随着施工技术的进步、理论分析的完善、高强钢材的兴起，大跨度空间网格结构将会展现出蓬勃的生机。 1.2 抗连续倒塌的研究意义 近年来，国家对大型公共建筑的安全管理力度逐渐加大。住房和城乡建设部先后于2013年及2018年印发了《中国建筑技术政策（2013版）》《大型工程技术风险控制要点》等文件，明确提出要加强大跨度空间钢结构防灾设计的研究工作，要求设计时除满足规范外，还需要考虑非预期荷载的影响，并保证结构具有足够的安全储备。因此，大跨度空间钢结构的安全问题越来越受到重视，这是国家建设和社会发展的需要，也是保障人民群众生命财产安全的有效途径。 大跨度空间网格结构体量大、覆盖范围广、使用人员密集，在非预期荷载作用时经常发生局部破坏，随着不平衡力下破坏的连续扩展，往往导致部分结构或全部结构倒塌，造成重大人员伤亡和经济损失。近二十年来，此类结构在非预期荷载作用下的倒塌事故连年发生，如2003年土耳其东部某空间桁架屋面、2004年法国戴高乐国际机场2E航站楼[图1.2（a）]、2005年中国内蒙古新丰热电厂屋盖球型网架、2006年波兰卡托维茨国际博览会展厅[图1.2（b）]和俄罗斯莫斯科鲍曼市场[图1.2（c）]、2007年中国沈阳市第二中学体育馆、2008年中国特大冰雪灾害下苏南地区众多桁架和网架、2009年马来西亚再纳阿比丁体育场[图1.2（d）]、2010年美国明尼苏达州维京人队体育场、中国鄂尔多斯那达慕大会主会场[图1.2（e）]、2011年荷兰特温特体育场[图1.2（f）]、2012年中国温州任岩松中学体育馆、2013年中国长春市第二实验中学体育馆、2014年巴西伊塔奎拉奥体育场[图1.2（g）]、2015年中国江西科技师范大学体育馆、2016年中国香港城市大学体育馆、2017年捷克共和国体育场、2018年中国钦州市第三十九小学体育馆和人民（武汉）国际汽车城大跨度展厅、2019年中国深圳市体育中心体育馆[图1.2（h）]、2020年俄罗斯圣彼得堡体育馆[图1.2（i）]、2021年中国青岛西海岸新区中英生物药物研发平台建设项目分别发生不同程度的倒塌，造成了巨大的生命财产损失。虽然事故的直接诱因千差万别（如雨雪超载、设计不足、质量缺陷、施工不当等），但是根本原因是没能阻止初始破坏的连续性扩展[4]。 （a）法国戴高乐机场2E航站楼 （b）波兰卡托维茨国际博览会展厅 （c）俄罗斯莫斯科鲍曼市场 （d）马来西亚再纳阿比丁体育场 （e）中国鄂尔多斯那达慕大会主会场 （f）荷兰特温特体育场 （g）巴西伊塔奎拉奥体育场 （h）中国深圳市体育中心体育馆