張華剛，張 鈺，盧亞琴,楊嬌嬌，孫仁中，馬克儉

(1．貴州大學(xué) 空間結(jié)構(gòu)研究中心，貴州 貴陽 550025；2．貴州省結(jié)構(gòu)工程重點實驗室，貴州 貴陽 550025；3．重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400044)

古代大跨度結(jié)構(gòu)主要是由磚、石砌筑而成的拱式結(jié)構(gòu)及穹頂結(jié)構(gòu)[1]，1824年波特蘭水泥(Portland cement)的發(fā)明及隨后混凝土在建筑工程中的應(yīng)用，推動了薄殼結(jié)構(gòu)的發(fā)展[2]。我國在上世紀(jì)60年代前后建造了一些薄殼結(jié)構(gòu)的典型工程[3]，但施工木模的缺乏及其制作復(fù)雜限制了薄殼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。到上世紀(jì)80年代前后，鋼管和角鋼的大量應(yīng)用使鋼網(wǎng)架和網(wǎng)殼得到了快速發(fā)展，由于自重輕、施工速度快，這類鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)至今也是工程技術(shù)人員在應(yīng)用時首選的大跨度結(jié)構(gòu)。雖然現(xiàn)代工程中少見混凝土殼體，但混凝土良好的耐久性、耐火性和防滲性有效降低了建筑的維護(hù)成本，使混凝土空間結(jié)構(gòu)的研究及應(yīng)用工作并未停止[4-5]，因此有必要系統(tǒng)梳理其發(fā)展現(xiàn)狀，為工程結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新拓展思路[6]。

混凝土空間結(jié)構(gòu)的形式較多，按形狀可分為平板形和曲面形兩種，本文主要介紹其中新型空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀及其工程實踐，為大跨度混凝土結(jié)構(gòu)的選型及其工程應(yīng)用提供參考。

1 平板形混凝土空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

對于混凝土平板，除了采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)來降低彎曲效應(yīng)的影響外[7]，還可從構(gòu)造上采取措施來達(dá)到同樣的效果，由此衍生了一些新型平板形混凝土空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。

1.1 密肋樓蓋

混凝土板的內(nèi)力以彎曲內(nèi)力為主，其中的剪力由板的自身截面來抵抗，而彎矩在截面上造成的拉、壓應(yīng)力則分別由受拉鋼筋和受壓區(qū)混凝土承擔(dān)。因為荷載與彎曲內(nèi)力成正比，故減輕自重是降低板彎曲效應(yīng)影響的有效措施。當(dāng)按網(wǎng)格大幅度挖空板底的混凝土?xí)r，可得到圖1所示的密肋樓蓋結(jié)構(gòu)。因為削弱了樓蓋的剛度，使得密肋樓蓋的總厚度要大于實心板厚度，且剪力需要肋梁的剪壓區(qū)截面及抗剪鋼筋來共同承擔(dān)，故此時的結(jié)構(gòu)事實上是交叉梁系板架。我國較早就開始了密肋樓蓋的研究和應(yīng)用工作，早期的模板以木模為主，或者在肋間充填空心磚為模板[2]，以后過渡到鋼模，至上世紀(jì)90年代前后，可周轉(zhuǎn)使用的塑料模殼及預(yù)應(yīng)力技術(shù)的應(yīng)用有效推動了密肋樓蓋的發(fā)展[8]。

圖1 密肋樓蓋Fig.1 Multi-ribbed plate

近年來出現(xiàn)的若干填埋式薄壁模盒，降低了密肋樓蓋的施工難度。山東聊城市地稅局辦公樓會議廳15.8 m跨度屋蓋的密肋板，就采用了填埋塑料薄壁模盒，工程情況如圖2所示[9]。樓蓋厚度為0.28 m，在周邊做了1 m寬0.4 m厚的實心板帶過渡后，支承在截面尺寸為0.4 m×0.8 m的框架梁上，薄壁模盒的名義尺寸為0.4 m×0.4 m×0.18 m， 肋間距較小，使樓蓋的受力性能更接近平板。當(dāng)填埋的模盒具有足夠強(qiáng)度，又與混凝土可靠連接時，是可參與樓蓋共同工作的。楊偉軍等[10]用普通密肋樓蓋進(jìn)行的對比試驗表明，模盒在一定程度上增大了樓蓋的剛度和極限承載力，但此時需要模盒具有穩(wěn)定的力學(xué)性能，否則極易導(dǎo)致工程質(zhì)量事故。

圖2 聊城市地稅局辦公樓會議廳屋蓋工程 圖3 甕福集團(tuán)職工宿舍Fig.2 Roof engineering of conference hall in Fig.3 Staff residence in Wengfu GroupLiaocheng Local Tax Bureau Office Building

當(dāng)模盒僅用于樓蓋混凝土施工成形時，其制作材料是很多的。圖3所示的甕福集團(tuán)馬場坪磷酸廠職工宿舍，密肋樓蓋的每個網(wǎng)格內(nèi)充填了4個用改性后的磷石膏制作成的模盒[11-12]；在小開間混合結(jié)構(gòu)中，則可采用圖4(c)所示的預(yù)制填充模塊嵌入密肋樓蓋底，已被成功應(yīng)用于遵義市鴨溪鎮(zhèn)和洪關(guān)鄉(xiāng)的農(nóng)房中[12]。

圖4 遵義市農(nóng)房Fig.4 Rural residential in Zunyi City

1.2 現(xiàn)澆圓孔空心樓蓋

混凝土空心板采用預(yù)制抽芯方式成形時，上世紀(jì)在砌體結(jié)構(gòu)中得到了大量應(yīng)用，樓板在垂直于孔向的兩端支承而按簡支梁計算[13]。當(dāng)將制作好的空心管單向填埋在現(xiàn)澆混凝土板內(nèi)時，樓蓋構(gòu)造如圖5所示。由于此時周邊支承，樓蓋兩個方向的受力性質(zhì)分別類似于密肋樓蓋和空腹桁架結(jié)構(gòu)[14-15]，因此這種現(xiàn)澆圓孔空心樓蓋被稱為構(gòu)造上的正交異性板[16]，可用于大開間靈活隔斷建筑中。

圖5 現(xiàn)澆圓孔空心樓蓋構(gòu)造Fig.5 Construction of cast-in-place round-hole hollow plate

布管方向?qū)ΜF(xiàn)澆空心樓蓋荷載的傳遞、內(nèi)力及撓度分布等均有明顯影響。在矩形柱網(wǎng)中，當(dāng)沿短跨布管時，樓蓋傳至四邊的荷載和兩向梁的內(nèi)力差值均小于長跨布管的情況，這有利于框架梁的設(shè)計和樓蓋的撓度控制，但當(dāng)柱網(wǎng)的長、短邊之比大于1.5時，樓蓋在兩個方向的正(負(fù))彎矩差值較大，因此布管方向的選擇應(yīng)結(jié)合樓蓋混凝土澆筑的難易程度、經(jīng)濟(jì)性等影響因素來綜合確定[17]?，F(xiàn)澆混凝土圓孔空心樓蓋可按抗彎剛度等效原則折算為密肋樓蓋計算內(nèi)力和控制剛度[18]，結(jié)構(gòu)具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性[19]。圖6(a)所示的貴陽貿(mào)易大廈用鋼量為51 kg/m2，而圖6(b)所示的國電貴陽勘測設(shè)計院辦公樓，其用鋼量則為48 kg/m2。

(a)貴陽貿(mào)易大廈 (b)國電貴陽勘測設(shè)計院辦公樓圖6 現(xiàn)澆圓孔空心樓蓋工程Fig.6 Engineering of cast-in-place round-hole hollow plate

1.3 空腹夾層板樓蓋

圖7 空腹夾層板構(gòu)造Fig.7 Construction of open-web sandwich plate

圖8 貴州鋁廠溫水游泳館Fig.8 Warm water natatorium in Guizhou Aluminum Factory

(a)建筑立面 (b)建筑室內(nèi)圖9 貴州省老年大學(xué)綜合館Fig.9 Comprehensive building in Guizhou Agedness University

雖然挖空中性層附近的混凝土使得空腹夾層板的平面剛度要低于密肋樓蓋，但試驗研究表明，這幾乎不影響結(jié)構(gòu)計算的樓蓋平面無限剛假定[26]。對于抗彎性能分析，在抽取計算簡圖時，很容易將空腹夾層板按空腹網(wǎng)架對待。事實上，剪力鍵具有塊體受力性能，從而使上下肋的局部彎矩較小，肋的節(jié)間變形是明顯區(qū)別于空腹網(wǎng)架的[27]，這也是目前在計算空腹夾層板內(nèi)力時，將密肋梁的整體彎曲內(nèi)力乘以放大系數(shù)后，轉(zhuǎn)化為上下肋軸力進(jìn)行工程設(shè)計的原因[28]。

1.4 空腹網(wǎng)架

組合網(wǎng)架可用作大跨度樓蓋，1990年前后在我國有所應(yīng)用，但結(jié)構(gòu)高度較高，且鋼結(jié)構(gòu)部分的防銹和防火維護(hù)較為繁瑣[29]，因此伴隨組合網(wǎng)架的研究，馬克儉等[30]逐漸開展了混凝土空腹網(wǎng)架的研究和應(yīng)用工作?？崭咕W(wǎng)架可理解為框架橫置后編織而成的空間結(jié)構(gòu)，外形與空腹夾層板具有相似性，但結(jié)構(gòu)高度遠(yuǎn)大于空腹夾層板的結(jié)構(gòu)高度，因此腹桿處于偏心受力狀態(tài)，即局部彎矩對空腹網(wǎng)架桿件受力性能的影響是不容忽視的，這是空腹網(wǎng)架與空腹夾層板的最大不同之處。

相比于鋼網(wǎng)架，混凝土空腹網(wǎng)架具有更好的適應(yīng)性。圖10為2020年回訪的、建于1987年的安順市體育局訓(xùn)練館使用情況，歷經(jīng)30余年而結(jié)構(gòu)完好如初。2013年落成的淮陽縣文化藝術(shù)中心劇院22.4 m跨屋蓋，經(jīng)方案對比后也采用了空腹網(wǎng)架結(jié)構(gòu)[31]。當(dāng)空腹網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)高度與建筑層高一致時，在多(高)層建筑中可隔層獲得大跨度使用空間，肖南等[32]稱其為跳層空腹網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，需要注意結(jié)構(gòu)的層間剪切剛度突變問題，否則易使樓層的受剪承載力突變，這對結(jié)構(gòu)抗震是不利的。

(a)建筑立面 (b)室內(nèi)網(wǎng)格圖10 安順市體育局訓(xùn)練館Fig.10 Gymnasium of Anshun Sports Bureau

2 曲面形混凝土空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

混凝土殼體施工復(fù)雜是不爭的事實，施工技術(shù)的改進(jìn)已成為影響其能否繼續(xù)推廣使用的關(guān)鍵因素。上世紀(jì)80年代前后采取的措施主要是裝配式施工[33]，并修建了同濟(jì)大學(xué)大禮堂[34]、烏魯木齊機(jī)庫[35]等代表性工程，其中同濟(jì)大學(xué)大禮堂進(jìn)行簡單維護(hù)后至今仍在使用[36]。近年來，為降低混凝土殼體結(jié)構(gòu)的施工難度，又陸續(xù)出現(xiàn)了若干曲面形空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。

2.1 組合薄殼

在如圖11所示的鋼殼內(nèi)澆筑混凝土，滕錦光等[37]提出了鋼底殼-混凝土殼組合薄殼結(jié)構(gòu)。因為鋼底殼既是混凝土澆筑的模板，也是結(jié)構(gòu)的受力構(gòu)件，因此施工階段鋼底殼的承載力及穩(wěn)定問題至關(guān)重要[38-39]。此外，螺栓除連接卷邊鋼殼外，還用于協(xié)調(diào)鋼底殼與混凝土殼的共同工作性能，這會成為影響組合薄殼極限承載力的控制因素[40]。江西新余市廣電中心演播大廳25 m跨度的屋蓋采用了這種結(jié)構(gòu)，不同之處在于鋼底殼卷邊后的鋼肋由螺栓夾接在另設(shè)鋼肋上，這相當(dāng)于將結(jié)構(gòu)演化成了加勁組合殼，結(jié)構(gòu)施工較為方便[41]。工程情況如圖12所示。

圖11 鋼底模示意圖Fig.11 Diagram of bottom steel formwork

圖12 新余市廣電中心組合球面扁殼Fig.12 Xinyu Broadcast-TV Center composite spherical shallow shell

2.2 組合網(wǎng)殼

薄殼加肋可顯著提高其穩(wěn)定性和承載力，此時的帶肋殼事實上是單層網(wǎng)殼，這在現(xiàn)代工程中仍有應(yīng)用[42-43]。當(dāng)跨度較大而使肋上應(yīng)力水平較高時，采用鋼-混凝土組合肋是改善結(jié)構(gòu)受力性能的有效措施[44-45]。

上世紀(jì)90年代，還出現(xiàn)了將單層鋼網(wǎng)殼與混凝土帶肋殼結(jié)合使用的單層組合網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用了10余項工程[46]。圖13為這種結(jié)構(gòu)在山西潞安礦務(wù)局常村礦洗煤廠圓錐臺煤場34.1 m跨頂蓋中應(yīng)用的結(jié)構(gòu)構(gòu)造[47]，圖14為其在珠海某表演場67.8 m跨屋蓋中的應(yīng)用情況[48]。單層鋼網(wǎng)殼是預(yù)制混凝土帶肋殼安裝時的支撐，只有兩者連接可靠后才能共同工作，因此與鋼底殼-混凝土殼組合薄殼類似，應(yīng)注重施工階段單層鋼網(wǎng)殼的承載力及穩(wěn)定性能分析，否則易導(dǎo)致工程事故發(fā)生[49]。

圖13 球面單層組合網(wǎng)殼 圖14 珠海某表演場單層組合網(wǎng)殼Fig.13 Single-layer spherical composite reticulated shell Fig.14 Single-layer composite reticulated shell of a performance hall in Zhuhai

如果將組合網(wǎng)架彎曲后應(yīng)用，則形成雙層組合網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，有學(xué)者開展了這類結(jié)構(gòu)中的柱面殼(圖15)研究工作，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)具有較好的受力性能[50-51]。如果將上弦層的混凝土帶肋殼改為帶肋鋼板-混凝土組合殼時，則可將這類結(jié)構(gòu)引入到防護(hù)工程中，可獲得良好的抗沖擊性能[52]。與鋼網(wǎng)殼通過檁條傳遞荷載不同的是，組合網(wǎng)殼的屋面荷載通過混凝土上弦桿直接傳遞，致使上弦桿事實上是偏心受力構(gòu)件，應(yīng)注重上弦桿的強(qiáng)度、剛度及節(jié)點連接可靠性復(fù)核[21，53]。

圖15 柱面雙層組合網(wǎng)殼結(jié)構(gòu) 圖16 混合型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)Fig.15 Cylindrical double-layer composite reticulated shell Fig.16 Hybrid reticulated shell structure

2.3 混合網(wǎng)殼

根據(jù)殼體的內(nèi)力分布規(guī)律，前述雙層組合網(wǎng)殼的跨中區(qū)域以薄膜應(yīng)力為主，彎曲內(nèi)力大多出現(xiàn)在邊界附近，可根據(jù)這一特性取消殼體跨中區(qū)域的腹桿和下弦桿，所得到的結(jié)構(gòu)被稱為混合型網(wǎng)殼[54]，如圖16所示。由于中部區(qū)域的混凝土單層網(wǎng)殼支承在屋蓋周邊的雙層組合網(wǎng)殼上，因此單雙層交接處的連接可靠性對結(jié)構(gòu)安全是至關(guān)重要的。分析表明，結(jié)構(gòu)具有較好的強(qiáng)度和剛度儲備[55]。這類結(jié)構(gòu)目前未見工程應(yīng)用。

2.4 折板式網(wǎng)殼

采用平面切割曲面后再網(wǎng)格化，則可獲得折板式網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)[56]，這相當(dāng)于是將密肋平板引入到混凝土殼體結(jié)構(gòu)中，典型結(jié)構(gòu)形式如圖17所示。密肋平板依靠匯交后的脊線或谷線支承，因此可以將結(jié)構(gòu)理解為由交匯折線拱和密肋平板組成的雙重網(wǎng)格空間結(jié)構(gòu)，密肋梁協(xié)同折線拱共同工作，且折線拱在很大程度上決定了結(jié)構(gòu)的安全性[57]。這類結(jié)構(gòu)可借助建筑結(jié)構(gòu)行業(yè)軟件完成設(shè)計工作，但需注意結(jié)構(gòu)的構(gòu)件并非處于純受彎狀態(tài)，還需注意屋蓋推力對下部樓層承載力的影響[58-60]。

圖17 混凝土折板式密肋網(wǎng)殼的典型結(jié)構(gòu)型式Fig.17 Typical structures of concrete folded-plate multi-ribbed shell

當(dāng)前，這類網(wǎng)殼中的人字形結(jié)構(gòu)，按屋蓋投影面積已應(yīng)用1.2萬余平方米[6]，典型工程為關(guān)嶺美食城，共有12棟單體建筑，總建筑面積為2.81萬m2，如圖18(a)所示。其中1#～4#屋蓋的最大跨度達(dá)24 m，如圖18(c)—(e)所示，屋蓋支承在柱上的主肋梁截面高度為跨度的1/40，并在根部加腋，其余肋梁截面高度為屋蓋跨度的1/48，屋蓋混凝土的折算厚度為191 mm/m2，用鋼量為43 kg/m2。結(jié)構(gòu)具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

圖18 關(guān)嶺美食城Fig.18 Guanling Food Market

3 結(jié)語

新中國成立以來，我國的空間結(jié)構(gòu)得到了長足發(fā)展，尤其是采用輕屋面系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)得到了大量應(yīng)用，這與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和投資選擇有關(guān)，一般的工程結(jié)構(gòu)往往只注重興建時的投資而忽視了使用階段的維護(hù)費(fèi)用?；炷辆哂辛己玫哪途眯阅芎头阑鹦阅?，不失為大跨空間結(jié)構(gòu)的理想用材。本文主要基于文獻(xiàn)檢索，未窮盡當(dāng)前的新型混凝土空間結(jié)構(gòu)，且簡單按外形分類對其中的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行評述，有相當(dāng)一部分結(jié)構(gòu)型式是作者所在團(tuán)隊的研發(fā)成果?？梢园l(fā)現(xiàn)，降低結(jié)構(gòu)自重、便于施工和改善應(yīng)力分布是目前新型混凝土空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)研發(fā)的一個重要方向，圍繞這一方向，相信還會出現(xiàn)越來越多的新型混凝土空間結(jié)構(gòu)[61-62]。

實踐表明，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)還有許多構(gòu)造、承載力計算理論等需完善的地方，例如密肋樓蓋中填埋的芯模與混凝土的連接可靠性、混合網(wǎng)殼剛度突變處的節(jié)點連接性能、空腹夾層板承載力的精細(xì)化計算理論等。若干問題是在實踐中發(fā)現(xiàn)的，只有科技人員不斷投入精力，才能有效推動新型混凝土空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的發(fā)展。