悬索结构-兰州理工大学

3.4悬索结构3.4.1悬索结构的形式3.4.2悬索结构的计算要点3.4.3悬索结构基本设计3.4.3钢索材料、锚固及连接构件11.悬索结构的概念悬索结构由受拉索、边缘构件和下部支承构件所组成，如图3-1所示。拉索按一定的规律布置可形成各种不同的体系，边缘构件和下部支承构件的布置则必须与拉索的形式相协调，有效地承受或传递拉索的拉力。拉索一般采用由高强钢丝组成的钢绞线、钢丝绳或钢丝束，边缘构件和下部支承构件则常常为钢筋混凝土结构。3.4.1悬索结构的形式悬索结构的组成

22悬索结构具有以下特点：

1、悬索结构通过索的轴向受拉来抵抗外荷载的作用，可以最充分地利用钢材的强度。索一般都是采用高强度材料制成的，更可大大减少材料用量并可减轻结构自重。因而，悬索结构适用于大跨度的建筑物，如：体育馆、展览馆等。跨度越大，经济效果越好。2、悬索结构便于建筑造型，容易适应各种建筑平面，因而能较自由地满足各种建筑功能和表达形式的要求。钢索线条柔和，便于协调，有利于创作各种新颖的富有动感的建筑体型。3、悬索结构施工比较方便。钢索自重很小，屋面构件—般也较轻，安装屋盖时不需要大型起重设备。施工时不需要大量脚手架，也不需要模板。因而，与其他结构型式比较，施工费用相对较低。

34、可以创造具有良好物理性能的建筑空间。双曲下凹碟形悬索屋盖具有极好的音响性能。因而可以用来遮盖对声学要求较高的公共建筑。悬索屋盖对室内采光也极易处理，故用于采光要求高的建筑物也很适宜。5、悬索屋盖结构的稳定性较差。单根的悬索是一种几何可变结构，其平衡形式随荷载分布方式而变，特别是当荷载作用方向与垂度方向相反时，悬索就丧失了承载能力。因此，常常需要附加布置一些索系或结构来提高屋盖结构的稳定性。6、悬索结构的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。因此悬索体系的支承结构往往需要耗费较多的材料，无论是设汁成钢筋混凝土结构或钢结构，其用钢量均超过钢索部分。当跨度小时，由于钢索锚固构造和支座结构的处理与跨度大时一样复杂，往往并不经济4悬索结构分为单层悬索体系、预应力双层悬索体系、预应力鞍形索网、预应力横向加劲单层索系、预应力索拱及张弦结构、悬挂薄壳、张拉整体结构、索膜结构及混合悬挂结构等形式（1）单层悬索体系：单层悬索体系是由按一定规律布置得单根悬索组成，悬索两端锚挂在支撑结构上。索系布置有平行式、辐射式、网格式三种。（2）预应力双层悬索体系（索桁架）：双层悬索体系是由一系列下凹的承重索、上凸的稳定索及两者之间的连系杆（拉杆活压杆组成）2.

悬索结构分类5（3）预应力鞍形索网：鞍形索网是由曲率相反的两组钢索相互正交做成的负高斯曲率的曲面悬索结构，索网周边悬挂在边缘构件上。下凹的承重索在下，上凸的稳定索在上，两组索在交点处连接。（4）预应力横向加劲单层索系：在平行布置的单层悬索上敷设与索方向垂直的实腹梁或桁架等劲性构件，通过下压这些横向构件的两端并加以固定，在索与横向构件组成的体系中建立起预应力，形成横向加劲单层索系屋盖结构也称索梁体系。（5）预应力索拱及张弦结构在鞍行索网中，以实腹式或格构式进行构件代替上凸的稳定索，张拉承重索或下压拱的两端，使索与拱互相压紧，形成预应力索拱体系。6（6）预应力悬挂薄壳：为改善索体系的工作性能，在单层索系、双层索系和鞍形索网中采用预制钢筋混凝土屋面时，可做成预应力混凝土悬挂薄壳。（7）张拉整体结构：张拉整体结构是由分散的压杆与连续的索网构成的自平衡体系，通过施加预拉力使体系成形，他的刚度与体系内部的预应力大小有关。张拉整体结构可以设称有劲可能多的受拉索构成，以便最大限度地利用材料性能。（8）索膜结构：索膜结构是利用刚性构件提供支点，将钢索和膜悬挂起来，利用拉索对膜面施加足够预拉力将膜材料绷紧形成具有一定形状和刚度的构件钢索被用来加强薄膜并作为薄膜的边缘构件。膜材兼具围护和承重两种功能。薄膜材了由柔性织物和涂层复合而成，具有较高的抗拉强度和弹性模量，良好的耐久性能。71.设计基本规定

（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1/10~l/20；当平面为圆形时，中心受拉环与结构外环直径之比可取1/8~1/17，索的垂度可取跨度的1/10~l/20。对双层悬索体系，当平面为矩形时，承重索的垂度可取跨度的1/15~l/20，稳定索的拱度可取跨度的1/15~l/25；当平面为圆形时，中心受拉环与结构外环直径之比可取1/5~l/12，承重索的垂度可取跨度的1/17~l/22，稳定索的拱度可取跨度的1/16~l/26。对索网结构，承重索的垂度可取跨度的1/10~l/20，稳定索的拱度可取跨度的1/15~l/30。（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-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）。3.4.2悬索结构的计算要点8（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，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）。钢丝、钢绞线、热处理钢筋的强度标准值、强度设计值、弹性模量应按表4-3采用。表1

钢索的抗拉强度标准值、设计值和弹性模量

9

（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。（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。（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。（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。（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。10（9）对位于抗抗震设防烈烈度为8度或8度以上地区区的悬索结结构应进行行地震反应应验算。2荷载悬索结构设设计时除索索中预应力力外，所考考虑的荷载载与一般结结构相同，，主要有：：（1）恒载：包包括覆盖层层、保温层层、吊顶、、索等自重重。按现行行国家标椎椎《建筑结构荷荷载规范》GB50009-2001进行计算。。（2）活载：包包括保养、、维修时的的施工荷载载。按《建筑结构荷荷载规范》GB50009-2001取用。对于于悬索结构构，一般取取0.3kN/mm2，不与雪荷荷载同时考考虑。（3）雪载：基基本雪压值值按《建筑结构荷荷载规范》GB50009-2001取用，在悬悬索结构中中应根据屋屋盖的外形形轮廓考虑虑雪荷载不不均匀分布布所产生的的不利影响响，并应按按多种荷载载情况进行行静力分析析。当平面面为矩形、、圆形或椭椭圆形时，，不同形状状屋面上需需考虑的雪雪荷载情况况及积雪分分布系数可可参考图4-15采用。复杂杂形状的悬悬索结构屋屋面上的雪雪荷载分布布情况应按按当地实际际情况确定定。11（4）风载：基基本风压值值按《建筑结构荷荷载规范》GB50009-2001取用，风荷荷载的体型型系数宜进进行风洞试试验确定，，对矩形、、菱形、圆圆形及椭圆圆形等规则则曲面的风风荷载的体体型系数可可参考表4-4采用。对轻轻型屋面应应考虑风压压脉动影响响。（5）动荷载：：考虑风力力、地震作作用等对屋屋盖的动力力影响。（6）预应力：：为了在荷荷载作用下下不使钢索索发生松弛弛和产生过过大的变形形，需将钢钢索的变形形控制在一一定的范围围之内；为为了避兔发发生共振现现象，需将将体系的固固有频率控控制在一定定的范围之之内。这要要求屋盖具具有一定的的刚度，因因此，必须须在索中施施加预应力力，预应力力的取值一一般应根据据结构形式式、活载与与恒载比值值以及结构构最大位移移的控制值值等因素通通过多次试试算确定。。（7）安装装荷载载：应应分别别考虑虑每一一安装装过程程中安安装荷荷载对对结构构的影影响，，在边边缘构构件和和支承承结构构中常常常会会出现现较大大的安安装应应力。。结构的的蠕变变和温温度变变化将将导致致钢索索和结结构刚刚度减减小，，在结结构设设计中中还应应考虑虑它们们的影影响12对非抗抗震设设计，，荷载载效应应组合合应按按《建筑结结构荷荷载规规范》GB50009-2001计算。。在截截面及及节点点设计计中，，应按按荷载载的基基本组组合确确定内内力设设计值值，在在位移移计算算中应应按荷荷载短短期效效应组组合确确定其其挠度度。对对抗震震设计计，应应按《建筑抗抗震设设计规规范》GB0011-2001确定屋屋盖重重力荷荷载代代表值值。3钢索设设计悬索结结构中中的钢钢索可可根据据结构构跨度度、荷荷载、、施工工方法法和使使用条条件等等因素素，分分别采采用有有高强强钢丝丝组成成的钢钢绞线线、钢钢丝绳绳或平平行钢钢丝束束，其其中钢钢绞线线和平平行钢钢丝束束最为为常用用。但但也可可采用用圆钢钢筋或或带状状薄钢钢板。。平平行行钢丝丝束中中各钢钢丝不不经缠缠绕，，受力力均匀匀，能能充分分发挥挥钢材材的力力学性性能，，其承承载能能力和和弹性性模量量均较较钢绞绞线或或钢丝丝绳为为高，，造价价也较较低，，应用用广泛泛，在在悬索索拉力力较大大时宜宜优先先采用用；在在相同同直径径下，，钢绞绞线的的强度度和弹弹性模模量高高于钢钢丝绳绳，但但由于于钢丝丝绳比比较柔柔软，，在需需要弯弯曲且且曲率率较大大的悬悬索结结构中中宜采采用。。13单索截截面根根据承承载力力按下下式验验算：：式中——结构重重要性性系数数，取取=1.1或1.2；——单索最最大轴轴向拉拉力设设计值值；——单索材材料抗抗拉强强度设设计值值，由由表4-1查得；；——单索截截面面面积。。143.4.3悬索结结构基基本设设计（1）对单单层悬悬索体体系，，当平平面为为矩形形时，，悬索索两端端支点点可设设计为为等高高或不不等高高，索索的垂垂度可可取跨跨度的的1/10~l/20；当平平面为为圆形形时，，中心心受拉拉环与与结构构外环环直径径之比比可取取1/8~1/17，索的的垂度度可取取跨度度的1/10~l/20。对双双层悬悬索体体系，，当平平面为为矩形形时，，承重重索的的垂度度可取取跨度度的1/15~l/20，稳定定索的的拱度度可取取跨度度的1/15~l/25；当平平面为为圆形形时，，中心心受拉拉环与与结构构外环环直径径之比比可取取1/5~l/12，承重重索的的垂度度可取取跨度度的1/17~l/22，稳定定索的的拱度度可取取跨度度的1/16~l/26。对索索网结结构，，承重重索的的垂度度可取取跨度度的1/10~l/20，稳定定索的的拱度度可取取跨度度的1/15~l/30。（2）悬索索结构构的承承重索索挠度度与其其跨度度之比比及承承重索索跨中中竖向向位移移与其其跨度度之比比不应应大于于下列列数值值：单单层悬悬索体体系-1/200（自自初初始始几几何何态态算算起起）），，双双层层悬悬索索体体系系、、索索网网结结构构-1/250（自自预预应应力力态态算算起起））。。（3）钢钢索索宜宜采采用用钢钢丝丝、、钢钢绞绞线线、、热热处处理理钢钢筋筋，，质质量量要要求求应应分分别别符符合合国国家家现现行行有有关关标标准准，，即即《预应应力力混混凝凝土土用用钢钢丝丝》（GB5223）、、《预应应力力混混凝凝土土用用钢钢绞绞线线》（GB5224）、、《预应应力力混混凝凝土土用用热热处处理理钢钢筋筋》（GB4453）。。钢钢丝丝、、钢钢绞绞线线、、热热处处理理钢钢筋筋的的强强度度标标准准值值、、强强度度设设计计值值、、弹弹性性模模量量应应按按表表4-3采用用。。15表4-1钢索索的的抗抗拉拉强强度度标标准准值值、、设设计计值值和和弹弹性性模模量量（4）悬悬索索结结构构的的计计算算应应按按初初始始几几何何状状态态、、预预应应力力状状态态和和荷荷载载状状态态进进行行，，并并充充分分考考虑虑几几何何非非线线性性的的影影响响。。16（5）在在确确定定预预应应力力状状态态后后，，应应对对悬悬索索结结构构在在各各种种情情况况下下的的永永久久荷荷载载与与可可变变荷荷载载下下进进行行内内力力、、位位移移计计算算；；并并根根据据具具体体情情况况，，分分别别对对施施工工安安装装荷荷载载、、地地震震和和温温度度变变化化等等作作用用下下的的内内力力、、位位移移进进行行验验算算。。在在计计算算各各个个阶阶段段各各种种荷荷载载情情况况的的效效应应时时应应考考虑虑加加载载次次序序的的影影响响。。悬悬索索结结构构内内力力和和位位移移可可按按弹弹性性阶阶段段进进行行计计算算。。（6）作作为为悬悬索索结结构构主主要要受受力力构构件件的的柔柔性性索索只只能能承承受受拉拉力力，，设设计计时时应应防防止止各各种种情情况况下下引引起起的的索索松松弛弛而而导导致致不不能能保保持持受受拉拉情情况况的的发发生生。。（7）设计悬悬索结构构应采取取措施防防止支承承结构产产生过大大的变形形，计算算时应考考虑支承承结构变变形的影影响。（8）当悬索索结构的的跨度超超过100m且基本风风压超过过0.7kN/m2时，应进进行风的的动力响响应分析析，分析析方法宜宜采用时时程分析析法或随随机振动动法。（9）对位于于抗震设设防烈度度为8度或8度以上地地区的悬悬索结构构应进行行地震反反应验算算。17节点的构构造应符符合结构构分析中中的计算算