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依靠科技进步和科学管理 |
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摘要：本文探讨了在激烈的市场竞争中网架（壳）结构在下世纪的发展前景。通过近期发生的几件事故分析了其原因，提出了对已建成的某些工程应进行检测的意见。论述了对面向21世纪的网架（壳）结构的发展战略应采取的对策和选择。 |
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| 在即将跨入21世纪之际，中国钢结构协会空间结构协会召开年会，专题研讨“面向21世纪的空间结构发展战略”，是及时的、必要的并有重大意义。 21世纪的政治、经济、科技、文化和生活水平及方式都将有很大的发展进步和变化。对于工程建设来说必将提出更高的要求，特别是空间结构的新材料、新型式、新的构造万法、先进的加工工艺和施工技术理论分析和软件开发必将面临巨大的挑战，同时也提供了良好的机遇。制定面向21世纪空间结构可持续发展的战略是我们空间结构工作者义不容辞的义务和责任，也是一项光荣的使命。 一、网架（壳）结构具有广阔的发展前景 自1964年我国建成第一个网架起，近30多年特别是近十几年，网架（壳）的应用与发展更为迅猛。从大、中跨度到小跨度、从承重结构到装饰性结构，广泛采用网架（壳）结构，在国际上引起了极大的重视并被誉为“网架大国”。我国的空间结构行业，尤其是网架结构行业已是我国建造行业的一个重要行业，为国家建设事业的现代化和发展作出了重大贡献。 但是网架（壳）结构正面临着激烈的市场竞争和严重的挑战： 一是采用新材料、新型式的空间结构的竞争和挑战，如膜结构、悬索结构、张拉整体结构、铝合金结构以及不同型式的杂交结构等。 二是近些年来发展极快的门式刚架、薄壁拱形波纹屋盖以及其他轻钢结构的竞争和挑战。 虽然存在这些竞争和挑战，但是网架（壳）结构仍具有广阔的应用范围和发展前景： 1、任何材料和结构形式都有其优点和缺点，都有一定的适应性和局限性，一定的经济技术效益和社全效益。按照可持续发展的原则--建筑物设计要和建筑的环境、生态紧密结合起来，要和城市的总体规划及城市美相调--网架（壳）无论在跨度、覆盖空间还是体型及使用功能上都具有极大的优越性和竞争性。 2、网架（壳）结构除具有受力合理、抗震性能好、工厂化生产和安装简易快速外，更大的优点是使用寿命长维修时间短费用低，应用范围广。 3、经过30多年的工程实践、科学研究和大批的网架（壳）生产企业的建立，我国已积累了丰富的设计、制作和施工经验，造就一大批这方面的技术人才。特别是制定了《网架结构设计与施工规程》，《网壳结构技术规程》通过了鉴定，不久即将颁布执行。这些技术规范为网架（壳）的持续发展提供了重要的依据和条件。 4、我国的钢产量已达一亿多吨，钢材市场供应充足，特别是网架（壳）杆件大多采用圆钢管，市场供应更为充足。 5、我国网架（壳）结构的质量大幅度提高，大批企业取得了国家一级资质认证和ISO9000资质认证，成本不断降低。有些企业已打入了国际市场，承建了不少大型工程赢得了国际信誉。 二、提高质量，杜绝事故 网架（壳）结构科技含量较高，无论是设计、制作和安装都要求严格精确，特别是大、中跨度的网架（壳）结构多用于公共建筑和工业厂房，人员聚集很多，贵重设备与设施很多，故对结构的安全性与可靠性要求更高。如发生事故，尤其是重大事故，会造成巨大的人员伤亡和财产损失。 中国土木工程学会空间结构委员会和中国钢结构协会空间结构协会近些年来，通过学术交流会、专题研讨会和刊物、报导、研究分析出现的事故，提出了杜绝事故的对策，非常重视事故的发生，特别是质量事故。自重庆市綦江大桥倒塌事件以后，工程质量问题不但引起了中央和各有关部门领导的高度重视，也再次引起了我们空间结构界的高度重视。 理论分析、试验及几十年的工程实践的检验说明，网架（壳）结构的安全性和可靠性是极高的，这也是它在世界各国被长时间推广应用的重要原因。网架（壳）结构由于自然灾害（地震、火灾等）引起的事故较少，而近些年来由于责任事故，质量事故却时有发生。通过这些事故的统计情况，向我们提出了二个问题。 第一、在七十、八十年代中期前，为什么网架（壳〕结构极少发生事故，特别是被报废或倒塌事故几乎没有出现，而近十几年来却发生多起，小至杆件弯曲，严重变形，大至倒塌造成了人员伤亡？ 第二、为什么用在跨度较大、重要建筑上的网架（壳）结构没有发生过重大或恶性事故，而这类事故绝大多数出在中、小跨度的网架（壳）结构上？ 在所发生的事故中，有的是设计原因，有的是制作或施工原因，或者是管理上的原因，有的是兼而有之或互为因果。 现再例举近几年来发生的几个事故： 1、边界条件处理不当引起的问题 目前，我国计算分析网架结构和网壳结构，绝大多数均采用空间桁架位移法及空间梁系有限元法。《网架结构设计与施工规程》和《网架结构设计与施工——规程应用指南》都强调了计算模型必须与结构实际符合，明确指合“结构在整体坐标系中的总刚度矩阵K是奇异的，尚需引入边界条件以消除刚体位移。根据边界条件来修正总刚度矩阵以使总刚度矩阵成为正定阵”。“而边界条件处理是基于计算的目的，处理的结果可以得到边界约束的效果”。即支座节点的设置和构造必须与结构计算分析所取的边界条件相符并保证在任意竖向和水平荷载作用下结构的几何不变性。 有些设计者往往忽视了这一关键问题。有的对网架结构的受力特性或计算方法不甚了解，或为了简化电算工作，或凭“经验”在计算周边支承的网架时，只采用一向约束（垂直方向），此时在特定的荷载（竖向荷载作用下，这种边界条件的处理方法在理论上是不对的，也是与结构实际不相符的，众所周知，如果荷载∑Pi与支承反力作用线平行，虽然结构可以承受此荷载，但该体系是处于不稳定的外部静力平衡状态，它不能支承一个作用线不平行于这些支承应力作用线的荷载（如水平荷载等）。 由于只按一向（竖向）约束计算的网架已引起了多起事故，其计算的内力与结构的实际内力在一批杆件中差别较大。除数值的变化外，还会引起符号的改变（拉杆变压杆）。其后果是部分杆件弯曲甚至可能危及整体结构的安全。 还应指出：目前通常采用的平板压力支座构造方法不能有效的保证在水平方向自由。另外，网架一般都支承在梁、柱或框架上，网架与其下部支承结构应是共同工作的，它们的连续部位是协调变形，内力、支座反力的分配都与刚度分配有关。而简单有效的方法是将下部支承结构的等效刚度作为网架相应支座的弹性约束刚度，直接采用空间桁架位移法求节点位移和杯件内力。 当跨度较大、体型复杂的网架（壳）结构，往往根据结构（包括下部支承结构）的不同，力流的差异采用多种支座形式，如北京西客站大厅梯形网架，既有弧形支座，又有橡胶支座及二者组台的支座，支座有垂直放置的也有水平放置的。上海浦东游泳馆铝合金柱面网壳采用了三种边界约束条件：固定、一向约束和二向约束（滑动支座）为了保证支座在水平方向较好的滑动，摩擦面采用泰夫龙材料，为了不使支座产生弯矩，支座与网壳相连的纵向杆采用销轴，即将兴建的广州新体育馆近似椭圆形网壳（纵向跨度为160m、径向跨度为110m）的初步设计中，支座也分别采用了固定支座和滑动支座（合成橡胶及泰夫龙材料），这些例子说明，设计者根据结构的特点和优化，采用不同的边界条件与结构实际相符合。 网架（壳）结构的边界条件对结构的内力和变形的影响非常巨大，不能掉以轻心。反过来，采用不同的支座型式，合理的改变某些边界条件，可以调整结构的刚度减少杆件内力和支座反力的峰值，使内力分布更为均匀合理，达到节的钢材的目的。这种方法对于异形网架更为有效。如桂林花园酒店内庭花园屋盖网架（面积约 1600平米），平面不规则，不同的跨度相差悬殊，且在一个方向不能布置支座。若按一般的设计方法，杆件内力和支座反力极不均匀，个别的受力过大。为此，设计者除了将正放四角锥网架部分抽空，调整网架刚度降低部分杆件内力峰值外，主要是调整支座刚度，使得某些支座的支承刚度增加或减少，如在两个支座下加置橡胶垫块并给定一个沉降值，一个节点不设支座，从而改变了力的传递路线，达到降低内力峰值和用钢量的目的，用钢量只有17kg每平米。 2、强迫位移引起的事故 有些设计者、特别是施工技术人员对网架支座发生强迫位移或支座不均匀沉降不甚注意，掉以轻心，造成了事故。某正放四角锥网架工程（图1），周边支承与支点承相结合，轻型屋面。该工程投入使用一年多后，发现有部分杆件弯曲。经测量其中φ60×3.5的杆件为54根、φ70×3.75的杆件为63根，φ89×4的杆件为12根，φ114×4的杆件为2根。弯曲矢高最大者达40－50mm约1／3的弯曲矢高超过30mm。严重弯曲者多在中排柱附近2-3个网格上弦杆，特别是粗杆（φ89×4和φ114×4）突变为细杆（φ60×3.5）者，下弦及腹秆亦有严重弯曲发生。经测量各柱顶标高，边柱标高与设计标高相差不多但中列柱的标高与边列柱标高相对差值较大，最大差值-56mm。网架每个支座原设计为用锚栓与柱固定，实际施工时没有锚栓且把支座底板与柱头预埋板焊死。显然柱顶标高未调平，偏差很大，这就产生了强迫就位问题。经重新验算，部分杆件内力变化如表1所示： |
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| 由表中可以看出，由于强迫位移，一些杆件由拉杆变为压杯，丧失稳定，有些杆件超过了允许应力。修复该网架，是将网架焊死的支座切开，并顶升至原设计位置加垫块后再将支座固定。此时，大部分弯曲的杆件迅即恢复为直杆，少数无法恢复的几根，切开换杆。 此例说明垂直方向强迫位移对网架内力、变形的影响是很大的、计算分析表明如在水平方向发生强迫位移，同样对结构的影响很大。 3、某大面积体育场挑棚采用了网架结构，安装后，网架的几何尺寸及几何形状偏差很大，难以进行修复，不得不全部拆除，重新制作安装，经济损失及社会影响很大。 4、管理混乱造成不应有的损失。 某大型螺栓球节点球面网壳，网壳结构和保温层灯光设备等已安装完毕，正进行屋面板铺设过程中，有关部门发现存在不安全隐患不得不停止施工，不但造成了经济损失，还延误了交工时间。这个工程暴露出的主要问题是：施工单位未按设计院施工图施工，而采用自己的施工图，该施工图是无设计资质认证的单位所出，无图章无签字，而且与设计院图纸不完全一致；曾由权威研究部门作过杆件力学性能试验，试验报告中明确说明有一批试件，力学性能不符合JGJ75.1-91、JGJ78-91规定，试件的破坏特征有：锥头底板脆断、高强螺栓塑断、焊缝脆断，这种严重情况并未引起重视，继续施工。施工单位也未在产品中随机抽样进行组合试件的性能试验，甚至未进行焊缝探伤检验。该工程还反映了管理混乱施工设计、质检监理之间严重脱节。 无论是过去曾发生的事故还是上面所述的事故都不是网架（壳）结构的本质问题，而是人们在建造过程中人为的原因： 1、法制观念不强，质量意识淡薄，有规有法不执行或执行不严。 2、市场管理混乱、不科学、不正常竞争，相互压价。网架生产企业特别是一些小型企业一哄而上。有的未取得资质证书或超越资质等级承包工程；有的转让或出借资质量证书；有的层层槁转包和违法分包；有的不按规定参加投标或搞假投标；有的设计单位对网架（壳）不做设计而出卖图签，又不严格审核。 3、少数人员由于利益的驱动，置人的生命和财产损失于不顾，偷工减料，弄虚作假，甚至行贿受贿，违法犯罪。 4、一些从事网架（壳）结构设计、制作和施工的人员素质较低，对该种结构特性、生产、施工工艺不熟悉，照猫画虎，违反科学。 网架（壳）结构尽管发生了一些质量事故但根据统计，其概率较其他一些建筑行业是较低的。但是，百年大计，质量第一，这是国家建设方针。从市场竞争角度说，要取胜，除了信息、服务和价格外，最主要最关键的是靠质量。 三、瞻前顾后 “人无远虑，必有近忧”这是先人的哲理。建筑结构建成投入使用后是否可以高枕无忧？答案是否定的，美国哈特福德币体育馆屋盖（109.7×91.4m四角锥网架），1975年完成交付使用，1978年1月整体倒塌，柏林会议厅屋盖被称为是大胆的，具有很大魄力和独特风格的对于柏林未来生活堪称永久性贡献的建筑，1957年9月建成使用，事隔不到23年于1980年5月，随着边梁支撑钢索的突然损坏而倒塌；该事故发生后提出了这样一个问题“检验能够挽救柏林会议厅吗？”在全面调查分析了事故原因之后，深感“没有考虑到用户对结构往往缺乏检验”。换句话说，如果经常或定期对该屋盖进行检验，发现隐患及时处理，该倒塌事故可能不会发生了。 建筑工程建成投入使用后，承建人是否没有责任了？答案也是否定的。重庆篡江大桥倒塌后，我国政府不但再次强调工程建设质量，还要落实责任制——终身责任制。 因此，我们建议：空间结构协会当好政府和企业的纽带和桥梁，会同有关部门对一些已建成的重要的网架（壳）工程、特别是“三无”工程进行检查，及时消除隐患，确保工程的安全性耐久性。进行这项工作对下列几方面应给予更大的重视。 （一）结构的锈蚀 钢材的锈蚀主要由于大气中氧、水分及其其他杂质的作用引起的，如果钢材在施工时除锈、防锈技术不好，或结构在使用中防锈层失效而出现锈层，由于钢材和锈层具有不同的电位，一旦出现锈层，会加速腐蚀作用。日本曾对不涂防护层的低碳钢挂片试验，根据年平均锈蚀速度推算：沿海地区和重工业区内在8.4-16.8年时间内，就将锈蚀１mm厚的钢板。美国的挂片试验也表明：不涂层的两面外露钢材在大气中的锈蚀也相当8.5年为１mm。而一般的钢材既使进行了防锈处理也不能完全解决问题。所以发达的工业国家对于钢材的防锈给予了极大的关注，对于已建成的钢结构根据其所处环境定期进行维护。如发现有严重的锈蚀现象，应即时测定构件的欠损值并计算抗力下降系数（公式1），对构件或整体结构进行校核。 
(1)对于下列情况的结构应进行重点检验：1.空气中相对湿度大于70％；2.高温而又潮湿的车间者；3.大气中二氧化硫、氧化氮、一氧化碳等浓厚的地区及有酸雨区者；4.沿海地区特别是盐雾浓厚者；5.由于温差较大结构上出现凝露（冷凝水）者；6.结构上积有灰尘、微粒者；7.热处理过的部件；8.防锈材料发生腐蚀变质现象者。 （二）对在抗震设防烈度为8度或9度的地区的结构，以及原为设防烈度为7度现升为8度地区的结构，而没有进行抗震验算或采取抗震消能措施者。 （三）易受大风、大雪或暴风雪地区的结构。由于这种自然灾害而导致结构破坏事故国外已多次发生，如美国哈特福德市中心体育馆网架，美国俄亥俄州大学健身房柱面网壳，罗马尼亚布加勒斯特展览馆球面网壳等。在这用特别强调在风载作用下，由于结构构造不合理，引起螺栓破坏，导致整体结构倒塌。如美国肯帕体育场屋盖（94×128m）结构是钢桁架通过管式吊杆与三个巨型空间桁架连接。在使用5年后，在一次暴风雨冲击下坠塌了，其主要原因是在动荷载作用下两种主桁架产生相对摆动，一边吊杆端部的二个螺栓首先破坏脱开，另两个螺栓承受了全部荷载，最后在拉力与弯矩共同作用下也破坏了。该种螺栓是用A490制造的，其脆性大延性小，只能用于静载而不能用于动载条件下；安装时采用的是螺帽旋转法，扭矩不足，板件未能紧密接触，甚至仍有松动，经过5年的风雨荷载及卸载，螺栓磨损日趋严重渐渐疲劳而破坏。我国某一座高50m的通讯塔，采用了三角形截面螺栓球节点钢管结构,当通讯天线安装到一半时，在7－8次风载作用下，突然倒塌。主要原因是：该种体型的塔架在风载下，产生较大的弯、扭作用，而该螺栓球节点的抗弯扭刚度极小，又未采取防松措施，结构的反复扭转振动，致使螺栓逐渐从球体中旋松、脱落，整个结构成为可变机构。 （四）工业厂房中具有悬挂吊车的网架结构，在世界上我国是推广应用最多的国家，收到了很好的技术经济效益、网架在变化荷载作用下的疲劳问题尚待进一步研究，对已建成的结构应进行必要的检测。除了对变动荷载的方式、循环应力的频率、材质和构件加工制作情况等对材料疲劳断裂特征的研究外还应根据构件运行的环境条件观测研究可能会出现的腐蚀疲劳和温度疲劳，因为有些厂房中腐蚀介质很重，温度较高或很低，这种环境条件会降低材料的疲劳强度。 检验已建成的网架（壳）结构的唯一目的是防患于未然，确保工程安全其耗用的费用可能比一个工程突然破坏后的损失更少。 四、对策和选择 展望下世纪新材料、新型式、新技术的空间结构必定会被创造出来，甚至日新月异。作为用量最大、发展最快的网架（壳）结构，同样具有巨大的生命力，但是，也必须面对各种巨大的挑战和竞争。而我们的对策和选择必须着眼于依靠科技进步和科学管理。 （一）当今时代是知识经济时代，经济的竞争实为科技竞争、知识竞争。因此我们的设计制作和施工必须创新，尽快采用目前世界上最前沿的技术，达到或超过国际先进技术水平。 （二）目前大部分网架企业的设备、工艺、施工方法以及质检手段是比较落后的，管理模式和方法也未形成标准化和现代化，难以适应币场经济的变化和需要。因此我们必须掌握信息、强化信息管理以及各种结构及新材料的发展趋势，面向市场制定出自己的战略发展现划和目标，立足当前，着眼未来。 （三）无论何种竞争，最终是人才的竞争，提高空间结构技术人员和管理人员的素质，除了高等学校进一步加快、加强空间结构知识的传授和科学研究外，还可以以空间结构协会、空间结构委员会为主导，会同企业、设计、高等院校、科研等部门进行广泛的持久的宣传与教育工作，如举办设计、生产、施工不同方面的综合的或专题的培训研讨班、讲座；空间结构各种规程的讲习班；优秀工程经验交流班；先进技术讲习班等。为了促进管理人才的成长，根据空间结构行业的特点，应尽快地有计划有步骤、分期分批举办经理、厂长及其他管理人员的培训工作。 （四）一些质量事故的发生既有技术问题也有管理问题，而更严重的是网架建筑市场的无序造成的。我们首先从自身做起，以提高质量确保质量为目标和中心，持续不断的整顿和规范网架行业市场。 （五）我国网架（壳）结构的研究、设计、生产和施工等诸方面都具有很大的实力，今后在不断扩展国内市场的同时，还必须以更高的科技含量和信誉扩展国际市场，在欧美国家盛行方形（矩形）或钢（铝）管结构值的重视研究；我们的软件应纳入外国相关规范，并争取国际公认。 （六）企业从粗放型向集约型转变是必然的趋势，企业之间的联合、国内和国际的联合也是市场竞争的需要，是壮大我们实力的方法之一。忽视这一问题，可能会坐失良机。 （七）根据我国机构改革的精神，政府部分将精简机构和人员，将更多的一些权利下放到协会，面对这一情 况，空间结构协会应进一步做好准备作好规划。担当起这一光荣而巨的任务。 我国空间结构快速发展的业绩和对国家建设所作的重大贡献是来之不易的，全国空间结构工作者付出辛勤的劳动和汗水，我们应加倍的珍惜她。可以相信在未来世纪里，我们所迎接的是又一个光明的春天。 |
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| 参考文献 1. 中华人民共和国标准 网架结构设计与施工规程（JGJ7-91)北京：中国建筑工业出版社，1992 2. 网架结构设计与施工规程编制组，网架结钩设计与施工——规程应用指南，北京：中国建筑工业出版社，1995 3. 尹德钰，刘善维，钱若军 网壳结构设计 北京：中国建筑工业出版社，1996 4. 尹德钰，赵红华 网架质量事故分析实例及原因分析 建筑结构学报，1998(1)15-23 5. 马人乐等，三角形螺栓球节点钢管倒塌事故调查研究，建筑结构学报，1998(1)11-14 6. 曾兆民，实用金属防锈，北京：新时代出版社，1989 7. 郑文龙，金属构件断裂分析和防护，上海：上海科学技术出版社，1980 |
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