课件-建筑构造

悬索结构

Cable-suspendedstructures

索的形状是不稳定的(随荷载分布形式变化)。必须采取不同的构造措施，以形成各种具有形状稳定性的悬索体系。使索具有一定刚度的方法就是施加预应力，要改变一根松弛的绳子的形状容易，把绳子绷紧，它就具有了一定的刚度，可以承受垂直于它的荷载作用。

图6.3-1美国Raleigh竞技馆悬索结构的类型BasicTypesofCable-suspendedStructures1.单层悬索加重屋面

Single-LayerCableSystemwithHeavy(R.C.)Slabs2.预应力“悬挂薄壳”

Pre-stressed“SuspendedShell”3.预应力双层索系

Double-LayerCounter-StressedCableSystem4.预应力索网

Pre-stressedCableNet5.

劲性悬索

Suspended“RigidCables”6.横向加劲平行索系——索-梁(桁)体系

ParallelCablesStiffenedwithTransverseBeamsorTrusses7.索-拱体系

Cable-ArchSystem悬索结构的分析设计理论与常规结构相比有很大区别，不能为大多数设计人员所掌握，成为目前限制该类结构不能得到广泛应用的主要原因之一。并且，尽管悬索结构的施工并不复杂，但是一般的施工单位对其并不熟悉，专业的悬索施工队伍也很少，这也是影响该类结构应用的重要原因。悬索屋盖的组成悬索屋盖由三部分组成：悬索系统（索系）、支承系统和覆盖系统。悬索系统是悬索屋盖中跨越水平距离的主要承重构件。它由一系列按一定规律布置的高强度索组成，起着承担屋面荷载并将其传至支承结构的作用。支承系统由圈梁或水平横梁和压杆、立柱或斜拱等构件组成。它承受着悬索系统传来的荷载，并将它们可靠地传至基础。支承结构的合理性和可靠性直接影响着整个屋盖结构的经济与安全。覆盖系统一般位于索系之上，由檩条、彩板、保温防水材料或钢筋混凝土预制板组成。其作用是形成一个保温、隔热、防水的屋面，完成屋盖的建筑功能。在一些情况下如单层索体系屋盖中也可对索施加预应力形成自平衡体系而实现其结构功能。1.单层索系加重屋面

设置重屋面的作用——使均布重力荷载具有优势，以保证初始形状的相对稳定性。

Single-layerCableSystemwithheavyslabs,inwhichthesuperiorityofuniformdeadloadensuresthebasicshape-stability.

单层悬索体系又可以分为以下三种：（1）单向单层悬索体系是由一系列的承重单索构成的结构体系。此类悬索结构形式常适用于矩形平面的建筑屋盖，可以是单跨，也可以用于多跨。图6.3-2a单向单层悬索体系

（2）辐射式单层悬索体系（图6.3-2b）。是由一系列的沿径向辐射布置的承重索组成，通常适用于圆形平面的建筑屋盖。（3）双向单层悬索体系（图6.3-2c），是由两个方向相交（或正交）并曲率方向相同的承重索系构成，可以适用于圆形、矩形等多种平面的建筑屋盖。图6.3-2c双向单层悬索体系1—1图6.3-2b辐射式单层悬索体系112.悬挂薄壳——单层重屋面体系的进一步演进。

SuspendedShell-thefurtherdevelopmentofsingle-layercablesystemwithheavyslabs.(1)挂屋面板Hangslabs

(2)加超载，然后灌缝

Overloadingandthenfilltheseams(3)缝结硬后卸去超载，形成悬挂薄壳Unloadingtoform

apre-stressedshell

单层悬索体系通常做成悬挂薄壳的形式，以加强屋面刚度，提高抗风掀起性能，此时屋面也参与结构作用。德国乌柏特市游泳馆ASwimmingHallinGerman结构剖面StructuralCross-Section

双层悬索体系

双层悬索屋盖的基本构成单元是索桁架（图6.3-3）。索桁架承重索、稳定索和联系承重索和稳定索的腹杆组成，其中，负高斯曲率的为承重索，正高斯曲率的为稳定索。正是由于承重索和稳定索曲率相反，其通过腹杆传递的预应力可以互相平衡，因此索桁架中能维持预应力。正是由于预应力的存在，稳定索能和承重索一起抵抗竖向荷载的作用，从而提高整个结构的刚度。在动荷载作用下，这种体系也具有很好的抗震性能。根据索桁架的平面布置方式，双层悬索体系可以分为三种形式：图6.3-3索桁架的一般形式对主索来说，预应力的作用同重屋面是相似的Theeffectofpre-stressestothemaincableissimilartothatoftheslabload.（1）单向双层悬索体系，是由一系列平行布置的索桁架组成。通常索桁架的承重索与稳定索位于同一水平面内（图6.3-4a），但也有将其交错布置的做法，以提高屋盖的纵向整体稳定性和刚度（图6.3-4b）。图6.3-4单向双层悬索体系a）b）平面双索系统实例ExamplesofPlaneDouble-CableSystem荷兰鹿特丹体育馆德国法兰克福技术检查局机动车检修场瑞典斯德哥尔摩约翰尼绍夫滑冰场平面双索系统实例ExamplesofPlaneDouble-CableSystem芬兰赫尔辛基冰上运动场吉林滑冰馆JilinIce-SkatingRink，China吉林滑冰馆——预应力空间双层索系SpatialDouble-layerCableSystemforJilinIce-SkatingRink（2）辐射式悬索结构，又叫做车辐式悬索结构，通常用于圆形屋盖，其结构布置就像自行车轮一样，结构中部设置一刚性拉环，承重索和稳定索沿辐射方向布置，周围支承在周边构件上（一般为受压圈梁），承重索和稳定索之间可以设腹杆，也可不设（图6.3-5）。在图6.3-5c不设腹杆的体系中，上索既是稳定索，又直接承受屋面传来的荷载，以支反力的形式将部分荷载传给刚性拉环，承重索（下索）即承受拉环传来的集中荷载。其预应力施加通过拉环这一集中腹杆得以实现。双向双层悬索结构（图6.3-6），将索桁架沿相互交叉（或正交）的两个方向布置，形成交叉网格。一般用于圆形平面，也可以用于矩形平面。图6.3-6双向双层悬索图6.3-5车辐式双层悬索圆形平面的双层索系

Double-layerCableSystemwithCircularPlan(arrangedradicallyororthogonally)圆形平面双层索系实例ExamplesofDouble-layerCableSystemwithCircularPlan

前苏联列宁格勒体育馆结构简图1958年布鲁塞尔世界博览会美国馆结构剖面圆形平面双层索系实例ExamplesofDouble-layerCableSystemwithCircularPlan

首都工人体育馆TheWorkers’Gymnasium,Beijing

4.预应力鞍形索网Pre-stressedCableNet为了施加预应力，两个方向的索曲率相反，因此预应力索网的曲面必定是负高斯曲率的鞍形曲面。

Pre-tensionrequiresthatthecablesoftwodirectionsshouldhavecountercurvatures,SothatcablenetalwayshasasurfaceofnegativeGaussioncurvature.索网结构是同一曲面上两组曲率相反的悬索直接交叠，形成的一种负高斯曲率的网状悬索结构体系，也称为鞍形索网（图6.3-7）。两组钢索中，下凹的为承重索（主索），上凸的为稳定索（副索）。两组钢索在相交处相互连接。沿索往边缘需设置强大的边缘构件，以锚固两组钢索。周边可以做成闭合圈梁（图6.3-7a），也可以做成强大的边拱，将荷载直接传给基础（图6.3-7b、c）。图6.3-7索网结构的典型形式对索网结构也必须施加预应力，以提高体系的稳定性和刚度。由于两组相反曲率的悬索的存在，对其中任何一组或对两组同时进行张拉，均可实现预应力。索网的工作原理和双层索系非常相似，因此预应力足够大时索网具有良好的结构稳定性和刚度，可以采用轻屋面。索网结构体系多样，容易适应建筑需要，屋面排水也较易处理，因此近年来获得了广泛应用。索网的各种形式DifferentFormsofCableNet预应力索网的工程实例ExamplesofCableNet美国雷里体育馆

TheRaleighArena,USA(a剖面

Sectionb立面

Elevation)美国雷里体育馆

TheRaleighArena(c平面d索水平力的传递e拱截面f屋面做法与钢牵索

g拱脚处预应力混凝土拉杆

)图6.3-11华盛顿国际航空港大厅悬索结构的尺度单层索系：承重索垂跨比1/20～1/10双层索系：承重索垂跨比1/20～1/15

稳定索拱跨比1/30～1/20鞍形索网：承重索垂跨比1/20～1/10

稳定索拱跨比1/30～1/15

由两个边缘水平拱和一个垂直中央拱组成。中央拱与两边看台后的水平拱间拉承重索，稳定索与之正交。中央拱两边承重索的水平拉力形成平衡，但当两侧荷载变化时，原来的平衡就被破坏。而拱平面外刚度很小，对拱面外力几乎没有办法，因此将中央拱设计为具有平面外转动功能的大拱，当拱两侧屋面挠度变化时，拱也跟着转动到新的位置（图6.3-10）。德国慕尼黑奥林匹克体育中心体育场

TheMunichOlympicStadium体育场主看台的帐篷式索网示意图TheSketchoftheCableNetfortheStadium体育场主看台的帐篷式索网

TheCableNetoftheStadium施工中的索网结构CableNetunderConstruction青岛体育馆的组合索网结构

TheQingdaoGymnasium,China5.设置横向加劲构件——形成“索梁体系”或“索桁体系”

Cable-Beam(Truss)System——IntroductionofTransverseRigidElementsBymeansoftheTransversebeams(ortrusses):Thecablescanbepre-tensioned.Theconcentratedloadcanbedistributedtoadjacentcables.横向加劲构件(梁或桁架)的作用：借以施加预应力匀开集中荷载6.劲性索RigidCable（具有一定抗弯刚度的构件或桁架）第22届奥运会游泳馆劲性索屋盖结构

TheMoscowSwimmingHall第22届奥运会游泳馆劲性索屋盖结构

TheMoscowSwimmingHall(b

劲性索与拱的铰接

c拱脚)7.HybridSystem混合体系利用不同型式的结构受力性能的不同，或不同材料的强度性能的不同，使各种结构充分发挥各自的特长，使各种材料取长补短共同工作，有时还可使承重结构与维护构件合二为一，达到材尽其用的目的。即各种“复合结构