深圳寶安體育場


天津泰達金字塔


廣州新電視塔


廣州西塔


●學生記者 常彥婷 易詩婷 周格格 潘正道
建筑被稱為凝固的音樂。
　　一個杰出的建筑作品，是優(yōu)秀的建筑設計方案與結構設計的完美結合。近20年來鋼結構的迅速發(fā)展，為國家大劇院、鳥巢、水立方等傳奇式建筑物的出現(xiàn)提供了可能。
　　鋼結構以鋼作為建筑的主體承重材料，強度高、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構中有著不可替代的作用。然而，由于不斷采用高強鋼以及細長構件，在鋼結構美好的發(fā)展前景中，存在著一個亟待解決的核心問題：鋼結構的失穩(wěn)。盡管這一問題已研究多年，但層出不窮的新型構件以及新型結構體系使新的穩(wěn)定問題接連出現(xiàn)。
　　從1997年到2008年這近12年的時間里，我校土水學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)代鋼結構構件及體系的穩(wěn)定性關鍵技術問題，為鋼結構設計及工程應用提供了重要依據(jù)。其間，他們的研究成果獲得專利8項，獲部委科技一等獎4項，發(fā)表學術論文140多篇，并獲得2009年度國家科學技術進步獎二等獎。
　　
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構的群柱面外失穩(wěn)機理及設計方法，即考慮群柱相關作用和橫向構件彎弓效應的群柱面外穩(wěn)定承載力的計算方法。這項研究源于廣州市新電視塔工程建設中的結構設計。廣州新電視塔又名海心塔，全高610米，整體呈兩端粗中間細的錐形狀框筒結構。遠遠看去，陽光下白色的新電視塔身形曼妙，宛如一位纖腰素束的少女，楚楚動人。電視塔中央細腰段的核心筒與外框筒之間有很少的水平聯(lián)系構件，建筑設計希望在此形成一個鏤空區(qū)，實現(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毫無遮擋地欣賞塔下的風景。
　　然而海心塔奇妙的建筑造型為結構設計留下了難題：塔體中部“纖纖細腰”，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，成為結構設計最關注的問題之一。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)構件交叉構成；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。
　　為了解決這一問題，郭彥林和他的學生們不僅進行了多荷載工況的有限元承載力數(shù)值模擬分析，還進行了腰部與底部鏤空區(qū)的穩(wěn)定性模型試驗研究，研究了群柱面外失穩(wěn)時的相關及環(huán)狀構件的彎弓效應，為廣州新電視塔的外筒結構穩(wěn)定設計提供了依據(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。然而，郭彥林和他的學生們并沒有滿足于解決這一實際工程項目的設計難題，而是將這一課題上升到理論層面進行研究，在考慮群柱相關作用和橫向構件彎曲效應的基礎上，提出了通高區(qū)群柱面外穩(wěn)定性計算的通用計算方法與設計理論。
　　
剛勁新奇航站樓
相信到過廣州新白云機場的人都會對機場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柱印象深刻，其構型可謂別具一格，簡潔有力中盡顯技術創(chuàng)新的色彩。這便源于郭彥林的另一重要課題：對多肢梭形鋼管格構柱屈曲性能的研究與應用。
　　首先，這些梭形鋼管格構柱由三根鋼管分肢與聯(lián)系三根鋼管的平置鋼板組成，當時國內(nèi)外對于這種構件穩(wěn)定性的研究基本是空白。郭彥林和他的學生們在分析梭形格構柱失穩(wěn)機理時，發(fā)現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象：一般兩端鉸接的柱子，在受壓時其失穩(wěn)模態(tài)呈現(xiàn)單波形，而兩端小中間大的梭形柱受壓時的失穩(wěn)波形卻是S形的。起初，這樣的計算結果讓郭彥林覺得不可思議，但后來經(jīng)過反復的分析與推算，郭彥林認為梭形柱的失穩(wěn)機理確實有別于一般軸心受壓構件的失穩(wěn)機理，二者的穩(wěn)定性計算方法完全不同。機場航站樓建設與設計單位對這一項目非常重視，郭彥林帶領學生對航站樓三種不同高度 （19米，23米和29米）的梭形鋼管格構柱進行了 1：1的足尺寸破壞試驗。試驗結果非常理想，實際測試出的承載力及失穩(wěn)變形與計算結果比較吻合，為實際結構設計提供了重要依據(jù)。此后，郭彥林及其學生們對各種梭形格構柱失穩(wěn)機理與承載力的研究拓展到更廣闊的范圍，為這類構件的設計提出了更通用的計算方法。
　　
以柔克剛剪力墻
鋼板剪力墻應用在高層、超高層建筑結構中，一方面是給結構提供抗側剛度，另一方面是形成一個消能減震構件。在大震作用下，鋼板墻受剪力進入屈服，消耗地震輸入的能量，保護主體框架結構免遭破壞。然而純鋼板剪力墻在往復荷載作用下會發(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，無法保護主體結構不受沖擊破壞。
　　郭彥林通過對新型抗側力體系的研究，創(chuàng)造性地提出了防屈曲鋼板剪力墻。簡單來說，這種新型的剪力墻相當于在薄鋼板剪力墻兩側配置了兩塊預制混凝土板，對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，保證主體結構的安全。這種在鋼板外側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向剛度，但結構本身招來的地震作用也大大增加，其設計的經(jīng)濟效益不高；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其抗剪剛度的折減，可以滿足各種剛度的設計要求，實現(xiàn)最經(jīng)濟的結構設計。
　　此外，他們還通過對新型高效型材（如波形腹板工形構件，翼緣卷邊工形構件等）的穩(wěn)定性能的理論與試驗研究，建立了其穩(wěn)定承載力設計的簡化計算方法。其中，波浪腹板構件是個國際合作項目，與奧地利合作研發(fā)。通過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，是一個高效型材。波浪腹板構件在歐洲一些國家已經(jīng)得到普遍使用，然而在我國還未大量應用，其主要原因還是沒有形成自己國家的制造工藝及設計方法。這次通過與奧地利的合作研究將其引進國內(nèi)，也是鋼結構研究的另一個途徑。
專注科研 不計名利
提起著名的建筑，為人所知的總是建筑設計師的名字，而少有人關注那些結構設計師以及為實現(xiàn)其結構設計而辛勤勞作的科研工作者。建筑設計師憑借天馬行空的想像設計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構分析與計算，進行著無數(shù)的結構試驗。
　　郭彥林清楚地記得，2000年元旦前夜，他和博士生為了進行梭形鋼管格構柱的試驗而通宵工作。“試驗一旦開始加載就不能停下，其間的調(diào)試過程必須要很認真很小心?！惫鶑┝只貞浀?，“那一天是元旦前夜，別人都出去玩了，可梭形柱的加載試驗一直進行到天亮才結束。當時我們在上海川崎鋼構廠做試驗，晚上天氣很冷，車間的溫度接近0度，博士生都凍得不行，有幾個同學試驗一結束就病倒了。學結構工程專業(yè)是要能吃苦的?！惫鶑┝中χ偨Y說。
　　在進行課題研究時，只要是與大型工程建設相關的，從技術問題提出起，他就加入專家組的討論，在項目實施過程中參與研究無數(shù)的技術難題，不斷解決新出現(xiàn)的問題，幾乎每一個項目都是如此。對于自己本次獲得國家科技進步二等獎，郭彥林說：“我們的許多研究成果都滲透在很多大型工程項目的建設中。土木工程專業(yè)的工程背景很強，理論要與實踐結合，從工程中提出問題去研究，但研究工作又要高于工程。在工程實踐中，新型的結構形式還會不斷被設計出來，還會暴露出許多新的技術問題，科學研究是沒有終點的?！?br>　　專注科研，不計名利，雖是對科技工作者的基本要求，但真正做到也非易事。榮譽面前，郭彥林只是簡單地說：“我們做了這么多工作，解決了許多大型工程中的實際問題，社會認可就足夠了。獲獎只是對前面做的工作的總結，更多的研究還得繼續(xù)?！薄懊慨斂吹阶约涸?jīng)參與研究的大型工程項目時，我常常會想起往日的辛勞，但更多的是一種欣慰?！?br>　　“我覺得自己算是個喜歡鉆研的人。”在郭彥林簡易的辦公室里，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構的彩色圖片。采訪中，郭彥林不時指點著這些圖片，面帶笑容，流利嫻熟、深入淺出地介紹各種結構形式與受力機理。鳥巢鋼結構、央視新址大樓的分步施工變形預調(diào)計算、廣州新電視塔玲瓏細腰段群柱的穩(wěn)定性試驗、深圳大運會體育場及寶安體育場車幅式張拉結構的整體模型試驗……就在采訪前一天，郭彥林還到沈陽參加了一場關于城市雕塑建筑的討論。說到他們?yōu)樯蜿?50米直徑的 “生命之環(huán)”大型環(huán)狀結構的安裝問題而設計的整體旋轉(zhuǎn)起扳施工方案時，他熱情地打開電腦演示其巧妙簡潔的巨輪起扳施工過程與工作原理。他興奮地介紹說：“這個安裝方法非常巧妙，把結構知識、液壓傳動及控制技術融合在一起，我們絞盡腦汁終于解決了巨輪的安裝問題?！北绕鹗褂脗鹘y(tǒng)保守的臺架支承施工方案或其他整體提升與頂升施工方案，郭彥林和他的團隊設計出的整體旋轉(zhuǎn)起扳技術將整個結構拼裝放在地面進行，然后對巨輪進行巧妙的加強后徐徐緩慢起扳，不僅施工安全程度高，而且將結構建造預算由兩億元削減到了8千萬元。
　　談起這個巨型環(huán)狀鋼結構安裝方法已經(jīng)申報國家發(fā)明專利時，郭彥林的喜悅溢于言表，這是創(chuàng)新者的樂趣，也是科學家簡單的幸福。如果說他們 “又土又木”，也是扎根于科學的土，不計辛勞與汗水，培育著科學的參天之木。