悬索结构设计

jiyunshang

悬索结构设计

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我认为是学习索结构计算非常好的一本书。
现在已经有第二版了。第二版用了较多篇幅来反映所谓张弦桁架结构在会展中心和航站楼等结构中的应用。
第二版封面：

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作者简介：
姓      名：沈世钊
职称/职务：教授/工程院院士
工作 单位：哈尔滨工业大学土木工程学
联系 地址：哈尔滨海河路202号哈尔滨工业大学二校区2619信箱
邮政 编码：150090
出生年月：1933 年 12 月
性     别：汉族
外语种类：英语
专    业：结构
电子信箱：szshen@hit.edu.cn

个人简历：
1953年同济大学毕业，
1956年哈尔滨工业大学研究生毕业。
毕业后留校任教迄今（历任哈尔滨建筑工程学院，哈尔滨建筑大学，哈尔滨工业大学等不同历史阶段）。
1990—1995年,曾担任哈尔滨建筑大学校长职务。
1999年被选为中国工程院院士。
曾或仍兼任：
中国建筑学会副理事长、
黑龙江省土木建筑学会副理事长及名誉理事长、
国家自然科学基金会监督委员会委员、
国际探索与结构学会常务委员会委员、
国际《SpaceStmctues》杂志编委等学术职务。
获奖情况
研究成果及工程创作曾获国家科技进步二等奖、
建设部科技进步一等奖、
黑龙江省科技进步一等奖等十余项奖励（均为第一名次）。
主要论著、设计或科研成果
1、完成国家自然科学基金重大项目、建设部重点攻关项目等多想科研；
2、发表论文160余篇；
3、主要专著：
《网壳结构稳定性》，科学出版社，1999年
《悬索结构设计》，中国建筑工业出版社，1997年。修订再版，2004年
《钢结构物件稳定性》，中国建筑工业出版社，1983年

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沈世钊，结构工程专家。１９３３年生于浙江嘉兴，１９５３年同济大学结构工程专业毕业，１９５６年哈尔滨工业大学研究生班毕业，现任哈工大教授。１９９９年当选为中国工程院院士。历任中国建筑学会副理事长，国际桥梁与结构学会常务委员会委员，国务院学位委员会学科组成员，全国博士后管理委员会专家组成员，国家自然科学基金监督委员会委员，国际《空间结构》杂志编委，中国《土木工程学报》编委，《建筑学报》编委等学术兼职。１９９０－１９９５年曾担任哈尔滨建筑大学校长职务。近２０年来致力于大跨空间结构领域的理论研究和工程实践，在“悬索结构体系及其解析理论”、“网壳结构非线性稳定”、“大跨柔性屋盖风振响应及抗风设计理论”和“网壳结构动力稳定性及其在强震下的失效机理”等前沿研究中取得重要成果。与此同时，在许多重大工程中设计了一系列具有典型意义的大型空间结构，其理论研究和工程实践活动为我国大跨空间结构学科的发展并进入世界先进行列作出了重要贡献。他的研究成果和工程创造曾获国家科技进步二等奖、建设部科技进步一等奖、黑龙江省科技进步一等奖等１０余项奖励。迄今发表论文２００余篇，出版《网壳结构稳定》、《悬索结构设计》等专著，培养硕士、博士８０余名。
    《科学时报》在其创刊４５周年之际，累计征集到６８９位两院院士的治学格言。２００４年４月１日，该报头版展示了沈世钊院士只有４个字的言简意赅的治学格言手迹：厚植•笃行。沈院士在向记者解释其中含义时语重心长地说道：“做人、做学问都要厚植根基，这样才能高瞻远瞩，邪谬不侵；而且还要身体力行，在坚持实践、服务社会的同时，不断提高自己。”纵观沈教授从事教学和科研工作半个多世纪以来的艰辛历程和取得的那些辉煌业绩，真正让人领悟到他脚踏实地地努力奋斗、实事求是、艰苦探索、持之以恒的精神，的确是受着信念和意志支撑的。

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沈世钊１９５０年于嘉兴中学毕业，那年夏天还不满１７周岁，一个人背了小行李卷坐火车到上海，报考上海交大土木系，并以第一名的成绩被录取。从此开始了他从事结构工程事业的一生。１９５２年暑假，全国高校进行院系调整，上海各高校土木系全部合并到同济大学。由于建设事业需要，国家决定１９４９、１９５０年入学的两届大学生全部提前一年毕业，于是他１９５３年暑假即匆匆结束同济大学结构工程系的学业，并被分配到哈尔滨工业大学土木系。第一年脱产学习俄语，然后被分到卡岗教授名下当研究生。卡岗教授来自莫斯科建筑工程学院，是当时苏联著名的木结构学科带头人，当时哈工大聚集的研究生和国内其他高校派来的进修教师共２０余人一起随他学习，气氛十分热烈。经过两年系统学习，大家均较好地掌握了代表当时先进水平的苏联木结构学科的基本内容，并结合中国国情开展了一些科学研究。这些人后来都成为我国木结构学科建设中的骨干力量。沈世钊１９５６年结束研究生学业后即留在哈工大土木系，主要从事木结构的教学与研究。１０余年间，在“胶合木结构”、“木屋盖的纵向刚度”等研究中取得很有价值的成果。可惜的是，由于中国木材资源十分缺乏，自上世纪６０年代以后，木结构在工程中的应用越来越少，木结构这门学科没有取得进一步的发展，所以那个时期沈世钊也开始涉猎结构力学、钢结构和钢筋混凝土结构等学科一些具体问题的探讨。
　１９７８年国家实行改革开放政策，沈世钊参加国家选派出国的外语资格考试，取得了黑龙江省第一名的成绩，并于第二年作为第一批出国访问学者赴美国里海大学符立兹工程研究所。该研究所以钢结构闻名，所以从那时起，他的研究工作就完全脱开木结构，而转到钢结构方面来。在美国两年期间，具体从事高层钢结构和梁柱节点构造两个课题的研究，后期在里海大学吕烈武教授主持下，与同济大学来的两位访问学者沈祖炎、胡学仁合作，编写了《钢结构构件稳定理论》一书，旨在将当时国外钢结构稳定方面的最新成果介绍给国内读者。沈世钊于１９８１年秋季回国，担任钢结构教研室主任，致力于开拓新的研究方向。根据当时国家建设事业发展趋向，沈世钊认为教研室应该重点抓住高层、大跨新兴结构领域的开拓。他本人则由于在里海大学的两年经历，倾向于参与高层钢结构方面的研究，但后来完全由于偶然原因使他加入到大跨空间结构的行列。投身空间结构，勇攀科学高峰
　他是如何投身于空间结构的？记者同沈教授的交谈，就从这个话题开始了。沈教授告诉记者，１９８２年建筑系梅季魁教授承接了吉林滑冰馆的设计任务，找沈教授配合做结构，希望在结构形式上有所创新。从梅教授建筑方案来看，最适宜于采用悬索结构。当时我国空间结构的应用形式还比较少，工程界对悬索结构也比较生疏，所以他们结合这一工程特点决定应用一种新的预应力双层悬索系统，希望以此促进悬索结构在我国的发展。沈教授说，他自己当时对悬索结构也不熟悉，出于无奈，硬着头皮对悬索结构文献钻研了几个月，推导了预应力双索系统的全套解析计算理论，总算把这一设计任务顶了下来。之后就对空间结构产生浓厚兴趣，感到空间结构形式如此丰富多彩，是一个多么广阔、深邃的探索领域?１９８５年他与梅教授再次合作承担北京亚运会两个体育馆的设计任务时，就显得主动得多，有意识地采用了一些在当时看来比较创新的空间结构形式，理论上也进行了相应的探索。以这几个工程为契机，沈世钊教授２０余年来与大跨空间结构结下了不解之缘。
    记者问沈教授，什么叫空间结构？谈到这个问题，沈教授兴致盎然，娓娓道来，着实让记者领略了一番大师的风范。沈教授说，在这实际的三维世界里，任何结构本质上都是空间性质的，只不过出于简化设计和建造的目的，人们在许多场合有条件地把它们分解成一片片平面结构来进行构造和计算。这样就形成了桁架、拱等大家熟悉的各种平面结构形式。与此同时，无法进行简单分解的真正意义上的空间体系也始终没有停止其自身的发展，而且日益显示出一般平面结构无法比拟的丰富多彩和创造潜力，体现出大自然的美丽和神奇。空间结构的卓越的工作性能不仅仅表现出三维受力，而且还在于它们通过合理的曲面形体来有效抵抗外荷载的作用。当跨度增大时，一般平面结构就往往难以成为合理的选择。从国内外工程实践来看，现代的大跨度建筑多数采用各种形式的空间结构体系。
　沈教授认为，空间结构的健康发展依赖于两个不可或缺的基本要素：一是结构形式的不断创新，二是理论研究的同步开展；后者为这一新兴结构领域的发展提供及时且持久不衰的理论支持。中国的研究者们在理论研究方面做出了很大的努力。他们在开发各种类型空间结构的同时，把许多精力放在这些新颖结构的基本受力性能和分析方法上，以满足设计的基本需要；还配合一些大型工程进行了许多模型试验或现场实测。这些基本的理论研究成果为我国空间结构的发展提供了必要的基础。
　在这些基本研究的基础上，空间结构的一些关键理论问题也逐渐吸引了研究者的注意，形成了一个又一个研究热点。例如：网壳结构（尤其是单层网壳结构）的静力稳定性问题，索、膜等柔性体系的初始形态分析问题，网壳结构的抗震及动力稳定性问题，悬索结构和膜结构的风振响应及抗风设计问题等等。在这些问题没有很好解决以前，虽然也设计、建造了大量空间结构，但在遇到这些难度较大的理论性问题时，通常只能采取一些比较粗糙的处理方法，或通过试验来解决。这类试验一般都很难做而且其精确性也值得探讨。所以，这些关键理论问题的深入研究和解决，会对突破常规的创造性设计活动提供有力的理论支持，为空间结构向规模更大、形式更新、技术水平更高的方向发展起到推动作用。
　沈教授认为，在高等学校工作，做一些理论研究可能更合适，或者从一定程度上说更义不容辞。因此近２０年来，他主要是带领学生就一些较急需的理论题目进行研究，例如上面提到的一些关键理论问题，他们都进行了较系统的探索。做理论研究会遇到不少困难，不仅要克服一些理论难点，要保证研究成果的科学性和系统性，而且要把理论成果放到实践中去接受检验。
　沈教授说，结构工程领域的理论研究属于应用性基础研究，必须坚持为实用服务的目标，不能只写几篇理论文章就算交帐，而必须把理论成果推进到实用化的程度。这一目标实际上大大增加了研究工作的深度和难度，因为解决实际问题是硬任务，要有定量的结果，还需要考虑一系列实际因素的影响。自然，这样做的结果，反过来也增强了研究成果的理论价值。显而易见，这样做理论研究工作是很费时间的。沈教授告诉记者，他们做网壳稳定性的研究是从１９８７年开始的，持续了大约１０年时间，先后有９名博士和硕士研究生参与此项工作，最后作为阶段性成果出版了专著《网壳结构稳定性》；关于索结构风振的研究是从１９８８年开始的，１９９４年把重点转移到膜结构风振的研究，２００１年又推进到风－结构相互作用，即流固耦合问题的研究，估计还需要相当时间才能取得较系统的成果；关于网壳结构动力稳定性的研究是从１９９２年开始的，然后１９９６年起研究网壳结构在强震作用下的弹塑性响应，从１９９９年起把二者结合起来，研究网壳结构在强震作用下的失效机理问题（包括可能的动力失稳），迄今仍在继续进行。所以沈教授说，做理论研究工作要有耐心；只要坚持从实际需要出发，坚持科学的研究方法，不怕做艰苦细微的分析和实践工作，且持之以恒，不急于求成，把大量感性资料逐渐积累起来，最后总是会取得有价值的结论的。坚持结构创新，奉献精品工程。
　众所周知，沈教授不仅是一位知识渊博的学者，也是一位富于创新精神的工程技术专家。理论联系实际，力求开拓创新，是沈教授一贯坚持的设计思想。他曾主持设计了多项大型的空间结构，如吉林滑冰馆、亚运会石景山体育馆和朝阳体育馆、冬季亚运会黑龙江省速滑馆、威海体育馆和黑龙江省会展体育中心等工程，这些结构因为其新颖精巧的构思、良好的受力性能而得到人们的广泛好评。
　沈教授谈起他所设计的工程时，如数家珍，娓娓道来。但是他说，他完成的设计其实并不多，也就是有数的这几项，因为他认为高等学校教师不宜把过多的时间用在工程设计上，他也不同意他的学生从事大量的一般性设计。自然，他也认为，有选择地结合一些有代表性的工程来进行创新的实践活动，对于研究空间结构的教师和研究生来说，的确具有不可或缺的作用；关键之点是要在这种实践活动中坚持结构创新，这样才能真正做到既锻炼了队伍，又对空间结构的发展作出贡献。这是因为，大跨空间结构的特点之一是形式十分丰富多彩且不拘一格，而且其受力性能与结构形体之间存在紧密的内在联系；因而结构形式的不断创新既是大跨空间结构发展过程中的一个主要特征，也是这一新兴结构领域的生命力之所在。这一结构领域也赋予了具有创新精神的工程师们以充分驰骋的广阔空间。

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沈教授说，他们在设计前面提到的这些典型工程时都是按照这一想法进行努力的。上世纪８０年代以前，悬索结构在我国仅有少量工程应用，工程界对它也比较生疏，因此１９８３年在设计吉林滑冰馆时就结合这一建筑物的特点决定采用一种新颖的预应力双层悬索体系，试图以此促进悬索结构在我国的进一步发展。上世纪８０年代中期，我国空间结构的应用形式还比较少，为亚运会新建的一些体育建筑多数采用平板网架结构，因此在承担石景山和朝阳两馆的设计时，为了促进结构形式多样化，两个馆分别采用了组合网壳结构和组合索网结构的方案。现在回过头去看这些结构，已是相当普通的了，但在当时的确算得上是结构形式上的新颖构思，体现出在技术创新方面所进行的努力。对它们的结构性能和受力特点，当时也都经过了一段探索和优化的过程。到９０年代后期，膜结构已开始在我国兴起，但结构形式还不够丰富，多数大型建筑还是采用骨架支承式膜结构；因此，１９９８年承担威海体育场设计时就试图创造一种真正意义上的全张拉式膜结构，而且在宏观造型上采用了富于变化的马鞍型，现在看来取得了预期的影响效果。沈教授最后强调，结构形式的创新决不是追求外形上的新奇，它应当符合以下几个基本要求：
　ａ?新颖结构形式与建筑功能要求的和谐统一；
　ｂ?优美的结构形体与合理的受力性能之间的协调一致；
　ｃ?符合建筑技术（包括构造、材料、施工安装技术等）的发展方向。
　符合这些基本要求的工程创造才具有生命力，才能在大跨空间结构的发展过程中起到某种典型作用。广育天下英才，笑看桃李芬芳
　沈教授在从事科学研究过程中，为我国培养了大量的空间结构人才，到现在为止，已经有８０多位硕士、博士研究生从这里毕业，并逐渐成为我国大跨空间结构队伍中的重要力量。谈到人才培养和队伍建设的问题时，沈教授显得十分兴奋。他说，科学的进步，学科的发展，要靠年轻英才的不断涌现。沈教授认为，在培养学生的过程中，应当让他们在科学研究和工程实践中真刀实枪地干，这样才能真正受到锻炼。早在上世纪８０年代中期，在进行北京亚运会体育馆等重大工程设计时，一些新的结构体系的分析和试验工作就是由当时的研究生完成的。最近几年，在国家自然科学基金重大和重点项目的研究工作中，许多青年教师和博士、硕士生也都成为研究中的骨干力量。除此之外，作为导师，还应当引导学生在科技工作中运用正确的研究方法。沈教授强调，正确的思想方法是高水平科技人才最重要的素质。
　沈教授还认为，素质教育不仅适用于中小学生和大学生，其精神也同样适用于研究生的培养。其实，每个人都处在不断自我完善的过程中，。研究生们作为相对比较成熟的年轻知识分子，他们这种自我完善的自觉性是较强的。因此，为他们营造一种积极向上、具有高尚情操和道德风貌的群体环境，对他们进一步成长为社会栋梁之才有十分重要的意义。在这一过程中，导师以身作则，在治学态度、科学道德、乃至思想情操等方面言传身教，是一个无可替代的重要方面；这也是作为一名导师应当自觉履行的重要职责。
　当记者请教沈教授对青年人有哪些建议和希望时，沈教授慈祥而语重心长地说，年轻学生充满青春活力，具有旺盛的求知欲和强烈的进取心，同他们在一起总是感到非常愉快，感到后继有人而深受鼓舞。当然，他们也容易受到社会上一些风气的影响。从当前来看，最需要警惕的是那种目光短浅、急功近利的浮躁心态，这种心态对科学事业是十分有害的，应该引起年轻科技工作者的警惕。年逾古稀益健，壮心不已为国
　谈到空间结构的发展历史和现状时，沈教授介绍说，大跨空间结构是国际上４０年来发展最快的结构形式之一。我国大跨空间结构的基础原来比较薄弱，但随着国家经济实力的增强和社会进步的需要，近２０年来也取得了迅速的发展。以许多体育建筑、会展建筑、空港建筑等为代表的一系列大跨空间结构，作为我国建筑科技进步的某种象征在国内外都产生了一定影响。
　沈教授说，我国虽然是一个发展中国家，但由于国大人多，随着国力的不断增强，同样需要建筑更多更大的体育、休闲、展览、航空港、机库等大空间或超大空间建筑物以满足需要，而且这种需求在一定程度上可能超过许多发达国家。这是我国空间结构领域面临的巨大机遇。事实也是如此，２０世纪９０年代以来，我国各种类型的大跨空间结构进入协调发展阶段，工程项目逐年增长。结构形式趋向多样化，出现了越来越多的创新设计，理论研究也逐渐配套，形势相当喜人。
    展望未来，沈教授高兴地表示，通过多年的努力，我国在空间结构工程实践和理论研究方面均取得了很多成绩，可以认为总体水平已经进入国际先进行列。在这一过程中，锻炼培养了一支精练能干的技术队伍和研究队伍。一批优秀的空间结构企业也已经或正在茁壮成长。随着我国经济和社会的发展，空间结构将会继续以较快的速度向前迈进。记者提到，２００８年北京奥运会，２０１０年上海世博会，都将为空间结构的发展提供重要舞台。在谈到奥运工程时，沈教授不无遗憾地说，这次最重要的一些奥运场馆的概念设计方案都是由外国设计机构中选的。这些概念设计方案是通过严格评审选定的，应该说它们代表了当前国际建筑设计的先进水平。概念设计对结构只进行了初步的考虑，下一步需要国内设计机构配合做进一步的深化设计。但是我们的确失去了不少更主动地进行空间结构创作的机会。沈教授指出，最近几年来国际设计机构大规模占领中国建筑市场的状况不仅限于奥运工程，这也因此成了国内建筑界目前议论较多的问题之一。这一现象的原因可能较多，包括设计体系方面可能存在的问题，但它至少从一个侧面反映了我们在建筑设计方面与国外先进水平相比尚存在一定差距，这是值得我们认真思考的。从空间结构的角度来审视，我们的差距主要表现在结构形式还比较拘谨，缺少大胆创新之作，说明新颖的建筑构思与先进的结构创造之间尚缺乏理想的有机结合。所以，我们的确是同时面临巨大的机遇和挑战。沈教授充满信心地说，这也说明我们面前还有巨大的发展空间，有待我们继续努力；中国人富于聪明才智，前景无疑是光明的。