第七节悬索结构

1、l单层索网l单层单向悬索结构l单层辐射状悬索结构l双层悬索体系l双层单向悬索结构l双层双向悬索结构l双层辐射悬索结构l索网结构l单层悬索体系l单层悬索体系由一系列按一定规律布置的单根悬索组成,悬索两端锚挂在稳固的支承结构上。在悬索结构中,单层悬索体系在构造和理论计算上都比较简单。l单层悬索体系又可细分为单层单向悬索结构、单层辐射状悬索结构和单层网状悬索结构。l单层单向悬索结构，由一群平行走向的承重索组成,并构成单曲下凹屋面。拉索两端悬挂在稳定的支承结构上,也可设置专门的锚索或端部水平结构来承受悬索的拉力l单层辐射状悬索结构。当屋盖为圆形或椭圆形平面时,悬索一般按辐射状布置,整个屋面形成下凹的旋

2、转曲面,悬索支承在周边构件受压圈梁上，这种下凹的屋面不便于排水。当房屋中央客厅设支柱时,可利用支柱升起为悬索提供中间支承,做成伞形屋面。l单层网状悬索结构。网状布置的单层索形成下凹的双曲率曲面,两个方向的索一般是正交布置,适用于圆形、矩形等各种平面。单层网状悬索结构其边缘构件的弯矩大于辐射式布置的,但省去了中心拉环。 l单层悬索体系的工厂与单根悬索相似,其稳定性较差。首先,单层悬索体系是一种可变体系l为增大单层悬索体系的稳定性,一般可采取如下措施:a.采用重屋面b.采用预应力钢筋混凝土悬挂薄壳。 c.采用横向加劲构件。在平行布置的单层悬索上,把索锚固好以后,在索上敷设与索方向垂直的实腹梁或绗架

3、等横向劲性构件,下压这些横向构件的两端,使之产生强迫位移。l双层悬索体系是由一系列下凹的承重索和上凸的稳定索以及它们之间的连系杆组成。双层索系中的每对承重索、稳定索一般位于同一竖向平面,二者之间通过受拉或受压的连系杆相连,其外形与受力特点类似于承受横向荷载的传统平面衍架,所以又称为索衍架。承重索与稳定索的布置形式有多种方式,应综合考虑建筑功能,建筑造型及结构受力的合理性等条件进行选取l索系的布置也有平行布置、辐射式布置和网状布置三种形式 l鞍形索网是由相互正交,曲率相反的承重索和稳定索叠交而形成的负高斯曲率的曲面悬索结构。下凹的钢索为承重索,上凸的钢索为稳定索,两组索在交点处相互连接在一起,索

4、网周边悬挂在强大的周边构件上。 东京驹泽公园体育馆东京驹泽公园体育馆 采用多片壳体组合起伏多变的索网突出开阔的环境耶鲁大学冰球馆耶鲁大学冰球馆罗马体育馆罗马体育馆北京朝阳体育馆（二元并联）北京朝阳体育馆（二元并联）北京石景山体育馆（三元并联）北京石景山体育馆（三元并联）哈尔滨工业大学体育馆（四元并联）哈尔滨工业大学体育馆（四元并联）汉中体育馆汉中体育馆(四元并联四元并联)l悬索结构与其它结构形式相比,具有如下一些特点:(1)受力合理,经济性好。悬索结构依靠索的受拉抵抗外荷载,因此能够充分发挥高强钢索的力学性能,用料省,结构自重轻,可以较经济地跨越很大的跨度。索的用钢量仅为普通钢结构的1/51/

5、7,当跨度不超过150m时,每1m2屋盖的用钢量一般在10kg以下。(2)施工方便。钢索自重小,屋面构件一般也较轻,施工、安装时不需要大型起重设备,也不需要脚手架,因而施工周期短,施工费用相对较低。l(3)建筑造型美观。悬索结构不仅可以适应各种平面形状和外形轮廓的要求,而且可以充分发挥建筑师的想象力,较自由地满足各种建筑功能和表达形式的要求,实现建筑和结构较完美的结合。(4)悬索结构的边缘构件或支承结构受力较大,往往需要强大的截面、耗费较多的材料,而且其刚度对悬索结构的受力影响较大,因此,边缘构件或支承结构的设计极为重要。(5)悬索结构的受力属大变位、小应变,非线性强,常规结构分析中的叠加原理

6、不能利用,计算复杂l对矩形平面可采用单层单向悬索,承重索沿长边方向布置。或双层单向悬索,索沿短边向布置较有利;在圆形平面中可采用单层或双层辐射状悬索及索网结构，在接近方形平面和椭圆形平面中则选用索网结构较为合适。当平面为梯形、扇形,采用单层或双层悬索体系时,索的两端支点应按等距离设置。单层索系应采用重屋面,双层悬索体系索网结构宜采用轻屋面也可用重屋面。l1.设计基本规定l(1)对单层悬索体系,当平面为矩形时,悬索两端支点可设计为等高或不等高,索的垂度可取跨度的1/101/20;当平面为圆形时,中心受拉环与结构外环直径之比可取1/81/17,索的垂度可取跨度的1/101/20。对双层悬索体系,当

7、平面为矩形时,承重索的垂度可取跨度的1/151/20,稳定索的拱度可取跨度的1/151/25;当平面为圆形时，中心受拉环与结构外环直径之比可取1/51/12,承重索的垂度可取跨度的1/171/22,稳定索的拱度可取跨度的1/161/26。对索网结构,承重索的垂度可取跨度的1/101/20,稳定索的拱度可取跨度的1/151/30。l(2)悬索结构的承重索挠度与其跨度之比及承重索跨中竖向位移与其跨度之比不应大于下列数值:单层悬索体系一1/200(自初始几何态算起),双层悬索体系、索网结构-1/250(自预应力态算起)。l(3)钢索宜采用钢丝、钢绞线、热处理钢筋,质量要求应分别符合国家现行有关标准,

8、即预应力混凝土用钢丝(GB5223)、预应力混凝土用钢绞线(GB5224、预应力混凝土用热处理钢筋(GB4453)。l(4)悬索结构的计算应按初始几何状态、预应力状态和荷载状态进行,并充分考虑几何非线性的影响。l(5)在确定预应力状态后,应对悬索结构在各种情况下的永久荷载与可变荷载下进行内力、位移计算:并根据具体情况,分别对施工安装荷载、地震和温度变化等作用下的内力、位移进行验算。在计算各个阶段各种荷载情况的效应时应考虑加载次序的影响。悬索结构内力和位移可按弹性阶段进行计算。l(6)作为悬索结构主要受力构件的柔性索只能承受拉力,设计时应防止各种情况下引起的索松弛而导致不能保持受拉情况的发生。l

9、(7)设计悬索结构应采取措施防止支承结构产生过大的变形,计算时应考虑支承结构变形的影响l(8)当悬索结构的跨度超过100m且基本风压超过0.7KN/m2时,应进行风的动力响应分析,分析方法宜采用时程分析法或随机振动法。l(9)对位于抗震设防烈度为8度或8度以上地区的悬索结构应进行地震反应验算。 l2.荷载l悬索结构设计时除索中预应力外,所考虑的荷载与一般结构相同,这些荷载有:l(1)恒载:包括覆盖层、保温层、吊顶、索等自重。按现行国家标准建筑结构荷载规范(GBJ5009)进行计算l(2)活载:包括保养、维修时的施工荷载。按建筑结构荷载规范(GBJ5009)取用。对于悬索结构,一般取0.3KN/

10、mm2,不与雪荷载同时考虑。l(3)雪载:基本雪压值按建筑结构荷载规范(GBJ5009)取用,在悬索结构中应根据屋盖的外形轮廓考虑雪荷载不均匀分布所产生的不利影响,并应按多种荷载情况进行静力分析。复杂形状的悬索结构屋面上的雪荷载分布情况应按当地实际情况确定。 l(4)风载:基本风压值按建筑结构荷载规范(GBJ5009)取用,风荷载的体型系数宜进行风洞试验确定。对轻型屋面应考虑风压脉动影响。l(5)动荷载:考虑风力、地震作用等对屋盖的动力影响。l(6)预应力:为了在荷载作用下不使钢索发生松弛和产生过大的变形,需将钢索的变形控制在一定的范围之内;为了避免发生共振现象,需将体系的固有频率控制在一定的

11、范围之内。这要求屋盖具有一定的刚度,因此,必须在索中施加预应力,预应力的取值一般应根据结构形式、活载与恒载比值以及结构最大位移的控制值等因素通过多次试算确定。 l(7)安装荷载:应分别考虑每一安装过程中安装荷载对结构的影响,在边缘构件和支承结构中常常会出现较大的安装应力。结构的蠕变和温度变化将导致钢索和结构刚度减小,在结构设计中还应考虑它们的影响。对非抗震设计,荷载效应组合应按建筑结构荷载规范(GBJ5009)计算。在截面及节点设计中,应按荷载的基本组合确定内力设计值,在位移计算中应按荷载短期效应组合确定其挠度。对抗震设计,应按建筑抗震设计规范(GBJ50011)确定屋盖重力荷载代表值 。l3.钢索设计l悬索结构中的钢索可根据结构跨度、荷载、施工方法和使用条件等因素,分别采用有高强钢丝组成的钢绞线、钢丝绳或平行钢