[科普中國]-跨度

概述

建筑工程中，按設(shè)計圖標(biāo)注的相鄰兩縱向定位軸線的跨距。正如世界各種著名建筑以及橋梁的建成都離不開大跨度結(jié)構(gòu)，大跨度結(jié)構(gòu)在建筑行業(yè)有著廣闊的應(yīng)用前景。

跨度的方向1、除定位軸線以外的網(wǎng)格線均稱為定位線，它用于確定模數(shù)化構(gòu)件尺寸。模數(shù)化網(wǎng)格可以采用單軸線定位、雙軸線定位或二者兼用，應(yīng)根據(jù)建筑設(shè)計、施工及構(gòu)件生產(chǎn)等條件綜合確定，連續(xù)的模數(shù)化網(wǎng)格可采用單軸線定位。當(dāng)模數(shù)化網(wǎng)格需加間隔而產(chǎn)生中間區(qū)時，可采用雙軸線定位。

2、定位軸線應(yīng)與主網(wǎng)格軸線重合。定位線之間的距離（如跨度、柱距、層高等）應(yīng)符合模數(shù)尺寸，用以確定結(jié)構(gòu)或構(gòu)件等的位置及標(biāo)高。結(jié)構(gòu)構(gòu)件與平面定位線的聯(lián)系，應(yīng)有利于水平構(gòu)件梁、板、屋架和豎向構(gòu)件墻、柱等的統(tǒng)一和互換，并使結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力合理、構(gòu)造簡化。

大跨度橫向跨越30米以上空間的各類結(jié)構(gòu)形式的建筑。大跨度結(jié)構(gòu)多用于工業(yè)建筑中的大跨度廠房、飛機裝配車間和大型倉庫等。大跨空間結(jié)構(gòu)是一個國家建筑科技水平的重要標(biāo)志之一。

大跨度建筑世界上許多先進國家著名城市的標(biāo)志性建筑，以及很多優(yōu)秀旅游景區(qū)的建筑始終與大跨度空間結(jié)構(gòu)密不可分，歷屆奧林匹克運動會、世界各國的各種經(jīng)濟貿(mào)易會、世界博覽會也無不成為各國最先進的大跨度空間結(jié)構(gòu)競相亮相的舞臺。1

日本是現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)發(fā)展很快的國家，2001年1 0 月在日本名古屋舉行的IASS 2001 國際空間結(jié)構(gòu)大會。大會展現(xiàn)了現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)無不充分體現(xiàn)了宏偉、美觀、富有藝術(shù)想象力，無論哪一個空間結(jié)構(gòu)都充分體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)的進步，體現(xiàn)應(yīng)用了優(yōu)質(zhì)、高強、最新的建筑材料，體現(xiàn)了空間結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的進步，也體現(xiàn)了每一個現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)均建立在合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計概念、合理的結(jié)構(gòu)布置的基礎(chǔ)之上。

東京穹頂施工：Takenaka 集團

⒈工程概況：

東京穹頂又稱“大蛋”，是日本第一個充氣穹頂?shù)捏w育場，是全天候多用途的體育館。當(dāng)用于扇形壘球場使用可容納50 000座，當(dāng)用于其它體育項目時可容納56 000座。穹頂跨度超過200m，室內(nèi)空間124萬立方米，穹頂全年處于充氣狀態(tài)，充氣系統(tǒng)保證日常室內(nèi)空氣壓力比室外提高30mmAq(300N/ ，或約0.3% 的大氣壓力)。而在強風(fēng)或堆雪條件下提高到90mmAq。另外膜結(jié)構(gòu)裝備了融雪系統(tǒng)(在二層膜間輸送暖空氣)，以減小屋頂結(jié)構(gòu)上的雪荷載。

⒉結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：

屋頂結(jié)構(gòu)在平面上為方形帶圓抹角的平面，其邊長為180.6m，對角線長為201.0m，穹頂矢高與對角線跨度比為0.124，屋頂周圍為斜放的壓環(huán)，與水平面夾角為5.68°，屋頂結(jié)構(gòu)為雙向沿平面對角線方向各布置直徑為80mm 鋼鉸線14根，總共為28 根，鋼索間距為8.5m，屋面平均荷載為140N/，屋面材料采用雙層強力、耐用、防水的特氟隆(teflon)玻璃纖維膜材，厚度為0.8mm。

⒊結(jié)構(gòu)特點：

⑴屋面結(jié)構(gòu)采用全索－膜結(jié)構(gòu)，具有如下優(yōu)點：在正常使用時，室內(nèi)增壓3 0 m m A q ( 相當(dāng)0.3kN/的力)使索與膜均處于受拉和穩(wěn)定狀態(tài)，充分發(fā)揮了鋼索與膜材均具有很高抗拉強度的性能。索－膜結(jié)構(gòu)本身自重較小，僅為140N/(還不到一般空間鋼結(jié)構(gòu)的1/3～1/4)。屋面采用雙層膜材，在兩層間增設(shè)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可防止結(jié)露及提供屋面融雪的條件。索－膜結(jié)構(gòu)施工安裝較方便。該結(jié)構(gòu)在1987年6月28日上午5:30在地面組裝完成，開始由10臺風(fēng)機充氣，僅用3小時，即上午8:30就安全地使結(jié)構(gòu)中心截面升到60m 高。

⑵為了平衡鋼索的向內(nèi)拉力，沿建筑周邊設(shè)置抗壓環(huán)。

⑶由于建筑周邊為帶圓抹角的方形平面，設(shè)計者將雙向主鋼索布置在平面對角線方向，大大減小了平面直邊壓環(huán)內(nèi)的彎矩，為了平衡直邊的側(cè)向力作用，在直邊部分設(shè)支撐系統(tǒng)，將索的向內(nèi)拉力傳遞給下部結(jié)構(gòu)。

⑷充氣索膜結(jié)構(gòu)由于索和膜在不同受力條件，索的不同的預(yù)張力，結(jié)構(gòu)有不同的體型，因此對設(shè)計方法如找形、裁剪、非線性大變形的設(shè)計計算方法，均有相當(dāng)難度。1

秋田天空穹頂建筑與結(jié)構(gòu)：Kajima 設(shè)計

施工：Kajima

⒈工程概況：秋田縣位于日本北部西海岸，該地區(qū)冬天長期積雪，秋田縣組織了一次設(shè)計競賽，要求在秋田中心公園體育場地上覆蓋一個室內(nèi)明亮、開放的大空間，以使市民全年可在室內(nèi)活動，同時從室外觀賞上為城市增色。

⒉結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：

秋田天空穹頂被設(shè)計為單層索－膜結(jié)構(gòu)，并設(shè)計了方便的屋面排雪系統(tǒng)，該屋面結(jié)構(gòu)平面為130m × 100m 的半球面，矢高為32m，按日本建筑規(guī)范，穹頂上的雪荷載為450kgf/ ，這個穹頂由受拉的屋面膜材、管狀空間拱架及鋼筋砼基座結(jié)構(gòu)組成，空間拱架由雙向拱結(jié)構(gòu)組成，一個方向是空腹拱架(一個月牙形，最大矢高為2m)，具有較高剛度，另一個方向為單層拱與空腹拱架的下弦橫交，空腹拱的上弦用斜撐與單層拱相接，空腹拱豎桿的端部和單層拱及上下弦均為剛性連接，在T 節(jié)點連結(jié)處，桿件厚度增加以提供較高剛度和強度。

⒊結(jié)構(gòu)特點：

屋面采用半透明的膜材，達到了建筑上對開放、明亮、大空間的要求。膜材利用空腹拱的上弦及施加預(yù)應(yīng)力的谷索定形。屋面為球面的一部分，充分發(fā)揮拱的受力特點，拱的橫向推力由周邊的圓形環(huán)梁和另一方向的空間桁架承受，空間桁架拱拱腳利用立面玻璃幕墻分隔處設(shè)水平梁來平衡，圓形環(huán)梁通過鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)將水平力傳遞至基礎(chǔ)。空腹桁架和單層拱均采用管結(jié)構(gòu)法蘭螺栓連接，可在地面分片組裝成3 部分或5 部分，然后用160t的起重機提升就位并組裝。

大跨度橋梁大跨度橋梁在交通運輸行業(yè)中起著至關(guān)重要的作用。由于容易受到自然環(huán)境及人為因素的影響，大跨度橋梁存在成橋后結(jié)構(gòu)與施工設(shè)計不相符的可能，進而導(dǎo)致橋梁局部變形增大。施工控制是對整個施工過程展開監(jiān)控，及時分析處理采集的數(shù)據(jù)，為接下來的施工操作提供可靠數(shù)據(jù)支持的一種措施，可確保大跨度橋梁的構(gòu)件內(nèi)力及線形與工程設(shè)計相符，促進工程施工精度與質(zhì)量的提高。因此，做好大跨度橋梁的施工控制具有重要的現(xiàn)實意義。2

大跨度橋梁的施工控制內(nèi)容（1）變形控制

大跨度橋梁的一項重要施工控制內(nèi)容是結(jié)構(gòu)的尺寸。在施工過程中，由于受到施工溫度、混凝土收縮、施工荷載等因素的影響，橋梁不可避免會發(fā)生結(jié)構(gòu)變形，使得橋梁主體位置與實際位置出現(xiàn)偏差，情況嚴(yán)重時還會給合龍施工帶來困難，導(dǎo)致成橋后的線形出現(xiàn)明顯的起伏，對大跨度橋梁整體美觀產(chǎn)生影響。因此，為有效減小結(jié)構(gòu)與設(shè)計尺寸之間的偏差，要嚴(yán)格按照規(guī)范的要求進行施工操作，將誤差控制在允許的范圍內(nèi)。我國對懸臂澆筑預(yù)應(yīng)力混凝土梁式橋的結(jié)構(gòu)尺寸允許偏差規(guī)定如表1所示。2

（2）應(yīng)力控制

在橋梁施工的整個過程中，工程人員需要實時監(jiān)測關(guān)鍵斷面的應(yīng)力情況，通過對比測量數(shù)據(jù)與計算結(jié)果，對大跨度橋梁的實際內(nèi)力與施工設(shè)計之間的誤差有一個明確的了解。此外，在開展大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁施工時，應(yīng)當(dāng)密切關(guān)注橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力受到臨時大型機械的影響。為確保儀器精度與工程設(shè)計要求相符，還需嚴(yán)格檢驗張拉錨具的有效性。

（3）穩(wěn)定性控制

施工過程中結(jié)構(gòu)安全性與橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性之間有緊密的聯(lián)系，一旦出現(xiàn)局部失穩(wěn)的情況，就極有可能導(dǎo)致橋梁坍塌事故的發(fā)生。因此，在實際施工過程中，還需對大跨度橋梁的整體及局部穩(wěn)定性進行嚴(yán)格控制。計算應(yīng)力變形情況以及穩(wěn)定性安全系數(shù)，從而為橋梁施工質(zhì)量控制提供科學(xué)的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

大跨度橋梁的施工控制的方法作為施工控制的核心問題，施工控制方法要解決的問題是如何將結(jié)構(gòu)實際狀態(tài)與目標(biāo)狀態(tài)之間的偏差降至最低[2]。大跨度橋梁的施工控制方法主要有以下兩種。

（1）預(yù)測控制法該方法主要是采取科學(xué)合理的手段來預(yù)測各施工階段的狀態(tài)，考慮可能出現(xiàn)的各種因素，以確保能夠按照設(shè)計要求順利進行各項施工操作。但是，由于預(yù)測控制法難以完全準(zhǔn)確預(yù)測出下一施工階段的梁體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致預(yù)測的狀態(tài)與實際情況存在一定的偏差，因而只能在下一個階段預(yù)測上一階段誤差的影響，循環(huán)往復(fù)，才能確保施工的順利完成。此種施工控制方法具備良好的穩(wěn)定性與控制性，能適應(yīng)復(fù)雜的施工環(huán)境，因而在連續(xù)剛構(gòu)橋、連續(xù)梁橋等大跨度橋型中得到非常廣泛的應(yīng)用。

（2）自適應(yīng)施工控制法

由于混凝土等施工材料的張拉預(yù)應(yīng)力、非線形等因素與實際施工情況存在一定的差異，因而使得已澆筑梁段的位移、內(nèi)力存在偏差。自適應(yīng)施工控制法便是在無法改變位移與內(nèi)力的條件下，在下一階段結(jié)構(gòu)分析中輸入這些影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力的誤差參數(shù)，通過不斷循環(huán)計算，使結(jié)果逐步接近實際測量值，從而得出精確度更高的計算模型，指導(dǎo)橋梁施工達到理想目標(biāo)狀態(tài)。自適應(yīng)施工控制原理如圖7所示。