郭彦林:用钢铁塑造凝固的音乐
点击数: | 发布时间:2012-03-21
 
 
建筑,被誉为凝固的音乐。一个杰出的建筑作品,是优秀的建筑设计方案与结构设计的完美结合。在建筑设计师天马行空的想像背后,还有着相当多的结构设计师和科研工作者,在为其做着大量的结构分析和计算,进行着无数的结构试验。
近年来,钢结构建筑物在中国和世界范围内得到广泛的使用。我们身边出现了越来越多的诸如国家大剧院、鸟巢、水立方等传奇式钢结构建筑物。这类建筑物以钢作为建筑的主体承重材料,强度高、自重轻、延性与抗震性能好,在高层及超高层以及大跨度空间结构中有着不可替代的作用。然而,现代钢结构建筑物结构特别复杂,施工难度大,存在着诸多亟待解决的问题。
1997年开始,清华大学土木工程系郭彦林教授率领着课题组,针对钢结构建筑物及其施工过程中的若干重大问题进行科技攻关。继2009年之后,郭彦林教授课题组的科研项目复杂钢结构施工过程时变分析及控制关键技术研究与工程应用2011年再度获得国家科学技术进步奖二等奖。
 
曼妙多姿海心塔
 
郭彦林的研究成果之一是钢管锥状框筒结构的群柱面外失稳机理及设计方法,即考虑群柱相关作用和横向构件弯弓效应的群柱面外稳定承载力的计算方法。这项研究源于广州市新电视塔工程建设中的结构设计。广州新电视塔又名海心塔,全高610m,整体呈两端粗中间细的锥形状框筒结构。远远看去,阳光下白色的新电视塔身形曼妙,宛如一位纤腰素束的少女,楚楚动人。电视塔中央细腰段的核心筒与外框筒之间有很少的水平联系构件,建筑设计希望在此形成一个镂空区,实现160m区域旋转上升的空中漫步,并让行人在漫步的同时毫无遮挡地欣赏塔下的风景。
然而海心塔奇妙的建筑造型为结构设计留下了难题:塔体中部纤纤细腰,正是受力最不利的部位,最小直径不到30m。如何保证塔身外筒在各种荷载作用下的稳定性,成为结构设计最关注的问题之一。电视塔外筒采用网状布置的钢管支承体系,由斜置的24根立柱、斜撑和圆环构件交叉构成;外筒在其面内主要承受轴向压力作用,在其面外群柱则遭遇失稳的不利作用。
为了解决这一问题,郭彦林和他的学生们不仅进行了多荷载工况的有限元承载力数值模拟分析,还进行了腰部与底部镂空区的稳定性模型试验研究,研究了群柱面外失稳时的相关及环状构件的弯弓效应,为广州新电视塔的外筒结构稳定设计提供了依据。
广州新电视塔已于20099月顺利竣工,取代加拿大的西恩塔成为世界第一高塔,并成为了广州市的新地标。然而,郭彦林和他的学生们并没有满足于解决这一实际工程项目的设计难题,而是将这一课题上升到理论层面进行研究,在考虑群柱相关作用和横向构件弯曲效应的基础上,提出了通高区群柱面外稳定性计算的通用计算方法与设计理论。
广州新电视塔
    
刚劲新奇航站楼

  相信到过广州新白云机场的人都会对机场主航站楼立面粗壮高大、起支承作用的钢铁人字形布置的梭形钢管格构柱印象深刻,其构型可谓别具一格,简洁有力中尽显技术创新的色彩。这便源于郭彦林的另一重要课题:对多肢梭形钢管格构柱屈曲性能的研究与应用。
  首先,这些梭形钢管格构柱由三根钢管分肢与联系三根钢管的平置钢板组成,当时国内外对于这种构件稳定性的研究基本是空白。郭彦林和他的学生们在分析梭形格构柱失稳机理时,发现了一个有趣的现象:一般两端铰接的柱子,在受压时其失稳模态呈现单波形,而两端小中间大的梭形柱受压时的失稳波形却是S形的。起初,这样的计算结果让郭彦林觉得不可思议,但后来经过反复的分析与推算,郭彦林认为梭形柱的失稳机理确实有别于一般轴心受压构件的失稳机理,二者的稳定性计算方法完全不同。机场航站楼建设与设计单位对这一项目非常重视,郭彦林带领学生对航站楼三种不同高度1923m29m)的梭形钢管格构柱进行了 11的足尺寸破坏试验。试验结果非常理想,实际测试出的承载力及失稳变形与计算结果比较吻合,为实际结构设计提供了重要依据。此后,郭彦林及其学生们对各种梭形格构柱失稳机理与承载力的研究拓展到更广阔的范围,为这类构件的设计提出了更通用的计算方法。
广州新白云机场
                              
 以柔克刚剪力墙
 
  钢板剪力墙应用在高层、超高层建筑结构中,一方面是给结构提供抗侧刚度,另一方面是形成一个消能减震构件。在大震作用下,钢板墙受剪力进入屈服,消耗地震输入的能量,保护主体框架结构免遭破坏。然而纯钢板剪力墙在往复荷载作用下会发出鼓曲及声响且滞回曲线出现捏拢现象,耗能性能不能令人满意,无法保护主体结构不受冲击破坏。
  郭彦林通过对新型抗侧力体系的研究,创造性地提出了防屈曲钢板剪力墙。简单来说,这种新型的剪力墙相当于在薄钢板剪力墙两侧配置了两块预制混凝土板,对中间承受荷载的钢板墙起约束作用,如此就能防止钢板墙的屈曲,很好地改善它的延性及耗能能力,保证主体结构的安全。这种在钢板外侧配置两层板的新方法与单纯加厚钢板有着本质的不同———直接加厚钢板是过去采用的一种以刚克刚的办法,虽然采用厚钢板能提供更大的侧向刚度,但结构本身招来的地震作用也大大增加,其设计的经济效益不高;而防屈曲钢板剪力墙可以使中间钢板薄一些,能够实现宽范围的刚度渐变调幅,避免了钢板面外屈曲对其抗剪刚度的折减,可以满足各种刚度的设计要求,实现最经济的结构设计。
  此外,他们还通过对新型高效型材(如波形腹板工形构件,翼缘卷边工形构件等)的稳定性能的理论与试验研究,建立了其稳定承载力设计的简化计算方法。其中,波浪腹板构件是个国际合作项目,与奥地利合作研发。通过将平腹板做成波浪形,提高了腹板的面外刚度,这样腹板就可以做得很薄而不屈曲,是一个高效型材。波浪腹板构件在欧洲一些国家已经得到普遍使用,然而在我国还未大量应用,其主要原因还是没有形成自己国家的制造工艺及设计方法。这次通过与奥地利的合作研究将其引进国内,也是钢结构研究的另一个途径。
 天津泰达金字塔
   不计名利搞科研
 
  提起著名的建筑,为人所知的总是建筑设计师的名字,而少有人关注那些结构设计师以及为实现其结构设计而辛勤劳作的科研工作者。建筑设计师凭借天马行空的想像设计出超凡脱俗的建筑作品;然而,还有一些人在为其做着不尽的结构分析与计算,进行着无数的结构试验。
  郭彦林清楚地记得,2000年元旦前夜,他和博士生为了进行梭形钢管格构柱的试验而通宵工作。试验一旦开始加载就不能停下,其间的调试过程必须要很认真很小心。郭彦林回忆道,那一天是元旦前夜,别人都出去玩了,可梭形柱的加载试验一直进行到天亮才结束。当时我们在上海川崎钢构厂做试验,晚上天气很冷,车间的温度接近0度,博士生都冻得不行,有几个同学试验一结束就病倒了。学结构工程专业是要能吃苦的。郭彦林笑着总结说。
  在进行课题研究时,只要是与大型工程建设相关的,从技术问题提出起,他就加入专家组的讨论,在项目实施过程中参与研究无数的技术难题,不断解决新出现的问题,几乎每一个项目都是如此。对于自己本次获得国家科技进步二等奖,郭彦林说:我们的许多研究成果都渗透在很多大型工程项目的建设中。土木工程专业的工程背景很强,理论要与实践结合,从工程中提出问题去研究,但研究工作又要高于工程。在工程实践中,新型的结构形式还会不断被设计出来,还会暴露出许多新的技术问题,科学研究是没有终点的。
  专注科研,不计名利,虽是对科技工作者的基本要求,但真正做到也非易事。荣誉面前,郭彦林只是简单地说:我们做了这么多工作,解决了许多大型工程中的实际问题,社会认可就足够了。获奖只是对前面做的工作的总结,更多的研究还得继续。”“每当看到自己曾经参与研究的大型工程项目时,我常常会想起往日的辛劳,但更多的是一种欣慰。
  我觉得自己算是个喜欢钻研的人。在郭彦林简易的办公室里,桌子上堆满了厚厚的一摞又一摞专业书籍,办公室的一面墙上贴满了一些主要建筑结构的彩色图片。采访中,郭彦林不时指点着这些图片,面带笑容,流利娴熟、深入浅出地介绍各种结构形式与受力机理。鸟巢钢结构、央视新址大楼的分步施工变形预调计算、广州新电视塔玲珑细腰段群柱的稳定性试验、深圳大运会体育场及宝安体育场车幅式张拉结构的整体模型试验……就在采访前一天,郭彦林还到沈阳参加了一场关于城市雕塑建筑的讨论。说到他们为沈阳150m直径的生命之环大型环状结构的安装问题而设计的整体旋转起扳施工方案时,他热情地打开电脑演示其巧妙简洁的巨轮起扳施工过程与工作原理。他兴奋地介绍说:这个安装方法非常巧妙,把结构知识、液压传动及控制技术融合在一起,我们绞尽脑汁终于解决了巨轮的安装问题。比起使用传统保守的台架支承施工方案或其他整体提升与顶升施工方案,郭彦林和他的团队设计出的整体旋转起扳技术将整个结构拼装放在地面进行,然后对巨轮进行巧妙的加强后徐徐缓慢起扳,不仅施工安全程度高,而且将结构建造预算由两亿元削减到了8千万元。
  谈起这个巨型环状钢结构安装方法已经申报国家发明专利时,郭彦林的喜悦溢于言表,这是创作者的乐趣,也是科学家简单的幸福。如果说他们又土又木,也是扎根于科学的土,不计辛劳与汗水,培育着科学的参天之木。
 
 
 
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