索结构工程技术和设计要点

1、索结构工程技术和设计要点 空间结构概述 索结构发展历程 索材及其性能 索结构工作机理及设计要点 索结构的十种类型及其特点1 空间结构概述1 空间结构概述引言远 古挖洞穴居、筑木为巢；古中国木材构筑梁柱结构的宫 殿或寺庙，木梁跨度10- 20m；古罗马砖石拱顶或穹顶，跨度 30-40余m，自重每平米 6400kg； 19世纪桁架、拱、刚架等平面 结构，50-70m跨 (钢筋 混凝土、钢)现 代随着生活水平的提高， 人类生产和社会活动对 更大跨度的空间提出了 需求：飞机库、会展、 体育馆等，100-300m。太和殿（木梁11m） 国家体育场长轴短轴高点低点1 空间结构概述 国家游泳中心 1 空间结

2、构概述（177m 177m 31m、墙厚5m、屋盖厚7m） 英国伦敦“千年穹顶” （直径320m）1 空间结构概述世界上最大的馈源望远镜（FAST）500m直径，在建1 空间结构概述日本巴组铁工所提出建造超大跨度穹顶（500-1000m）,具有现代设备与人工智能的舒适、清洁、节能的封闭式环境，工作、居住、娱乐一体化的理想的未来城市。1 空间结构概述问题：什么结构体系能够很好地适应下述要求？满足建筑平面、空间和造型的要求跨越足够大的跨度具有更好的技术经济指标 国际壳体与空间结构协会（The International Associa- tion of Shell and Spatial Stru

3、ctures）的创始人，已故著名薄壳结构专家托罗哈（Torroja,E.）有一句名言： “最佳结构有赖于其自身受力之形体，而非材料之潜在强度”。 空间结构正是如此的一类结构。它的合理形体，使得它具有良好的受力性能。从而不仅型体优美、经济合理，还可以跨越超大的空间，成为近年来最具活力的结构类型之一。 1 空间结构概述空间结构具有不宜分解为平面结构体系的三维形体，具有三维受力特性，在荷载作用下呈空间工作的结构体系。 1 空间结构概述由平面结构组成的单层工业厂房 1 空间结构概述 具有不宜分解为平面结构体系的三维形体，具有三维受力特性，在荷载作用下呈空间工作的结构体系。钢筋混凝土框架 （主平面框架受

4、力）1 空间结构概述 具有不宜分解为平面结构体系的三维形体，具有三维受力特性，在荷载作用下呈空间工作的结构体系。平面桁架结构 1 空间结构概述 具有不宜分解为平面结构体系的三维形体，具有三维受力特性，在荷载作用下呈空间工作的结构体系。拱结构 1 空间结构概述 具有不宜分解为平面结构体系的三维形体，具有三维受力特性，在荷载作用下呈空间工作的结构体系。1967年蒙特利尔世博会美国馆短程线型双层网壳（D=76m） 具有不宜分解为平面结构体系的三维形体，具有三维受力特性，在荷载作用下呈空间工作的结构体系。1 空间结构概述 具有不宜分解为平面结构体系的三维形体，具有三维受力特性，在荷载作用下呈空间工作的

5、结构体系。深圳大运中心（第26届世界大学生运动会、2011.8）1 空间结构概述深圳湾体育中心“春茧”（体育场、体育馆、游泳馆） 具有不宜分解为平面结构体系的三维形体，具有三维受力特性，在荷载作用下呈空间工作的结构体系。1 空间结构概述深圳宝安体育场（230m237m）1 空间结构概述 具有不宜分解为平面结构体系的三维形体，具有三维受力特性，在荷载作用下呈空间工作的结构体系。博鳌亚洲经济论坛主会场 （2001年）平面65m60m，中央6根主柱，周边用撑杆1 空间结构概述 具有不宜分解为平面结构体系的三维形体，具有三维受力特性，在荷载作用下呈空间工作的结构体系。2010年上海世博会世博轴（全长约

6、 1000m，宽约 110m）1 空间结构概述 具有不宜分解为平面结构体系的三维形体，具有三维受力特性，在荷载作用下呈空间工作的结构体系。空间结构三种基本类型实体结构类网格结构类张力结构类以上某两类组合而成的结构可称为混合结构或杂交结构1 空间结构概述实体结构类 如：薄壳结构、折板结构。1 空间结构概述北京火车站屋面双曲抛物面薄壳 郑州第二砂轮厂食堂折板结构 钢筋混凝土实体结构，我国20世纪60-70年代应用较多，近年应用少了。网格结构类 如：网架结构、网壳结构。1 空间结构概述首都机场四机位机库网架国家大剧院网壳长轴短轴高1 空间结构概述网格结构类 由杆件按一定规律组成的网格状高次超静定空间

7、杆系结构，我国20世纪80年代应用广泛，至今不衰。北卡罗莱那州Releigh体育馆悬索结构 张力结构类 如：悬索结构、膜结构。 1 空间结构概述1 空间结构概述沙特阿拉伯利雅德皇家体育场膜结构 张力结构类 用柔性的索或膜作为承重构件，通过施加预张力获得刚度以后形成结构体系，近十年应用日益增多。广州会展中心张弦立体桁架体系混合结构或杂交结构 以上某两类体系组合而成。应用中多由钢结构与张力结构结合， 可发挥各自优点，是大跨度结构的发展方向。1 空间结构概述新加坡港务局(PSA)仓库斜拉网架1 空间结构概述混合结构或杂交结构 经济指标 1963年美国著名建筑师司密斯（Smith，M.G.）对166个

8、已建成的大跨度网格结构工程的用钢量进行了统计分析 ：1 空间结构概述 相对于平面结构，空间结构形式丰富、生动活泼，突出结构美而且富有艺术表现力。其受力合理、结构刚度大，重量轻、用钢量低的特点已经成为共识。2 索结构发展历程2 索结构发展历程索结构 索结构指建筑结构中应用索作为承重构件或通过张拉索对刚性结构体系施加预应力，提高或改善结构受力性能形成的结构体系。 （即空间结构中的张力结构、应用索的混合或杂交结构）按材料仅用索索与钢结构索与膜结构索与钢筋混凝土结构索与玻璃结构我国是最早将索应用于桥梁工程的。公元前285年四川灌县建造了跨越岷江的悬挂竹索桥安澜桥（250m)。1703年建造了由十三根铁

9、链悬挂的横跨大渡河的泸定桥(103.67m)。 随着钢绞线等高强材料的应用，大跨悬索桥开始出现。目前世界上最大跨度是日本明石海峡大桥（1991）。但悬索桥主要还是单向受力。索的形状是不稳定的，它随荷载分布形式变化而变化，必须采取不同的构造措施，以形成具有形状稳定性的结构体系。2 索结构发展2 索结构发展历程 Releigh体育馆 索作为主要承重构件应用于建筑结构始于20世纪50年代。 1953年美国人Fred Severud设计了北卡罗莱那州雷里(Releigh）体育馆，将两个垂直方向的单索连接形成了双曲抛物面索网屋盖，两倾斜的钢筋混凝土抛物线拱交叉落地作为边缘构件，形成了空间受力体系。 这一

10、空间结构形式的出现，极大地推动了悬索结构的发展。其轻盈的体态、合理的受力与优美的造型吸引了建筑师与结构工程师们的关注，迅速发展成为建筑结构大家族中的一个分支。 随后各种形式的悬索屋盖在世界各地争相竞艳。 2 索结构发展2 索结构发展历程德国大帐篷 1967年美国Fred Severud的学生德国建筑师佛赖.奥托（Frei Otto）采用索作为索网的边界，形成柔性边界索网，为加拿大蒙特利尔展览会设计了著名的德国大帐篷（Germen Pavilion） 2 索结构发展2 索结构发展历程通过支承在不同高度上的双曲抛物面索网覆盖了整个馆，并以透明有机织物片作为围护结构挂于索网下。德国奥林匹克运动中心体

11、育场主看台 1972年Frei Otto为第20届奥运会德国奥林匹克运动中心设计了连续帐篷式结构。体育场主看台主要由9片80m 60m的鞍形索网，8根平均高度70m的桅杆，长达455m的边索及吊索、小飞柱等组成，屋面为4mm厚的有机玻璃。2 索结构发展2 索结构发展历程德国奥林匹克运动中心体育场主看台 2 索结构发展2 索结构发展历程这两个工程使人们深入认识了张力结构的造型、受力与成形。 1859年英国建造的Royal Albert桥(2138.7m)，上弦铸铁拱，下弦为索，中间用竖向和交叉腹杆联系，整体呈“橄榄形”桁架，减小了拱的水平推力。2 索结构发展这一工程的成功给人们以启发，可以将柔性

12、的索与刚性构件组合起来应用，发挥他们各自的长处，此后混合或杂交结构的研究与应用日益增多。2 索结构发展历程20世纪80年代欧洲、日本开始在大跨度建筑上应用这种类型的结构，由于最初上弦是采用钢梁，英文称为Beam String Structure（BSS）。2 索结构发展慕尼黑机场Kemoinski宾馆日本北九州穴生健身房2 索结构发展历程1958年山西大同煤矿四老沟矿建成了跨度25m的输煤栈桥，采用了预应力钢筋，比原设计的钢结构节省钢材达51%。这是我国第一个预应力桁架。1959年太原钢厂焦化厂输煤栈桥，跨度 53m。 1960年太原钢厂钢坯库跨度12m钢吊车梁采用高强钢丝。1982年宁夏石咀

13、山市大武口电厂建成跨度达60m的预应力输煤栈桥，采用了钢绞线。2 索结构发展2 索结构发展历程1986年日本大学Masao Saitoh教授描述这种结构为：“用撑杆连接压弯构件和抗拉构件而形成的自平衡体系”，基于“将弦进行张拉，与梁组合”这一基本形式，称其为张弦梁。此后，由索与刚性构件组合而成的索结构的优点日益为人们认识，形式不断创新，应用日益广泛。我国八十年代后期有一个索结构应用的高潮，1986年到1991年短短五年中就建造了16个工程。2 索结构发展索结构覆盖面积（万M2）2 索结构发展历程1991年中国土木工程学会桥梁与结构分会在无锡召开了全国索结构学术交流会，尽管桥梁更多，第一次总结推

14、动建筑索结构发展；1991年以后建筑索结构应用进入了低潮网架、网壳广为应用轻屋盖应用索具制造能力有待提高理论积累：非线性有限元，形态分析，风振、地震响应分析技术积累：设计技术、施工技术、索具制造1997年沈世钊院士等著悬索结构设计 2 索结构发展2 索结构发展历程1999年9月16日上海浦东国际机场(一期)航站楼竣工投入运营，进厅、办票厅、商场和登机廊四个大跨度屋盖均采用了张弦结构，跨度49.3m、82.6m、44.4m和54.3m。该工程的成功引起了人们广泛的关注，迅速推动了索结构在大跨度屋盖中的应用。 2002年董石麟院士论文预应力大跨度空间钢结构的应用与展望和陆赐麟教授论文预应力钢结构发

15、展50年中，整理了截至2001年我国主要大型预应力钢结构工程有28项。2 索结构发展2 索结构发展历程近年来各种索结构形式，在我国均有了工程实践，且不断创新发展；我国已建成多项同类结构世界最大工程：双向张弦桁架114144m张弦网壳结构122m张弦桁架148m辐射布置悬索结构310m2010.4.24全国首届建筑索结构技术交流会召开（东莞），中国钢结构协会空间结构分会索结构专业委员会成立；2012年索结构技术规程（JGJ257-2012）颁布实施；2013年索结构典型工程集出版，收集了近十年十大类索结构工程100项，展现了我国的索结构发展的水平。可以说，近十年来各种类型的索结构已经发展成为大跨

16、度大空间建筑的主角，充分展示了工程技术人员的聪明才智。2 索结构发展2 索结构发展历程3 索材及其性能钢丝束 斜拉桥热挤聚乙烯高强钢丝拉索技术条件GB/T18365 平行钢丝束拉索是将若干根钢丝平行并拢、扎紧、穿入聚乙烯套管，在张拉结束后采用柔性防护而成，适合于现场制作。它的优点是由于钢丝束呈平行状不捻绕，因而能充分发挥其轴向拉力和高弹性模量的力学性能。半平行钢丝束拉索在工厂制造，将若干根高强度钢丝紧密排列呈正六边形，经左旋轻度扭绞而成，扭绞角为24。钢丝束外面沿索长连续缠绕右旋的细钢丝，也可缠绕增强聚酯带，然后热挤高密度聚乙烯防护套（PE），拉索进行精确下料后两端加装冷、热铸锚具进行预张拉，

17、拉索成盘或成圈包装。极限抗拉强度 1670MPa、1770MPa 3 索材及其性能68-761 190-7475 索体铸头调节套筒耳板多采用7根钢丝捻成（17），一根在中心，其余6根在外 层向同一方向缠绕，捻距为钢铰线公称直径的12-16倍。也可多根钢丝如19根、37根等捻绕，分别由三层、四层钢 丝捻向相反形成。外层的钢丝还可采用梯形、Z形等变形截面，形成密封索。力学性能 钢铰线受拉时，中央钢丝应力最大，外层钢丝的应力与其余弦的平方成正比。钢铰线的抗拉强度要比单根钢丝降低1020，相应地其弹性模量也有所降低 。极限抗拉强度 1570、1720、1770、1860、1960MPa。 钢铰线 预应力混凝土用钢绞线GB/T52243 索材及其性能单股钢丝绳以绳芯或钢芯为中心，由一层或多层钢丝捻绕而成，每股绞线的捻向与每股钢绞线中钢丝的捻向可以相反，也可以相同；多股钢丝绳通常由七股钢丝绳捻成，以一股钢丝绳作为核心，外层的六股沿同一方向缠绕；索结构应采用无油钢芯钢丝绳，分钢丝绳芯或钢丝股芯；力学性能 强度和弹性模量略低于钢铰线；其优点是比较柔软，适用于需要弯曲且曲率较大的构