中国钢结构体系五十年

1．单层厂房框架结构

    上海宝山钢铁厂是改革开放以来第一个新建的、大量引进国外先进技术的大型钢铁企业。由于宝钢工程地基软弱，施工速度要求快，该厂大型厂房和一些特种构筑物都采用钢结构。1、2期工程钢结构建筑面积就有105万㎡。当时厂房结构基本上仍属单层框架或排架体系，但高度大，有的车间柱高50m，面积大，有的厂房面积达22.4万㎡，无缝钢管厂跨度和柱距最大48m，最多的连跨为8跨(无缝钢管和连铸厂)，最大延长为1215.6m(热轧厂)；吊车起重量大，最大450t(连铸厂)；而厂房围护结构则很轻，全部采用彩色涂层压型钢板或铝合金压型板，自重8～15kg／㎡。一期工程钢结构主要由国外设计制造，二期工程则主要由国内设计施工。三期工程厂房面积 100多万㎡，厂房钢结构约27.8万t。钢结构设计尽量选用宝钢或宝钢集团生产的钢材——板、管、冷弯型钢等，实现轻型化。部分框架横梁由实腹梁代替屋架，吊车起重量轻的采用门式刚架和冷弯薄壁型钢结构，部分厂房采用平板网架结构和钢管混凝土柱。

    80年代初西北电力设计院与美国一家公司合作设计的山东石横火力发电厂(2×300MW)是首例引进先进技术的大型电厂，主厂房采用钢结构。其中锅炉问屋架底标高64.45m，煤仓间标高60.37m。汽轮发电机房、除氧间和煤仓间构成联合结构体系，结构全部采用铰接，纵向和横向设有垂直和水平支撑，各楼层也设水平支撑，形成空间支撑体系。并将水平力按弹性支承点传到锅炉钢架。钢屋架采用由H型钢剖分的T型钢代替双角钢。此后几年中，国内独立完成了几个主厂房为钢结构的大型火力发电厂的设计和建造，在1994～1996年间，该院与美国另一家公司合作完成利港、扬州、丹东和大连电厂的设计和施工，先进的设计思想和方法使工程设计水平有所发展。

    华能南通电厂一期工程，厂房结构由意大利一家公司负责，纵横向都不设一般支撑，横向采用刚架，构成自抗侧力体系，纵向则将厂房长度1／3处的4根柱子在纵向加强成T形，柱间设纵梁，形成框架以抵抗纵向水平力。二期工程厂房结构由美国一家公司负责，采用的结构方案为横向和纵向以及楼层均设支撑，柱脚与基础刚接，计算按空间杆系分析。从以上几例可见国外设计比较灵活多样。

    2．空间结构

    1、平板网架

    最引人瞩目的空间结构仍是六七十年代就已崭露头角并得到持续发展和广泛应用的平板网架，从1964～1997年国内已有大约8000幢大大小小的建筑采用这类结构，广泛用于大型体育馆建筑、展览中心、影剧院、商场、航站楼、候车厅、工厂、仓库、电视塔，甚至食堂、门廊等，总覆盖面积约900万㎡，年增长约80万㎡。网架在工业厂房中的应用在70年代末就开始研究，80年代初在唐山(丰润)机车车辆厂的总装车间（约5万㎡）和唐山齿轮联合厂房(1.65万㎡)等开始采用，但大量应用还是在80年代后期和90年代，规模之大为国际上少见。网架结构，改变了常规屋盖体系，柱网加大，有利于工艺灵活布置，一个车间的面积往往达几万㎡，例如1992年建成的天津无缝钢管厂加工车间约6万㎡(3x36x564m)，1991年建成的长春一汽一大众轿车装配车间约8万㎡(189×422m)，轻型发动机联合厂约4万㎡。1996年建成的北京首都国际机场大型客机检修库是世界上规模最大的飞机检修库之一，屋盖采用两跨(153m十153m)、进深90m的四角锥焊接球节点三层网架，厚6m，大门口由重型桥架支承。同年建成的厦门太古飞机维修基地的157m跨拉杆拱架三层网架机库，网架跨度152m，进深70m，大门口采用无粘结预应力索拉杆拱，具有特色。沈阳博展中心室内足球场(容纳3万观众)屋盖平面144m×204m，采用两向正交正放网架，这是我国第一座大型室内足球场。网架用于塔架(如大连电视塔)、塑像骨架(如九华山佛像高99.9m)、人行过街天桥等特种结构，范围越来越广。平板网架计算比较成熟，国内有许多网架专用电算程序，这是促进网架结构发展的重要因素之一。

    2、网壳结构

    网壳结构在50年代就已开始应用于体育馆和公共会堂，但发展比平板网架慢。平板网架向网壳发展是必然趋势，后者比前者有许多优点，特别是大跨度和超大跨度时。我国采用的网壳型式多种多样，如柱面、球面、双曲抛物面、扭面以及双曲扁壳等。除钢网壳外还有单层网壳与钢筋混凝土屋面板共同工作的组合网壳。已建成的网壳工程以球面和柱面最多。

    1994年建成的天津体育中心体育馆采用了肋环斜杆型双层球面网壳结构，直径108m，周边悬挑13．5m。1997年建成的长春综合体育馆，平面为杏核形，长轴191．68m，短轴146m，沿长轴设脊拱架，跨度191．68m，矢高40．67m，厚2．8m，38榀斜向径向拱架，一端落地，一端与脊拱相连，另设7道环向衍架，与各拱相连，杆件都用方钢管，这样组成双层方钢管网壳，此工程由加拿大初步设计。 1995年建成的黑龙江滑冰馆是由中央部分的柱面壳 (正放四角锥)和两端的两个半球壳(三角锥)组成的双层网壳，轮廓尺寸86．2m×191．2m，厚2．1m，为钢管杆件和螺栓球节点。

    1995年建成的铜陵水泥厂储量为4万t的石灰石预均化库，屋盖采用直径110m分叉肋环式多棱弯顶，16榀(分叉后32榀)肋和5道环都用空腹式结构。又如嘉兴电厂干煤棚采用3心圆柱面网壳，跨度103.5m，长80m。1995年建成的**省攀枝花市体育馆是八边花瓣形双层网壳结构，跨度60m，在8个边缘构件设置了拉索，施加多次预应力(3次加载，两次卸载)。这是首次在国内采用多次预应力。之后相继又建造了数座不同形式网壳在不同部位施加预应力的体育馆。1984年兴建的宁河体育馆(42mx42m平板网架)，是第一座通过调整支座高差使网架建立预应力的预应力空间结构(网架)。铝合金结构是金属结构的一种。1998年建成的上海国际体操中心主馆，直径68m穹顶采用单层铝合金球面网壳，共有12圈，覆以亚光铝合金板。铝材为进口。铝合金结构对减轻结构自重、降低基础造价起重要作用。国内在网壳结构的理论研究和分析方面进行过很多有益的工作，取得良好效果，并编制了不少计算程序，也做了一些模型试验。

    3、悬索及斜拉结构

    建成北京工人体育馆和浙江体育馆后悬索结构几乎停顿下来，直到80年代又开始采用。不少中小跨度的悬索结构采用单曲平行索系。不同工程采用不同方法来提高这种索系的刚度和稳定性，如山东淄博54m跨单层平行索系的体育馆，采用预加荷载方法使钢索与钢筋混凝土形成具有抗弯刚度的预应力悬挂薄壳。又如安徽体育馆外包尺寸72m×53m不等边6角形，长向采用单曲承重索，横向按柱距6m设置轻型钢屋架作为加劲构件，调整两端支座位移使索建立预应力。单曲面双层悬索结构是在下凹承重平行索系的基础上增设一层反向曲率(上凸)的稳定索和系杆构成，如无锡体育馆(43m×40m)的单曲面双层悬索结构，其上下索位于同一竖面内，承重索与稳定索在跨中交接，类似拉索衍架，受力属平面体系。吉林冰球馆的单曲面双层悬索结构的承重和稳定索不在同一竖面上，相互错开半个柱距，形成空间(立体)拉索衍架。在跨中间2／3范围内稳定索高于承重索，靠近两端稳定索则低于承重索。屋盖中的斜拉结构是利用斜拉索作为屋盖梁、网架、网壳等结构中间的附加支承，也可通过张拉斜拉索在结构中建立预应力。

    北京奥林匹克中心综合馆(70mx 83．2m)于1989年建成,是在人字形双层圆柱面网壳(四角锥)中央屋脊处设置高9．9m、宽9m的衍梁，用16根斜拉索将衍梁悬挂到两端60m高的预应力钢筋混凝土塔筒上，成为柔性斜拉索与钢网壳屋盖的混合体系。同样北京奥林匹克中心英东游泳馆(1989年建成，78m×118m)屋盖为曲面人字形钢屋架，屋脊处支承在箱形主梁上，用24根斜拉索将主梁吊挂到两端预应力钢筋混凝土塔筒上，也是柔性结构和刚性屋盖混合体系。这两幢建筑从外形看，都是中国民族形式。1993年我国承建的新加坡港务局(PSA)仓库，采用斜拉四角锥网架，总面积6万多㎡，分A，B两种类型，A型4幢，中间设6根塔柱，平面120m×96m；B型2幢，中间设4根塔柱，平面96m×70m每根塔柱设4根斜拉索吊起网架。

    4、空间结构与拱、刚架等组成的混合体系

    北京石景山体育馆，平面为正三角形，边长99．7m，屋盖采用三片四边形的双曲抛物面网壳，厚1．5m，中间支承在中央立体衍架组成的三叉拱上。再如江西省体育馆，屋盖为六边形网架，中间悬吊在跨度88m箱形钢筋混凝土落地拱上，将屋盖分成两个梯形网架，有利于采光，也丰富了建筑外形。

    江西省体育馆(73．7m×79．4m)屋盖为索网结构，采用一对相互倾斜、跨度102．5m的钢筋混凝土拱作为中间支承(两片索网一边支承在拱上，三边支承在梁上)。青岛体育馆(87m×72m)与**的相似，采用一对跨度为109m交叉的钢筋混凝土箱形拱作为中间支承。北京朝阳体育馆(60m×78m)则采用预应力索拱体系作为索网的中间构架。

    5、膜和索膜结构

    90年代后期国内已建和在建的几座体育场、剧院和展览馆采用了膜结构(钢结构加膜)。最大的是1998年建成的上海8万人体育场看台顶盖，为鞍形大悬挑钢管空间结构，径向64榀大悬挑主桁架与2至4道环向次衍架相连。膜屋面由飞索飞杆和膜材组成，形成多个锥状伞面，能避雨遮阳，体育场加蓬盖是新的趋势。其他如上海虹口体育场、青岛颐中体育场、武汉新经济开发区体育场蓬盖、长沙世界之窗剧场(内柱最大跨度70m，外柱88m)等，后3座都是索膜结构，即承重结构主要是拉索，这几座较大工程所用膜材料是进口的，价格较贵。我国对膜材的找形、剪裁和分析做了一些研究工作。