悬索结构简介

1、第八章 悬索结构 柔性的悬索在自然状态下不仅没有刚度，其形状也是不确定的。必须采用敷设重屋面或施加预应力等措施，才能赋予一定的形状，成为在外荷作用下具有必要刚度和形状稳定性的结构。因此也称其为张力结构。 第一节 概述 悬索结构由受拉索、边缘构件和下部支承构件所组成。拉索：钢绞线、钢丝绳或钢丝束、边缘构件和下部支承构件：钢筋混凝土。韩国永宗大桥 第一个现代悬索屋盖是美国于1953年建成的雷里竞技馆，采用以两个斜置的抛物线拱为边缘构件的悬索屋盖，主要用于飞机库、体育馆、展览馆、杂技场等大跨度公共建筑和某些大跨度工业厂房中，跨度最大达160m。 北京工人体育馆、浙江人民体育馆，达到了当时国际上较先进

2、的水平，在以后的几十年间，成都城北体育馆、吉林滑冰场、安徽省体育馆、丹东体育馆、亚运会朝阳体育馆等建筑中，采用了各种形式的悬索屋盖结构，但在设计理论和工程规模上，并没有很大的突破。 特点：1）通过索的轴向拉伸抵抗外荷作用，充分利用钢材强度，自重低。跨度越大，经济性越好。2）施工方便，费用低3）便于建筑造型，容易适应各种建筑平面4）可创造具有良好物理性能的建筑空间5）稳定性差6）边缘构件和下部支承必须具有一定的刚度和合理的形式，以承受索端巨大的水平拉力。第二节 悬索的受力与变形特点 单根悬索的受力与拱受力相似，为轴心受力构件。悬索是轴心受拉构件，对于钢材而言，悬索是一种理想结构形式。一、索的支座

3、反力 由于钢拉索是柔性的，不能受弯，索端可认为是固定铰支座。在竖向荷载下，悬索呈抛物线形，跨中的下垂度为f，计算跨度为l。 Va=VB=0.5qL 索中任意截M=0，对跨中截面取矩 f=M0/H 由上式知，在竖向荷载下，悬索支座受到水平拉力作用，该水平拉力的大小等于相同跨度简支梁在相同荷载作用下的跨中弯矩除以悬索的垂度。f与H是反比关系，因此找到合理垂度，处理好拉索水平力的传递和平衡是结构设计中的重点。二、索的拉力 N=H/cos 当索方程确定后，按上式就可求出索的各个截面内的轴力。索的轴力在支座处最大;在跨中最小,最小为N=ql2/8f .三、索的变形 悬索是轴拉构件，既无弯矩又无剪力。由于

4、索本身是柔性构件，其抗弯刚度可忽略，因此索的形状会随荷载的不同而改变。 见书P145. 第三节 悬索结构形式 按拉索布置方式分三类：一、单层悬索结构优点：传力明确，构造简单；缺点：稳定性差，抗风能力小。 平行布置形式(跨度可达80m）水平梁和框架一起承受悬索拉力水平梁承受悬索拉力悬索直接锚挂于框架斜拉索将悬索拉力拉向地锚 幅射式布置形式(适用于圆形，椭圆形平面)下凹双曲率碟形屋面不便于排水，最大的碟形屋面：美国阿拉美达比赛馆，跨径128m(1967)伞形屋面最大的伞形屋面：前苏联伊利姆斯克汽车库，跨径206m受拉内环采用钢制，受压外环采用钢筋混凝土制作。可比平行布置做到较大跨度。 网状布置形式

5、(适用于圆形，矩形等各种平面)设计要点 单层悬索体系垂跨比经验取值： 1/201/10 加强形状稳定性的措施： 采用重屋面 采用预应力钢筋混凝土悬挂薄壳 采用横向加劲构件两向索正交布置屋面板规格统一边缘构件弯矩大于幅射式布置1、单曲面单层拉索体系（单层平行索系） 由许多平行的单根拉索组成。屋盖表面为筒状凹面，需从两端山墙排水。拉索两端可以等高，也可不等高。拉索可以是单跨，也可以是多跨。 索的水平拉力不能在上部结构实现自平衡，必须通过适当的形式传至基础。拉索水平力传递一般有三种形式：1）通过竖向承重构件传至基础2）通过拉锚传至基础3）通过刚性水平构件集中传至抗侧力墙。2、双曲面单层拉索体系（单层

6、辐射索系）常见圆形，其拉索按辐射状布置。蝶形：拉索一端支承在周边柱顶环梁上，另一端支承在中心内环梁上。伞形：一端支承在周边柱顶环梁上，另一端支承在中心立柱上。二、 双层悬索结构优点：稳定性好，整体刚度大， （平行布置形式）1、单曲面双层拉索体系 由下凹的承重索，上凸的稳定索及它们之间的连系杆组成承重索垂跨比一般取1/201/15 ，稳定索拱跨比一般取1/201/25 。双层索系两端也必须锚固在侧边构件上，或通过锚索固定在基础上， 2、双曲面双层拉索体系（幅射式及网状布置形式） 承重索和稳定索均沿辐射方向布置，周围支承在周边柱顶的受压环梁上，中心则设置受拉内环梁。整个屋盖支承于外墙或周边柱上，根

7、据承重索和受拉索的关系所形成的屋面可为上凸下凹或交叉形，相应在周边柱顶设置一道或两道受压环梁。上索既是稳定索，又直接承载a)双层内环梁 b)双层外环梁c)双层内外环梁d)单层外环梁网状布置e)双层外环梁网状布置 三、交叉索网体系 由两组相互正交的、曲率相反的拉索直接交叠组成，形成负高斯曲率的双曲抛物面。两组拉索中，上凸为稳定索，下凹为承重索。该结构通常施加预应力，以增强屋盖的稳定性和刚度。优点：刚度大，变形小稳定性好。适用大跨度。鞍形索网布置形式 交叉索网体系需设置强大的边缘构件，以锚固不同方向的两组拉索。（拉索内常产生相当大的弯矩、扭矩） 边缘构件形式很多，根据建筑造型一般有以下几种布置方式

8、：1、边缘构件为闭合曲线环梁2、边缘构件为落地交叉拱3、边缘构件为不落地交叉拱4、边缘构件为一对不相交的落地拱5、边缘构件为拉索结构第四节 悬索结构的稳定 主要表现在两个方面：一是适应荷载变化的能力低；二是抗风吸、风振能力差。 在索自重作用下，呈悬链线形式，此时若施加荷载，则原来的悬链形式就不能保持平衡，会产生很大的位移，形成与新荷载分布相适应的平衡形式。会造成屋面防水层的损坏，该位移为机构性位移。 机构性位移与由弹性变形引起的位移不同。索抵抗机构性位移的能力就是索的稳定性。它与索的张紧程度有关。为使单层索屋盖结构具有稳定性，一般可采取：1、增加悬索结构上的荷载 通过在索上加重荷载，或在索下吊

9、挂重荷载等，增加屋盖自重。书P152图8-4-2.缺点：使悬索截面增大，支撑结构受力也增大。2、形成预应力索-壳组合结构 对屋面施加预应力，使之形成一倒挂的薄壳与悬索共同受力、整体工作。 常用施工方法：在悬索上铺好预制屋面板，在板上加额外的临时荷载，使索进一步伸长，板缝增大，然后浇灌混凝土，达到足够强度后，卸去临时荷载，悬索缩短，屋面回弹，产生预应力。使屋面形成预应力混凝土薄壳。3、形成索-梁或索-桁架组合结构 可在索上搁置横向加劲梁或横向加劲桁架，形成索-梁体系。 横向加劲梁具有一定的抗弯刚度，在两端与山墙处的结构相连，并与各悬索在相交处互相连接。梁-索构成整体，共同受力。4、增设相反曲率的

10、稳定索 即为双层拉索体系或交叉索网体系。通过调整受拉钢索或受压撑杆的长度，可对悬索体系施加预应力，是承重索与稳定索内始终保持足够大的拉紧力，提高整体稳定性和抗震能力。 一些典型建筑 单层悬索德国乌柏特市游泳馆德国多特蒙特展览大厅前苏联克达斯若牙尔斯克车库日本古川市民会馆 双层悬索瑞典斯德哥尔摩约翰尼绍夫滑冰场芬兰赫尔辛基冰上运动场德国法兰克福机动车检修场罗马尼亚布加勒斯特文体宫 鞍形索网前南斯拉夫莱士科瓦克纺织博览馆加拿大卡尔加里滑冰馆第九章 大跨度建筑结构的其他形式 大跨度建筑是人类社会发展与进步的产物，它能够最大限度地满足体育、文化、商贸社交活动的需要，体现了一个城市甚至一个国家建筑技术的

11、发展水平，同时，大跨度建筑对改善城市景观、调节市民的生活环境起着重要的作用。 传统的大跨度建筑的结构形式有刚架结构、桁架结构、拱式结构、薄壳结构、平板网架结构、网壳结构、悬索结构等。这些结构形式在大跨度的工业与民用建筑中都得到了广泛的应用。它们在结构上具有不同的受力特点，在建筑上具有不同的造型特色， 然而随着时代的发展，人们对建筑的要求已经不再仅仅是满足物质功能的需要，而是越来越高地提出了对建筑精神功能的要求，因此，可以预言，随着高强度材料的推广应用，随着建筑施工技术的完善，随着各种新型屋面材料的出现，随着人们对建筑精神功能要求的提高，大跨度建筑结构的形式将会越来越丰富多彩。 薄膜结构是张拉结

12、构中最近发展起来的一种形式，它以性能优良的柔软织物为材料，可以向膜内充气，由空气压力支撑膜面，也可以利用柔软性的拉索结构或刚性的支撑结构将薄膜绷紧或撑起，从而形成具有一定刚度、能够覆盖大跨度空间的结构体系。 薄膜结构由于其轻质、柔软、不透气、不透水、耐火性好、有一定的透光率、有中够的受拉承截力，加上新近研制的膜材耐久性有了明显的提高，因此，薄膜结构在最近几年得到了较大的发展，在国内外已被较多地应用于体育建筑、展览中心、商场、仓库、交通服务设施等大跨度建筑中。第一节 薄膜结构的特点 薄膜结构是一种古老的结构刑式，其造型在自然界中十分常见，如肥皂泡、蝙蝠翼、蜘蛛网等。在日常生活中也有许多应用薄膜结

13、构的实例，如：气球、游泳救生圈、伞、帆、风筝、帐篷等，受力性能是十分明确的。 作为建筑物屋盖结构，帐篷是最为古老的空间张力结构，最早的帐篷是用兽皮或由羊毛织成，后来则是用棉或其他天然织物制作而成，薄壳结构建筑与薄膜结构与我们传统的建筑结构体系是完全不同的。 薄膜结构是建筑与结构中一种结构体系，薄膜既承受膜面的内力，作为结构的一部分，又可防雨、挡风，起维护作用，同时还可采光以节省室内照明的能源，膜材本身的受弯刚度几乎为零，但通过不同的支撑体系使薄膜承受张力，而形成具有一定刚度的稳定曲面，薄膜结构的建筑造型是结合结构构造的布局而自然产生的，力的平衡状态直接被表现在结构的形状上，这就使薄膜结构成为一种建筑与结构自然有机体结合的新型大跨度建筑。 薄膜材料具有优良的力学特性，目前以织物有机涂料复合而成的薄壳材料，其受拉强度可达1400Ncm2，薄膜的受力为单纯受拉，膜材只承受沿膜面的张力，因而可充分发挥材料的受拉性能，同时，膜材厚度小，重量轻，般厚度在0508mm，重量约为0005002Nm2，采用拉力薄膜结构，充气薄膜结构的屋盖，具白重约为0.020.15kNm2，仪为第108页传统大跨度屋盖自重的110130。它是跨度重量比最大的一种结构。 薄膜结构还是一种理想的抗地震建