【摘要】本文综合评述了国内外空间钢结构的发展情况。空间钢结构分为空间网格结构与张拉结构两大类，文中分别就其类型与发展特点予以论述，并介绍了一些有代表性的工程实例。最后讨论了空间钢结构进入19世纪的发展动向，探讨杂交结构、开闭结构与巨型结构的应用前景。
【关键词】网架结构；网壳结构；悬索结构；膜结构
1、结构类型
本世纪以来，在土建结构领域内一个重大的进展是空间结构的出现，所谓“空间结构”是对“平面结构”相对而言，我们日常所采用的梁、桁架、拱都属平
面结构，一般说来，它所承受的荷载以及由此而产生的内力和变形都被考虑为二维，即在一个平面内，而空间结构的荷载与内力、变形则是三维的，即作用在空间内，它的结构分析也要考虑空间作用，用一般二维的假设无法得到准确的解答。由于以上的特点，空间结构可以做到高效、经济、美观，它问世以来得到了迅速的发展。空间结构的构件大部分都采用钢材。空间钢结构通常包括空间网格结构和张拉结构两大类。空间网格结构是以多根杆件按照一定规律通过节点连接成三角形、方形、菱形等网格。如果是平板形的就是网架结构，它包括两个平面的网格状杆件构成互相平行的上弦与下弦，中间以竖杆和腹杆相连接。所有网架的节点均假定为铰接，即不能承受弯矩，网架的杆件也只能承受轴向拉力或压力，一般都采用型钢或钢管。如果以多根杆件组成网格但形成曲线形就成为网壳结构。它的曲面既可以是单曲的，如圆柱面，也可以是双曲的，如圆球面或双曲抛物面。网壳可以与网架一样做成双层的，这时节点为铰接，杆件仅承受轴向力。此外，由于具有曲率，网壳也可以做成单层，这时就需要刚接的节点，杆件也可以承受附加的弯矩或扭矩。网壳所采用的材料与截面基本上与网架相同，虽然大小不一、形状各异，但杆件与节点却都是同样的类型并可重复使用，这种有利条件促使了许多标准化网格结构体系的开发与应用，并形成了工业化生产。张拉结构包括悬索与膜结构，它们共同的特点是构件只能受拉。悬索结构是以一系列钢索作为主要承重构件来形成不同曲面的空间结构。钢索只能承受沿截面均匀分布的拉力，因此一般悬索屋盖的抗弯刚度很小，要依靠调整几何外形，对钢索施加预应力等措施来增强其承载力。高强钢丝索、钢铰线或钢丝绳都可用来做成索，由于这些高强钢丝的强度大约是一般钢材的六倍，钢索的截面相对说来也要小得多。膜结构是用薄而轻的建筑织物形成既承重又围护的曲线形空间结构。
2、网架结构
网架结构经过近半世纪的研究、开发与应用，已成为建筑物屋盖中最普遍的一种结构形式。在我国用于各种大型体育建筑、跨度在60m以上的网架就不下十
多个，其中最早的首都体育馆建于1968年，这是新中国成立以后规模最大的体育馆。在此之前，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校体育馆屋盖采用了91m×122m的网架结构。这个体育馆以造型新颖、结构先进而引起人们的兴趣。在研究了前人的经验之后，设计者在首都体育馆屋盖上首次采用了正交斜放的平面桁架系网架。平面尺寸为99m×122m。网架高6m、网格4.7m，采用16Mn角钢以高强度螺栓连接，整个屋盖耗费了700多吨钢材，相当于65kg/m2。首都体育馆的建成开创了在大跨度体育馆中采用网架结构的先河，在以后建造的大中跨度体育馆中就被大量地采用。
3、网壳结构
网壳结构的主要特点是外形变化多，可以杆件组成任意形状的曲面。近年来，网壳的应用有逐步上升的趋势，特别是穹顶几乎风靡了日本全国。穹顶就其原意来说是一个圆形的顶盖，而用网壳建筑穹顶并非新事，早在本世纪初，德国工程师施威德勒就发明了一种肋环斜杆型的网壳，这种以他名字命名的网壳一直在圆形屋顶的建设中流传。七十年代美国新奥尔良的超级穹顶以207m的直径保持了多年的网壳大跨度记录。九十年代这种穹顶在日本得到了振兴，其名称被音译为“多姆”，其外形也不仅为圆形了。一些城市的体育馆都被称为“多姆”，像大阪、名古屋、大馆、熊本以及札幌、仙台等地已建成或准备兴建的“多姆”就不下十来个。这种穹顶的特点是，不仅可以用作体育比赛，还可以用作多种文化活动与展览的场所。
日本名古屋穹顶是当前世界上跨度最大的单层网壳“图1”。该体育馆整个圆形建筑的直径为229.6m，支承在看台框架柱顶的屋盖直径则有187.2m，采用以钢管构成的三向网格。每个节点上都有六根杆件相交，采用直径为1.45的加肋圆环，钢管杆件与圆环焊接，成为能承受轴向力与弯矩的刚性节点。由于罗马尼亚布加勒斯特穹顶的单层网壳（直径93.5m）在1961年的一次暴风雪后出现过倒塌事故，大跨度的单层网壳一直被视为禁区。名古屋穹顶之所以获得突破性的进展是与科研工作分不开的。在设计中曾对各种荷载情况以及抗震、稳定与施工过程中的缺陷进行了详细的分析和研究。
4、张拉结构
悬索结构在我国的应用可追溯到五十年代末。单层索系由于其构造简单，施工方便，在早期曾被普遍地采用在屋盖上，但这种索系的主要缺点是在不对称荷载或动荷载作用下容易产生几何可变的不稳定现象，因此往往要借助于加大自重或者施加预应力来保证整个体系的稳定。这种方法不需要复杂的技术与设备，因而造价也比较经济，以后又陆续在我国几个中、小跨度的屋盖上采用。跨度较大的膜结构，其膜面都要以钢索加劲并共同受力，此外，作为膜结构的一种支承方式，可采用桅杆或拱之类的支承结构将钢索或膜张挂起来，利用柔性索向膜面施加张力而绷紧，形成稳定的结构，因此膜结构与钢结构是紧密地联系在一起的。
5、发展前景
在过去几十年中，空间结构在结构形式、材料、设计方法与施工工艺上都获得了突破性的进展，在一些重大的、特别是标志性的工程中，无不见到空间钢结构的应用。大跨度结构的建造及其所采用的技术往往反映了一个国家建筑技术的水平，一些规模宏大、形式新颖、技术先进的大型空间结构已成为一个国家经济实力和建设技术水平的重要标志。衡量建筑结构技术水平的一个标志是它的跨度与面积，一般来说，跨度或面积越大，技术也越复杂。纵观空间结构的发展历史，它的跨度与面积也有不断增大的趋势。结构的“杂交”将是今后空间钢结构发展和创新的重要途径，它是将不同类型的结构加以组合而形成一种新的结构体系。例如悬索、索网或膜利于受拉，拱、壳体或网壳利于受压，而梁、桁架或网架则利于受弯，如果利用其中某种类型结构的长处来避免或抵消另一种与之组合的结构的短处，就能大大改进结构受力性能。最简单的例子是大跨度桁架与斜拉索的组合，它既能发挥高强度钢索抗拉的特点，又为桁架增加了支点、缩短了跨度。杂交结构可能采用多种多样的方法，其中主要的有刚性支承与柔性支承两种。
参考文献：
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