结构选型悬索

1、结构选型悬索1 悬索结构是以悬索结构是以 一系列的一系列的受拉的钢受拉的钢 索索（或拉条）作为（或拉条）作为 主要承重构件，钢主要承重构件，钢 索按一定规律组成索按一定规律组成 各种不同形式的结各种不同形式的结 构体系，并悬挂在构体系，并悬挂在 相应的支承结构上相应的支承结构上 。悬索一般采用由。悬索一般采用由 高强度钢丝组成的高强度钢丝组成的 钢铰线、钢丝绳或钢铰线、钢丝绳或 钢丝束，也可以采钢丝束，也可以采 用圆钢筋或带状薄用圆钢筋或带状薄 钢板。钢板。 结构选型悬索2 悬索结构通过钢索的轴向拉伸来抵抗外部的载荷作用，可以最充分地利悬索结构通过钢索的轴向拉伸来抵抗外部的载荷作用，可以最充分

2、地利 用钢材的抗拉强度，采用高强度钢材时，更可大大的减轻结构自重。它的主用钢材的抗拉强度，采用高强度钢材时，更可大大的减轻结构自重。它的主 要特点是受力合理，可以充分的利用高强度钢索的性能，能较经济的跨越很要特点是受力合理，可以充分的利用高强度钢索的性能，能较经济的跨越很 大的跨度。悬索结构便于建筑造型，适用于多样的平面图形和外形轮廓，能大的跨度。悬索结构便于建筑造型，适用于多样的平面图形和外形轮廓，能 较自由的满足各种建筑功能的要求。较自由的满足各种建筑功能的要求。 14.1 14.1 概述概述 结构选型悬索3 组成：组成：索索 网网：主承重构件，轴向受拉，无弯矩，不计刚度。：主承重构件，轴

3、向受拉，无弯矩，不计刚度。 边边 缘缘 构构 件：件：网索成型的关键，承受索网的巨大拉力。网索成型的关键，承受索网的巨大拉力。 下部支承构件：下部支承构件：钢筋混凝土立柱或框架。钢筋混凝土立柱或框架。 14.2 14.2 悬索结构的组成悬索结构的组成 边缘构件边缘构件索网索网 下部支承构件下部支承构件 关键：关键： 1 1）屋面刚度（索柔屋盖刚）屋面刚度（索柔屋盖刚） 2 2）结构稳定性（柔索单向受力）结构稳定性（柔索单向受力） 3 3）共振（解决风、地震的动力）共振（解决风、地震的动力） 结构选型悬索4 悬索结构必须采取有效措施来悬索结构必须采取有效措施来 保证屋盖结构在风荷载、地震作用保证

4、屋盖结构在风荷载、地震作用 下具有足够的刚度和稳定性。下具有足够的刚度和稳定性。 14.3.1 14.3.1 单曲面单层悬索结构单曲面单层悬索结构 -由多条由多条平行单根平行单根拉索构成。拉索构成。 14.3 14.3 悬索结构的结构形式及实例分析悬索结构的结构形式及实例分析 特点：特点： 构造简单，传力明确；构造简单，传力明确； 但屋面稳定性差，抗风力小。但屋面稳定性差，抗风力小。 悬索悬索侧边构件侧边构件 支承结构支承结构 悬索悬索 悬索悬索 拉索拉索 结构选型悬索5 一些典型建筑一些典型建筑 单层悬索单层悬索 德国乌柏特市游泳馆德国乌柏特市游泳馆德国多特蒙特展览大厅德国多特蒙特展览大厅

5、前苏联克达斯若牙尔斯克车库前苏联克达斯若牙尔斯克车库日本古川市民会馆日本古川市民会馆 结构选型悬索6 德国乌柏特市游泳馆 建于建于19561956年，比赛大厅面积年，比赛大厅面积 为为65m65m40m40m，屋盖采用纵向单曲，屋盖采用纵向单曲 单层悬索结构，跨度单层悬索结构，跨度65m65m，大厅看，大厅看 台建在斜梁上，斜梁间距台建在斜梁上，斜梁间距3.8m3.8m， 直通到游泳池底。直通到游泳池底。 结构选型悬索7 14.3.2 14.3.2 单曲面双层悬索结构单曲面双层悬索结构-由许多片由许多片平行索网平行索网构成。构成。 特点：特点： 平行索网平行索网，每片索网均由承重索和稳定索构成

6、，承重索与稳定索，每片索网均由承重索和稳定索构成，承重索与稳定索 之间用斜腹杆（圆钢或拉索）联系，斜腹杆对上、下索施加预应力。之间用斜腹杆（圆钢或拉索）联系，斜腹杆对上、下索施加预应力。 结构选型悬索8 双层悬索实例 瑞典斯德哥尔摩约翰尼绍夫滑冰场瑞典斯德哥尔摩约翰尼绍夫滑冰场 德国法兰克福机动车检修场德国法兰克福机动车检修场 芬兰赫尔辛基冰上运动场芬兰赫尔辛基冰上运动场 罗马尼亚布加勒斯特文体宫罗马尼亚布加勒斯特文体宫 结构选型悬索9 吉林滑冰馆吉林滑冰馆 , 1986, 1986 该馆平面为矩形，底层轮廓尺该馆平面为矩形，底层轮廓尺 寸为寸为67.467.4米米76.876.8米，馆内大厅

7、净米，馆内大厅净 高高12.7512.75米，总建筑面积米，总建筑面积84568456平方平方 米。屋盖由正负曲率悬索重索和与米。屋盖由正负曲率悬索重索和与 其相反曲率的稳定索组成预应力双其相反曲率的稳定索组成预应力双 层索系具有很好的稳定性和刚性。层索系具有很好的稳定性和刚性。 成对的承重索和稳定索一般位于同成对的承重索和稳定索一般位于同 一竖直平面内，二者之间通过受拉一竖直平面内，二者之间通过受拉 钢索或受压撑杆连系，构成和同屋钢索或受压撑杆连系，构成和同屋 架形式的平面体系。架形式的平面体系。 结构选型悬索10 14.3.3 14.3.3 双曲面单层悬索结构双曲面单层悬索结构 辐射式蝶形

8、悬索结构辐射式蝶形悬索结构 拉索拉索按辐射状布置，屋盖形成旋转曲面，拉索固定在外环（压）及中心环按辐射状布置，屋盖形成旋转曲面，拉索固定在外环（压）及中心环 （拉）上，其内力随着垂度的减小而增大。刚度及稳定性较差。（拉）上，其内力随着垂度的减小而增大。刚度及稳定性较差。 拉索拉索 侧边构件侧边构件 拉索拉索 侧边构件侧边构件 支承柱支承柱 周边柱周边柱中柱中柱 蝶形悬索结构特点：蝶形悬索结构特点：刚度及稳定性仅比单曲面好些，但仍较差。刚度及稳定性仅比单曲面好些，但仍较差。 结构选型悬索11 网状蝶形悬索结构特点：网状蝶形悬索结构特点： 拉索拉索按按两向索正交布置两向索正交布置，拉索固定在外环。

9、刚度及稳定性较差。，拉索固定在外环。刚度及稳定性较差。 拉索拉索 侧边构件侧边构件 支承柱支承柱 结构选型悬索12 幅射式布置形式幅射式布置形式 (适用于圆形，椭圆形平面适用于圆形，椭圆形平面) 下凹双曲率碟形屋面下凹双曲率碟形屋面 不便于排水，最大的不便于排水，最大的 碟形屋面：美国阿拉碟形屋面：美国阿拉 美达比赛馆，跨径美达比赛馆，跨径 128m128m( (1967)1967) 伞形屋面伞形屋面 最大的伞形屋面：最大的伞形屋面： 前苏联伊利姆斯克前苏联伊利姆斯克 汽车库，跨径汽车库，跨径206m206m 受拉内环采用钢制，受压外环采用钢筋混凝受拉内环采用钢制，受压外环采用钢筋混凝 土制作

10、。可比平行布置做到较大跨度。土制作。可比平行布置做到较大跨度。 网状布置形式网状布置形式( (适用于圆形，矩形等各种平面适用于圆形，矩形等各种平面) ) 设计要点设计要点 单层悬索体系垂跨比经验取值：单层悬索体系垂跨比经验取值： 1/201/20 1/101/10 加强形状稳定性的措施：加强形状稳定性的措施： 采用重屋面采用重屋面 采用预应力钢筋混凝土悬挂薄壳采用预应力钢筋混凝土悬挂薄壳 采用横向加劲构件采用横向加劲构件 两向索正交布置两向索正交布置 屋面板规格统一屋面板规格统一 边缘构件弯矩大边缘构件弯矩大 于幅射式布置于幅射式布置 结构选型悬索13 14.3.4 14.3.4 双曲面双层悬

11、索结构双曲面双层悬索结构 屋盖由承重索和稳定索构成，用于圆形建筑。拉索按辐射状布置，中屋盖由承重索和稳定索构成，用于圆形建筑。拉索按辐射状布置，中 心设置拉环。心设置拉环。 双曲面双层拉索体系增加了稳定索，屋面刚度大，抗风和抗震性能好。双曲面双层拉索体系增加了稳定索，屋面刚度大，抗风和抗震性能好。 上索既是稳定索，又上索既是稳定索，又 直接承载。直接承载。 a a) )双层内环梁双层内环梁 b b) )双层外环梁双层外环梁 c c) )双层内外环梁双层内外环梁 d d) )单层外环梁网状布置单层外环梁网状布置 e e) )双层外环梁网状布置双层外环梁网状布置 结构选型悬索14 北京工人体育馆北

12、京工人体育馆 工程于工程于19611961年建成，建年建成，建 成后一直是北京地区举行大成后一直是北京地区举行大 型活动的重要场所，建筑平型活动的重要场所，建筑平 面为圆形，面积约面为圆形，面积约4.24.2万平方万平方 米，地下一层，地上四层，米，地下一层，地上四层， 整体形式为圆形，屋盖采用整体形式为圆形，屋盖采用 圆形双层悬索结构，跨度达圆形双层悬索结构，跨度达 到到9494米，堪称该结构的经典米，堪称该结构的经典 范例。范例。 结构选型悬索15 a) 鞍形索网布置形式鞍形索网布置形式 14.3.5 14.3.5 双曲面交叉悬索结构双曲面交叉悬索结构 屋盖由两组曲率相反的拉索交叉组成，曲

13、面为双曲抛物面。适用于各屋盖由两组曲率相反的拉索交叉组成，曲面为双曲抛物面。适用于各 种形状的建筑平面。屋面刚度大，抗风和抗震性能好。种形状的建筑平面。屋面刚度大，抗风和抗震性能好。 结构选型悬索16 问题：问题： 悬索结构是悬挂式的柔性索网体系，屋盖的刚度及稳定性较差。悬索结构是悬挂式的柔性索网体系，屋盖的刚度及稳定性较差。 （应索柔屋盖刚）（应索柔屋盖刚） 风、动荷载或不对称荷载作用时的变形会影响使用功能。风、动荷载或不对称荷载作用时的变形会影响使用功能。 风力、地震作用的动力作用会引起共振。风力、地震作用的动力作用会引起共振。 14.4 14.4 悬索结构的刚度悬索结构的刚度 解决方法：

14、解决方法： 1 1）采用合理的屋面形式（利用双曲面）采用合理的屋面形式（利用双曲面） 2 2）合理受力形式（预应力）合理受力形式（预应力） 3 3）使用临时荷载，构成整体屋面）使用临时荷载，构成整体屋面 结构选型悬索17 北京工人体育馆北京工人体育馆 跨度跨度9494米，米，钢筋砼外环钢筋砼外环截面尺寸截面尺寸 为为2m2m2m,2m,，支承在外廊框架的内柱上，支承在外廊框架的内柱上， 承受压力。承受压力。中央环中央环由上、下环及由上、下环及2424根根 立柱组成，承受拉力。立柱组成，承受拉力。 钢筋砼外环梁钢筋砼外环梁 内环内环 上稳定索上稳定索 下承重索下承重索 环形框架环形框架 4层层

15、94000 结构选型悬索18 黄龙体育中心 国内超大型体育设施之一，国内超大型体育设施之一， 总覆盖面积总覆盖面积2.12.1万万的无障碍体的无障碍体 育场，赛时可容纳观众育场，赛时可容纳观众5.55.5万人万人 ，主体育场底部为半径，主体育场底部为半径150m150m的圆的圆 形，比赛场地为南北向长轴长，形，比赛场地为南北向长轴长， 东西向横轴短的椭圆形。观众席东西向横轴短的椭圆形。观众席 顶部设有挑蓬，挑蓬覆盖座席的顶部设有挑蓬，挑蓬覆盖座席的 覆盖率超过覆盖率超过90%90%，挑蓬东西向中，挑蓬东西向中 点标高点标高39m39m，低处标高，低处标高31.8m31.8m，南，南 北塔楼最高

16、点标高北塔楼最高点标高85m85m。 挑篷采用挑篷采用斜拉网壳空间结构斜拉网壳空间结构 ，由巨型吊塔、斜拉索、内环梁由巨型吊塔、斜拉索、内环梁 、网壳、外环梁和稳定索组成。、网壳、外环梁和稳定索组成。 网壳采用网壳采用曲面。曲面。 结构选型悬索19 黄龙体育中心 挑蓬结构由吊塔、斜拉索、内环梁、网壳、外环梁和稳定索组成，总面积挑蓬结构由吊塔、斜拉索、内环梁、网壳、外环梁和稳定索组成，总面积 21000m21000m2 2，网壳支撑于斜拉索吊拉的，网壳支撑于斜拉索吊拉的钢箱形内环梁钢箱形内环梁（1600mm1600mm2200mm2200mm30mm30mm）和）和 预应力预应力钢筋砼外环梁钢筋

17、砼外环梁（直径（直径244m244m）上，挑篷）上，挑篷悬挑悬挑51m51m 。整个屋盖通过斜拉索悬挂。整个屋盖通过斜拉索悬挂 在两端的吊塔上，在两端的吊塔上，吊塔吊塔为为85m85m高的预应力砼筒体结构，屋面采用轻质压型钢板覆高的预应力砼筒体结构，屋面采用轻质压型钢板覆 盖材料。盖材料。 结构选型悬索20 鞍形索网 前南斯拉夫莱士科瓦克纺 织博览馆 结构选型悬索21 安徽省体育馆安徽省体育馆 索索- -桁架组合结构桁架组合结构 结构选型悬索22 潮州体育馆潮州体育馆 索索- -桁架组合结构桁架组合结构 屋盖采用索桁架结构体屋盖采用索桁架结构体 系。该体育馆屋面为双曲扭系。该体育馆屋面为双曲扭

18、 壳，跨度为壳，跨度为45m45m，一方向采用，一方向采用 预应力钢索、另一方向采用预应力钢索、另一方向采用 钢桁架结构，预应力钢索与钢桁架结构，预应力钢索与 钢桁架正交布置，通过预压钢桁架正交布置，通过预压 钢桁架对钢索施加预应力以钢桁架对钢索施加预应力以 完成整个结构体系的形成。完成整个结构体系的形成。 体育馆屋面选用玻璃纤维混体育馆屋面选用玻璃纤维混 凝土板加铝合金屋面板。凝土板加铝合金屋面板。 结构选型悬索23 潮州体育馆潮州体育馆 索索- -桁架组合结构桁架组合结构 结构选型悬索24 美国雷里竞技馆美国雷里竞技馆19531953 受力特点是：受力明确，形成自平受力特点是：受力明确，形

19、成自平 衡体系，索、拱的材料强度充分发挥，衡体系，索、拱的材料强度充分发挥， 基础很小。斜拱的周边以间距基础很小。斜拱的周边以间距2.4m2.4m的钢的钢 柱支承，立柱兼作门窗的竖框，形成了柱支承，立柱兼作门窗的竖框，形成了 以竖向分隔为节奏感很强的建筑造型。以竖向分隔为节奏感很强的建筑造型。 被认为是世界上第一座优秀的大跨度索被认为是世界上第一座优秀的大跨度索 网结构屋盖建筑，开创了现代索结构的网结构屋盖建筑，开创了现代索结构的 历史。比赛场：历史。比赛场：67.4m67.4m38.7m 38.7m 椭圆形椭圆形 屋盖：为双曲面，采用交叉索网结构体屋盖：为双曲面，采用交叉索网结构体 系。索网

20、的平均网格尺寸系。索网的平均网格尺寸18.3m18.3m18.3m18.3m ，纵向承重索直径，纵向承重索直径191922mm22mm，中央承重，中央承重 索垂度索垂度10.3m10.3m，垂跨比约，垂跨比约1/91/9；横向稳定；横向稳定 索直径索直径121219mm19mm，中央稳定索矢高，中央稳定索矢高9.04m9.04m ，矢跨比约，矢跨比约1/101/10；承重索和稳定索均锚；承重索和稳定索均锚 固在两个交叉的钢筋混凝土拱上，形成固在两个交叉的钢筋混凝土拱上，形成 马鞍形抛物面。钢筋混凝土拱为槽形截马鞍形抛物面。钢筋混凝土拱为槽形截 面，尺寸为面，尺寸为4.2 0.75M4.2 0.

21、75M钢筋混凝土拱与钢筋混凝土拱与 地面夹角地面夹角28.128.1度度 结构选型悬索25 1958 1958年建成的美国耶鲁大学溜冰馆是典型的组合悬索结年建成的美国耶鲁大学溜冰馆是典型的组合悬索结 构。屋盖结构由沿建筑物纵向轴竖立的中央钢筋混凝土平面构。屋盖结构由沿建筑物纵向轴竖立的中央钢筋混凝土平面 大拱和两侧的两片预应力索网组成。曲面屋盖造型极为美观，大拱和两侧的两片预应力索网组成。曲面屋盖造型极为美观， 外形有些象一只古怪的海龟似的甲壳动物。外形有些象一只古怪的海龟似的甲壳动物。 结构选型悬索26 中央大拱中央大拱 的跨度近的跨度近 100m. 两片索网的承重索两片索网的承重索 高端锚挂在钢筋混高端锚挂在钢筋混 凝土大拱上。凝土大拱上。 另一端锚挂在纵另一端锚挂在纵 向曲墙顶端的钢向曲墙顶端的钢 筋混凝土曲梁上。筋混凝土曲梁上。 结构选型悬索27 美国耶鲁大学溜冰馆入口处。美国耶鲁大学溜冰馆入口处。 大拱与曲梁的轴线大拱与曲梁的轴线 均为平面抛物线。均为平面抛物线。 结构选型悬索28 溜冰馆内景溜