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超级工程 (施工会)

归档日期:07-01       文本归类:尤德里      文章编辑:爱尚语录

  超级工程 (施工会)_交通运输_工程科技_专业资料。超大跨度空间结构 ——梦想与探索 内容 ? 从50多年前的梦想谈起 ? 现实中各类空间结构体系的最大跨度 ? 从国内外工程看超大跨度结构的合理形式 ? 几种超大跨度结构体系可行性的探索 ? 巨型网

  超大跨度空间结构 ——梦想与探索 内容 ? 从50多年前的梦想谈起 ? 现实中各类空间结构体系的最大跨度 ? 从国内外工程看超大跨度结构的合理形式 ? 几种超大跨度结构体系可行性的探索 ? 巨型网格结构 ? 超级索结构 ? 超级气承式膜结构 ? 超级系留浮空结构 从梦想谈起 ? ? ? ? ? 富勒 (Buckminster Fuller,1895) 美国著名建筑力学大师和发明奇才 短程线网壳(Geodesic Domes) 1967加拿大蒙特利尔万国博览会美国馆,76m跨。 张拉整体结构概念。 从梦想谈起 ? 富勒的曼哈顿计划 (1959) ? Fuller:“ 我终于计算 出了直径为两英里的最 短程线穹顶,....从曼 哈顿岛边缘一直到第42 大街的宽度为两英里, 刚好可以建一个直径为 两英里的穹顶” ?直径2英里,高1.1英里, 网壳重8万吨。 从梦想谈起 ? ? ? ? 奥托(Frei Otto,1925) 德国轻型建筑大师,柔性边界索网 1967年蒙特利尔博览会德国馆 1972年慕尼黑奥林匹克体育场罩棚 9片80m×60m的鞍形索网,8根高约 70m的桅杆,455m长的内边索 从梦想谈起 ?奥托的南极之城方案 antarctica city(1971) ?气承式膜结构,直径两公里,中心高240m; ?容纳40000居民。 从梦想谈起 ? 日本巴组铁工所提出跨度500m及1000m网壳蓝图, ? 创造理想未来城市,体现工作、居住、娱乐一体化的丰富 日常生活环境。 “ 20 世纪 50-60 年代,战后经济起飞, 空气调节技术领域所取得的巨大进步, 诱发了人们建造全能建筑的乌托邦式梦 想,试图能够在人为创造的环境中人为 地控制自然气候。” ——Klaus-Michael Koch(2004) 从梦想谈起 ? ? ? ? ? ? ? ? 最大跨度109m 探索:《无限大工程·休斯顿圆顶》(2010) “兴建城市规模的圆顶可能已不再遥不可及” 休斯顿飓风、酷热、潮湿; 高1500呎,直径1哩——伊甸园(2001)放大; 14.7万个ETFE气枕,36.9万根杆件; 钢筋混凝土张力环抗浮:风吸力; 飞艇安装,安装误差采用航空标准; 冷空气自动循环。 三角锥 从梦想谈起 ? 电视剧《穹顶之下》2013年6月 ? 根据史蒂芬·金 2009年的畅销小说改 编 ? 斯皮尔伯格监制; ? 突然一个巨大的透明罩子 ( 直径 2 英里 的半球)把一个小镇盖起来。镇里的居 民与罩外的世界隔绝,罩外的电波信 号声音进不来...... ?曼哈顿计划50年后; ?都是两英里的半球; ?环境问题更加严峻; ?梦想继续? ?离实现不远了? 现实:网格结构的跨度 ? ? ? ? ? 管桁架拱 加蓬体育场罩棚(2011) 倒三角形桁架拱, 东看台272m跨,矢高47.5m, 西看台320m跨,矢高63.2m。 ? 鄂尔多斯东胜体育场(2011) ? 四边形管桁架巨拱 ? 高129m,跨度330m,倾6.1度 现实:网格结构的跨度 ? ? ? ? 网架 沈阳博览中心(2001) 204m×144m室内足球场(含看台) 两向正交正网架结构,高10m。 ? 武汉光谷网球中心网球馆(在建) ? 固定屋盖直径151m,三层网架; ? 中间可开启的活动屋盖跨度70m。 现实:网格结构的跨度 ? ? ? ? 网壳 广西盛隆焦化煤场干煤棚(2013) 长274m、跨度131m 双层圆柱面网壳 ? 内蒙古扎哈淖尔煤矿料场(2010) ? 双层球面网壳直径125m 现实:网格结构的跨度 ? 网壳 ? 沈阳文化艺术中心(2013) ? 190m×160m ? 单层折面网壳 ?日本福冈体育馆(1993) ?直径为222m ?可开合网壳 现实:网格结构的跨度 ? 矩型杆网壳 ? 国家体育场(鸟巢,2008) ? 长轴332.3m,短轴296.4m,最高点68.5m,低点42.8m 现实:索结构的跨度 ? 单向张弦结构 ? 东营黄河口模型厅 ? 跨度148m,2009 ? 索承网壳 ? 济南奥林匹克体育中心体育馆 ? 直径122m,2008 现实:索结构的跨度 ? ? ? ? 索穹顶 亚特兰大奥运会体育馆(1996) 椭圆平面243×191m 用钢量仅为38kg/m2 现实:索结构的跨度 ? ? ? ? 索网 佛山世纪莲体育场(2006) 外环直径310m,内环直径为125m 40根脊索+40根谷索+内环索+膜 东 北 南 西 测点编号:没有圆圈的是脊索编号,有圆圈的是谷索编号. 现实:索结构的跨度 ? ? ? ? 索网 千年穹顶(The millenium dome,1998) 直径320m+膜 12根格构式桅杆(支座高10m,柱高90m) 现实:索结构的跨度 ? 索网 ? 哈萨克斯坦阿斯塔纳市 Khan Shatyr 娱乐中心(2010) ? 140m×120m,高150m; ? 192根径向索+环索+ETFE膜气枕; ? 购物、 电影、用餐、慢跑、微型 高尔夫、泳池。 现实:索结构的跨度 ?索网 ?世界上最大的馈源望远镜(FAST,在建) ?100-170m高支承塔+钢桁架环梁 ?500m直径索网支承反射面舱体 ?改变6根支承索的张力方向,保证舱体悬浮于空间 现实:索结构的跨度 ? ? ? ? 悬索 日本明石海峡大桥(1999) 主跨1,991m,主塔297m,基础直径80米,水中60米; 主钢缆约4000米,直径1.12米。 ? 江阴长江大桥(1999) ? 主跨1385m,塔高197m; ? 主缆直径为0.870m 现实:膜结构的跨度 ? 张拉式膜结构 ? 上海世博轴(2009) ? 南北长1045m,东西 最大投影宽102.6米 ? 单片膜最大边长约 110m,展开面积约 1717m2。 现实:膜结构的跨度 ? ? ? ? 气承式膜结构 巴彦淖尔储煤棚(2012) 110m跨度,400m长; 拆卸方便,可循环持续使用。 现实:膜结构的跨度 ? ? ? ? 气承式膜结构 温哥华BC Place体育馆(1983) 227m×186m,雪载荷1.75 kN/m2 2010年奥林匹克冬季运动会后, 原穹顶已更换为折叠开合膜结构。 ? 东京后乐园棒球馆(1988) ? 椭圆形平面对角线m 现实:系留浮空结构的跨度 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 系留浮空结构 马德里Vista Alegre(2001) 斗牛、剧场等多功能馆; 气枕直径50m,高12m,内充氦气; 可沿12根柱升高11.4m; 外层PVC+内层ETFE+索网加强。 2010德里英联邦运动会开闭幕式 22000m3充氦系留气囊(Aerostat ) 80m长,40m宽,12m高; 近10000m2的PVC织物; 世界上最大的投影面。 ? 气囊内轻型气体(甲烷、氢、氦)产生的浮力抵消结构自重。 现实:系留浮空结构的跨度 ? 国家体育场方案(2002) ? 90m直径的充气顶。 探索:合理形体 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 系留浮空结构50m 张弦结构148m 网架151m 索穹顶191m 气承式膜结构205m 网壳222m 矩型杆网壳296.4m 管桁架拱330m 索网500m 悬索桥1,991m 大于200m跨度时: ?拱形、壳形受力路径短; ?用最少材料覆盖最大面积; ?可能利用风吸产生的浮力。 探索:巨型网格结构 ? 巨型网格结构 ? 主结构为巨型梁或巨型杆交汇于节点组成的大网格结构体系, 子结构为布置于大网格中的普通网格结构; ? 结构主次分明、传力简短。 主结构 主结构 子结构 探索:巨型网格结构 ? 贺拥军等(2001-2005):跨度大于200m时,普通网壳的用 钢量迅速大于巨型网格结构; ? 郭彦林等(2005):采用格构式构件,巨型网格张弦网壳 跨度可做到500米; ? 李峰等(2008):研究巨型双向张弦结构的可行性,为实 现更大跨度进行准备。 探索:巨型网格结构 ?大连市体育中心体育馆(2012) ?145.4m×116m ?巨型网格张弦网壳 探索:巨型网格结构 ? ? ? ? ? ? “石棺” 切尔诺贝利核电站4号机组新外壳 柱面壳覆盖跨274米、长146米、高105米; 足以装下一座体育馆和自由女神像; 300米远处建造完成后,滑移到位; 预算7.4亿欧元; 2011年国际捐助会议在基辅举行,有关国家和国际组织 已承诺捐款5.5亿欧元。 ? 预计2015年12月完成。 2012年11月 探索:巨型网格结构 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? “乌姆卡”(Umka)——北极“冰城” 新西伯利亚群岛的科捷尔内岛距离北极点1600公里; 长1610米,宽731.52米管桁架拱; 将耗资40亿英镑; 容纳5000人生活居住; 抵御北极严寒,人工调节气温; 漂浮核电站供电; 食物自给自足; 瓦莱里·杰夫斯基(2011); 普京已经同意建城计划,为探 索北极地区蕴藏着的丰富的矿 产资源。 探索:巨型网格结构 ? 东京清水建设株式会社 (TRY 2004) ? 巨型金字塔多层网格结构 ? 高2004m,底2800×2800m; ? 容纳75万人; ? 88×106万亿日元。 可行性 ?巨型网格八面体单元: 350m×350m×250.5m高的 两个四角锥构成; ?巨型杆件与巨型节点 10m直径水平杆件 16m直径斜杆 50m直径节点球 ?高强钢和碳纳米复合材料。 八面体 悬挂支承100层高楼 交通枢纽 探索:巨型网格结构 ? ? ? ? ? 高强度结构钢 Q235、Q345 Q390、Q420、Q460 Q500、Q550、Q620、Q690.......Q960 日本已用屈服强度1200的钢筋与C200混凝土配合 探索:超级索结构 ? 西伯利亚穹顶(2010) ? 俄罗斯 ? 利用西伯利亚一处废弃矿坑 (直径1200m) ? 建可容10000人的三层建筑。 概念图 索穹顶 废弃矿坑 可行性: ?周边有嵌固条件 ?索穹顶+ETFE膜屋盖 ?碳纤维索,巨型网格撑杆 探索:超级索结构 ? ? ? ? 碳纤维索 密度约为钢索的1/5; 抗拉强度约为钢索的1.5倍; 温度变形约为钢索的1/20。 ? 抗剪强度低,脆性破坏; ? 热稳定性差; ? 造价高。 性能指标 密度(kg/m3) 抗拉强度(N/mm2) 弹性模量(N/mm2) 极限应变(10-6) 碳纤维索 1633 2550 147 1.6 0.68 0.3 钢索 7850 1570 196 4 12 2.5 ? 轻质高强 线小时松弛率(%) 探索:超级气承式膜结构 ? 覆盖伦敦街区的建议(Battersea,英国电力公司,2011) 聚集地面热交换成电能 ? 500米高生态塔,聚集地面热交换成电能; ? 采用充气支承带索网ETFE膜。 探索:超级气承式膜结构 ? 气承式膜结构是向室内充气,使室内 外保持一定的压力差(200-500Pa), 膜体受到内压支承,并能产生一定的 预张力,以保证体系的刚度; ? 当气囊内温度升高时,气体膨胀,由 于空间密闭,内压升高,可提供支承。 粗略估算 ?对于同一理想气体系统 PV/T=常数(T=t+273.15) ?若体积V不变,不同温度时 P1V/T1=P2V/T2 ,于是P2=P1T2/T1 ?设:T1=273,T2=274, P1≈1×105Pa(大气压) ?则:P2=1.003×105Pa 气承式膜结构 可行性: ?空间越大,热量 也越多,支承膜 体所需施加的内 压就越少,结构 更容易成形。 直径2KM高240m的南极之城 探索:超级系留浮空结构 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 深圳龙岗商业中心方案(2003) 石井一夫,浮空充气膜结构屋顶。 椭圆形屋顶长轴300m,短轴150m; 轻钢龙骨,外面覆盖PTFE膜 若干钢索牵引,三根钢格构柱定位。 多哈 Sheikh Zayed体育场方案 2022年足球世界杯 哈波尔德 可升降的巨型充气顶 探索:超级系留浮空结构 ? 张晓丽等(2011):用索网作外膜的主要骨架,内部若干 充有氦气的小气囊; 跨度与浮力 矢高与浮力 ? 总体积越大浮力越大。 周边固定,跨度为800m,高120m 碳纤维索:直径d=100mm 探索:超级系留浮空结构 ? 飞云 ? 欧洲宇航防务集团(EADS,2004) ? 氦云演示屏,11m×9m×1.2m; ? 12根充气管+外膜。 探索:超级系留浮空结构 ? Alexander Bolonkin “曼哈顿毯”(2008) ? 可根据自然天气改变建筑形态 和环境,无跨度限制; ? 每片100m×100m,厚3m; ? 置于海拔高度100-500m; ? 能源:太阳能转换,地面热交换; ? 清洁的水:从雨获得; ? 总成本是约 $2.5亿 (面积 59.5 km2); ? 用飞艇安装。 探索:超级系留浮空结构 秦杰等(2013):用2m直径氦气管 密排,实现跨度200m的可移动房屋 可行性 ?零弯矩结构 ?理论上无跨度限制 ?跨度越大越易实现 模型试验 36m跨 12m高 展望 ? 超大跨度结构离实现越来越近 ? 合理形体 ?拱形、壳形 ? 可行的结构体系 ?巨型网格结构、超级气承式膜结构 ?超级索结构、超级系留浮空结构 ? 轻质高强材料 ?高强结构钢 ?复合材料,如:碳纤维索 ?膜材 ? 要积极迎接材料、设计理论和施工技术的挑战! 谢 谢 各 位! 2014.7

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