深圳寶安體育場(chǎng)


天津泰達(dá)金字塔


廣州新電視塔


廣州西塔


●學(xué)生記者 常彥婷 易詩(shī)婷 周格格 潘正道
建筑被稱為凝固的音樂(lè)。
　　一個(gè)杰出的建筑作品，是優(yōu)秀的建筑設(shè)計(jì)方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的完美結(jié)合。近20年來(lái)鋼結(jié)構(gòu)的迅速發(fā)展，為國(guó)家大劇院、鳥巢、水立方等傳奇式建筑物的出現(xiàn)提供了可能。
　　鋼結(jié)構(gòu)以鋼作為建筑的主體承重材料，強(qiáng)度高、自重輕、延性與抗震性能好，在高層及超高層以及大跨度空間結(jié)構(gòu)中有著不可替代的作用。然而，由于不斷采用高強(qiáng)鋼以及細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件，在鋼結(jié)構(gòu)美好的發(fā)展前景中，存在著一個(gè)亟待解決的核心問(wèn)題：鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)。盡管這一問(wèn)題已研究多年，但層出不窮的新型構(gòu)件以及新型結(jié)構(gòu)體系使新的穩(wěn)定問(wèn)題接連出現(xiàn)。
　　從1997年到2008年這近12年的時(shí)間里，我校土水學(xué)院土木工程系郭彥林教授和他的研究生們深入研究了現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件及體系的穩(wěn)定性關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用提供了重要依據(jù)。其間，他們的研究成果獲得專利8項(xiàng)，獲部委科技一等獎(jiǎng)4項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文140多篇，并獲得2009年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
　　
曼妙多姿海心塔
郭彥林的研究成果之一是鋼管錐狀框筒結(jié)構(gòu)的群柱面外失穩(wěn)機(jī)理及設(shè)計(jì)方法，即考慮群柱相關(guān)作用和橫向構(gòu)件彎弓效應(yīng)的群柱面外穩(wěn)定承載力的計(jì)算方法。這項(xiàng)研究源于廣州市新電視塔工程建設(shè)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。廣州新電視塔又名海心塔，全高610米，整體呈兩端粗中間細(xì)的錐形狀框筒結(jié)構(gòu)。遠(yuǎn)遠(yuǎn)看去，陽(yáng)光下白色的新電視塔身形曼妙，宛如一位纖腰素束的少女，楚楚動(dòng)人。電視塔中央細(xì)腰段的核心筒與外框筒之間有很少的水平聯(lián)系構(gòu)件，建筑設(shè)計(jì)希望在此形成一個(gè)鏤空區(qū)，實(shí)現(xiàn)160米區(qū)域旋轉(zhuǎn)上升的空中漫步，并讓行人在漫步的同時(shí)毫無(wú)遮擋地欣賞塔下的風(fēng)景。
　　然而海心塔奇妙的建筑造型為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)留下了難題：塔體中部“纖纖細(xì)腰”，正是受力最不利的部位，最小直徑不到30米。如何保證塔身外筒在各種荷載作用下的穩(wěn)定性，成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最關(guān)注的問(wèn)題之一。電視塔外筒采用網(wǎng)狀布置的鋼管支承體系，由斜置的24根立柱、斜撐和圓環(huán)構(gòu)件交叉構(gòu)成；外筒在其面內(nèi)主要承受軸向壓力作用，在其面外群柱則遭遇失穩(wěn)的不利作用。
　　為了解決這一問(wèn)題，郭彥林和他的學(xué)生們不僅進(jìn)行了多荷載工況的有限元承載力數(shù)值模擬分析，還進(jìn)行了腰部與底部鏤空區(qū)的穩(wěn)定性模型試驗(yàn)研究，研究了群柱面外失穩(wěn)時(shí)的相關(guān)及環(huán)狀構(gòu)件的彎弓效應(yīng)，為廣州新電視塔的外筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
　　廣州新電視塔已于2009年9月順利竣工，取代加拿大的西恩塔成為世界第一高塔，并成為了廣州市的新地標(biāo)。然而，郭彥林和他的學(xué)生們并沒(méi)有滿足于解決這一實(shí)際工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)難題，而是將這一課題上升到理論層面進(jìn)行研究，在考慮群柱相關(guān)作用和橫向構(gòu)件彎曲效應(yīng)的基礎(chǔ)上，提出了通高區(qū)群柱面外穩(wěn)定性計(jì)算的通用計(jì)算方法與設(shè)計(jì)理論。
　　
剛勁新奇航站樓
相信到過(guò)廣州新白云機(jī)場(chǎng)的人都會(huì)對(duì)機(jī)場(chǎng)主航站樓立面粗壯高大、起支承作用的鋼鐵人字形布置的梭形鋼管格構(gòu)柱印象深刻，其構(gòu)型可謂別具一格，簡(jiǎn)潔有力中盡顯技術(shù)創(chuàng)新的色彩。這便源于郭彥林的另一重要課題：對(duì)多肢梭形鋼管格構(gòu)柱屈曲性能的研究與應(yīng)用。
　　首先，這些梭形鋼管格構(gòu)柱由三根鋼管分肢與聯(lián)系三根鋼管的平置鋼板組成，當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)外對(duì)于這種構(gòu)件穩(wěn)定性的研究基本是空白。郭彥林和他的學(xué)生們?cè)诜治鏊笮胃駱?gòu)柱失穩(wěn)機(jī)理時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象：一般兩端鉸接的柱子，在受壓時(shí)其失穩(wěn)模態(tài)呈現(xiàn)單波形，而兩端小中間大的梭形柱受壓時(shí)的失穩(wěn)波形卻是S形的。起初，這樣的計(jì)算結(jié)果讓郭彥林覺得不可思議，但后來(lái)經(jīng)過(guò)反復(fù)的分析與推算，郭彥林認(rèn)為梭形柱的失穩(wěn)機(jī)理確實(shí)有別于一般軸心受壓構(gòu)件的失穩(wěn)機(jī)理，二者的穩(wěn)定性計(jì)算方法完全不同。機(jī)場(chǎng)航站樓建設(shè)與設(shè)計(jì)單位對(duì)這一項(xiàng)目非常重視，郭彥林帶領(lǐng)學(xué)生對(duì)航站樓三種不同高度 （19米，23米和29米）的梭形鋼管格構(gòu)柱進(jìn)行了 1：1的足尺寸破壞試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果非常理想，實(shí)際測(cè)試出的承載力及失穩(wěn)變形與計(jì)算結(jié)果比較吻合，為實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。此后，郭彥林及其學(xué)生們對(duì)各種梭形格構(gòu)柱失穩(wěn)機(jī)理與承載力的研究拓展到更廣闊的范圍，為這類構(gòu)件的設(shè)計(jì)提出了更通用的計(jì)算方法。
　　
以柔克剛剪力墻
鋼板剪力墻應(yīng)用在高層、超高層建筑結(jié)構(gòu)中，一方面是給結(jié)構(gòu)提供抗側(cè)剛度，另一方面是形成一個(gè)消能減震構(gòu)件。在大震作用下，鋼板墻受剪力進(jìn)入屈服，消耗地震輸入的能量，保護(hù)主體框架結(jié)構(gòu)免遭破壞。然而純鋼板剪力墻在往復(fù)荷載作用下會(huì)發(fā)出鼓曲及聲響且滯回曲線出現(xiàn)捏攏現(xiàn)象，耗能性能不能令人滿意，無(wú)法保護(hù)主體結(jié)構(gòu)不受沖擊破壞。
　　郭彥林通過(guò)對(duì)新型抗側(cè)力體系的研究，創(chuàng)造性地提出了防屈曲鋼板剪力墻。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這種新型的剪力墻相當(dāng)于在薄鋼板剪力墻兩側(cè)配置了兩塊預(yù)制混凝土板，對(duì)中間承受荷載的鋼板墻起約束作用，如此就能防止鋼板墻的屈曲，很好地改善它的延性及耗能能力，保證主體結(jié)構(gòu)的安全。這種在鋼板外側(cè)配置兩層板的新方法與單純加厚鋼板有著本質(zhì)的不同———直接加厚鋼板是過(guò)去采用的一種以剛克剛的辦法，雖然采用厚鋼板能提供更大的側(cè)向剛度，但結(jié)構(gòu)本身招來(lái)的地震作用也大大增加，其設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)效益不高；而防屈曲鋼板剪力墻可以使中間鋼板薄一些，能夠?qū)崿F(xiàn)寬范圍的剛度漸變調(diào)幅，避免了鋼板面外屈曲對(duì)其抗剪剛度的折減，可以滿足各種剛度的設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
　　此外，他們還通過(guò)對(duì)新型高效型材（如波形腹板工形構(gòu)件，翼緣卷邊工形構(gòu)件等）的穩(wěn)定性能的理論與試驗(yàn)研究，建立了其穩(wěn)定承載力設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化計(jì)算方法。其中，波浪腹板構(gòu)件是個(gè)國(guó)際合作項(xiàng)目，與奧地利合作研發(fā)。通過(guò)將平腹板做成波浪形，提高了腹板的面外剛度，這樣腹板就可以做得很薄而不屈曲，是一個(gè)高效型材。波浪腹板構(gòu)件在歐洲一些國(guó)家已經(jīng)得到普遍使用，然而在我國(guó)還未大量應(yīng)用，其主要原因還是沒(méi)有形成自己國(guó)家的制造工藝及設(shè)計(jì)方法。這次通過(guò)與奧地利的合作研究將其引進(jìn)國(guó)內(nèi)，也是鋼結(jié)構(gòu)研究的另一個(gè)途徑。
專注科研 不計(jì)名利
提起著名的建筑，為人所知的總是建筑設(shè)計(jì)師的名字，而少有人關(guān)注那些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師以及為實(shí)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而辛勤勞作的科研工作者。建筑設(shè)計(jì)師憑借天馬行空的想像設(shè)計(jì)出超凡脫俗的建筑作品；然而，還有一些人在為其做著不盡的結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算，進(jìn)行著無(wú)數(shù)的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。
　　郭彥林清楚地記得，2000年元旦前夜，他和博士生為了進(jìn)行梭形鋼管格構(gòu)柱的試驗(yàn)而通宵工作。“試驗(yàn)一旦開始加載就不能停下，其間的調(diào)試過(guò)程必須要很認(rèn)真很小心。”郭彥林回憶道，“那一天是元旦前夜，別人都出去玩了，可梭形柱的加載試驗(yàn)一直進(jìn)行到天亮才結(jié)束。當(dāng)時(shí)我們?cè)谏虾４ㄆ殇摌?gòu)廠做試驗(yàn)，晚上天氣很冷，車間的溫度接近0度，博士生都凍得不行，有幾個(gè)同學(xué)試驗(yàn)一結(jié)束就病倒了。學(xué)結(jié)構(gòu)工程專業(yè)是要能吃苦的。”郭彥林笑著總結(jié)說(shuō)。
　　在進(jìn)行課題研究時(shí)，只要是與大型工程建設(shè)相關(guān)的，從技術(shù)問(wèn)題提出起，他就加入專家組的討論，在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中參與研究無(wú)數(shù)的技術(shù)難題，不斷解決新出現(xiàn)的問(wèn)題，幾乎每一個(gè)項(xiàng)目都是如此。對(duì)于自己本次獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，郭彥林說(shuō)：“我們的許多研究成果都滲透在很多大型工程項(xiàng)目的建設(shè)中。土木工程專業(yè)的工程背景很強(qiáng)，理論要與實(shí)踐結(jié)合，從工程中提出問(wèn)題去研究，但研究工作又要高于工程。在工程實(shí)踐中，新型的結(jié)構(gòu)形式還會(huì)不斷被設(shè)計(jì)出來(lái)，還會(huì)暴露出許多新的技術(shù)問(wèn)題，科學(xué)研究是沒(méi)有終點(diǎn)的。”
　　專注科研，不計(jì)名利，雖是對(duì)科技工作者的基本要求，但真正做到也非易事。榮譽(yù)面前，郭彥林只是簡(jiǎn)單地說(shuō)：“我們做了這么多工作，解決了許多大型工程中的實(shí)際問(wèn)題，社會(huì)認(rèn)可就足夠了。獲獎(jiǎng)只是對(duì)前面做的工作的總結(jié)，更多的研究還得繼續(xù)?！薄懊慨?dāng)看到自己曾經(jīng)參與研究的大型工程項(xiàng)目時(shí)，我常常會(huì)想起往日的辛勞，但更多的是一種欣慰?！?br>　　“我覺得自己算是個(gè)喜歡鉆研的人?！痹诠鶑┝趾?jiǎn)易的辦公室里，桌子上堆滿了厚厚的一摞又一摞專業(yè)書籍，辦公室的一面墻上貼滿了一些主要建筑結(jié)構(gòu)的彩色圖片。采訪中，郭彥林不時(shí)指點(diǎn)著這些圖片，面帶笑容，流利嫻熟、深入淺出地介紹各種結(jié)構(gòu)形式與受力機(jī)理。鳥巢鋼結(jié)構(gòu)、央視新址大樓的分步施工變形預(yù)調(diào)計(jì)算、廣州新電視塔玲瓏細(xì)腰段群柱的穩(wěn)定性試驗(yàn)、深圳大運(yùn)會(huì)體育場(chǎng)及寶安體育場(chǎng)車幅式張拉結(jié)構(gòu)的整體模型試驗(yàn)……就在采訪前一天，郭彥林還到沈陽(yáng)參加了一場(chǎng)關(guān)于城市雕塑建筑的討論。說(shuō)到他們?yōu)樯蜿?yáng)150米直徑的 “生命之環(huán)”大型環(huán)狀結(jié)構(gòu)的安裝問(wèn)題而設(shè)計(jì)的整體旋轉(zhuǎn)起扳施工方案時(shí)，他熱情地打開電腦演示其巧妙簡(jiǎn)潔的巨輪起扳施工過(guò)程與工作原理。他興奮地介紹說(shuō)：“這個(gè)安裝方法非常巧妙，把結(jié)構(gòu)知識(shí)、液壓傳動(dòng)及控制技術(shù)融合在一起，我們絞盡腦汁終于解決了巨輪的安裝問(wèn)題?！北绕鹗褂脗鹘y(tǒng)保守的臺(tái)架支承施工方案或其他整體提升與頂升施工方案，郭彥林和他的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出的整體旋轉(zhuǎn)起扳技術(shù)將整個(gè)結(jié)構(gòu)拼裝放在地面進(jìn)行，然后對(duì)巨輪進(jìn)行巧妙的加強(qiáng)后徐徐緩慢起扳，不僅施工安全程度高，而且將結(jié)構(gòu)建造預(yù)算由兩億元削減到了8千萬(wàn)元。
　　談起這個(gè)巨型環(huán)狀鋼結(jié)構(gòu)安裝方法已經(jīng)申報(bào)國(guó)家發(fā)明專利時(shí)，郭彥林的喜悅溢于言表，這是創(chuàng)新者的樂(lè)趣，也是科學(xué)家簡(jiǎn)單的幸福。如果說(shuō)他們 “又土又木”，也是扎根于科學(xué)的土，不計(jì)辛勞與汗水，培育著科學(xué)的參天之木。