第九章-悬索结构课件

9.1概述9.1.1悬索结构的概念9.1.2悬索结构的发展9.1.3悬索结构的特点9.1.1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。拉索一般采用高强钢丝组成的钢铰线、钢丝绳或钢丝束；边缘构件和下部支承构件则常为钢筋混凝土结构。9.1.2悬索结构的发展：最早应用于桥梁工程中房屋建筑中，蒙古包、帐篷可看做悬索结构的雏形现代大跨度悬索屋盖结构的广泛应用，则只有半个世纪的历史。第一个现代悬索屋盖是1953年建成的雷里竞技馆，采用以两个斜置的抛物线拱作为边缘构件的鞍形正交索网。我国现代悬索结构之发展始于50年代后期和80年代。北京的工人体育馆和杭州的浙江人民体育馆是当时的两个代表作。北京工人体育馆：建于1961年，其屋盖为圆形平面，直径94m，采用车辐式双层悬索体系，由截面为2mX2m的钢筋混凝土圈梁、中央钢环，以及辐射布置的两端分别锚定于圈梁和中央钢环的上索和下索组成。中央钢环直径16m，高11m，由钢板和型钢焊成，承受由于索力作用而产生的环向拉力，并在上、下索之间起撑杆的作用。9.1.3悬索结构的特点索――轴向受拉便于建筑造型，各种平面施工较方便。自重小（10kg/m2），屋面构件一般也较轻。可创造良好物理性能的建筑空间。稳定性较差。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。9.2.1索的支座反力9.2.2索的拉力9.2.3索的变形9.2悬索结构的受力特点单根索的受力与拱的受力有相似之处，都是属于轴心受力构件。9.2.1索的支座反力计算简图由，支座反力为

索中任一截面的弯矩为零，以跨中截面为矩心，则有

式中，9.2.2索的拉力将索在计算截面切断，如图所示，由，可得索的轴力在支座截面（值最大）为最大，在跨中截面（）时为最小。9.2.3变形特点悬索是一个轴心受拉构件，既无弯矩也无剪力。悬索承受单个集中荷载，形成三角形；悬索承受多个集中荷载，形成索多边形；悬索自重作用时，处于自然悬垂状态，为悬链线；悬索承受均布竖向荷载，形成抛物线；悬索承受的竖向荷载自跨中向两侧增加时，形成椭圆。9.3.1单层悬索体系9.3.2双层悬索体系9.3.3交叉索网体系9.3.4工程实例9.3悬索结构的型式悬索结构按屋面几何形式的不同，可分为单曲面和双曲面两类；根据拉索布置方式的不同，可分为单层悬索体系、双层悬索体系、交叉索网体系9.3.1单层悬索体系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单曲面单层拉索体系 (跨度可达80m，德国多特蒙特一展览厅，1956)拉索水平力的传递的三种方式：1、通过竖向承重结构传至基础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206m2.幅射式布置形式(适用于圆形，椭圆形平面)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。2.幅射式布置形式3.网状布置形式(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：①采用重屋面

②采用预应力钢筋混凝土悬挂薄壳

③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9.3.2双层悬索体系1.一般形式

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

2.平行索系

优点：稳定性好，整体刚度大。适宜于采用轻屋面

对于平行索系，承重索和稳定索可在同一平面内，也可错开布置，构成波形屋面错开布置，构成波形屋面错开布置，构成波形屋面－－吉林滑冰馆屋盖结构形式3.双曲面双层拉索索系

3.双曲面双层拉索索系

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9.3.3交叉索网体系

交叉索网体系也称为鞍形索网，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，下凹者为承重索，上凸者稳定索，稳定索应在承重索之上。交叉索网体系的边缘构件：a)交叉索网体系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9.4悬索内结构的稳定

悬索屋盖结构的稳定性差，表现在两个方面，一是适应荷载变化的能力差，二是抗风吸、风振能力差。1增加悬索结构上的荷载2形成预应力所－壳组合结构3形成索－梁或索－桁架组合结构4增设相反曲率的稳定索

为使单层悬索屋盖结构具有必要的稳定性，一般可采取以下几种措施：1增加悬索结构上的荷载

一般认为，当屋盖自重超过最大风吸力的1.1～1.3倍，即可认为是安全的。2形成预应力索－壳组合结构

对钢筋混凝土屋面施加预应力，使之形成一倒挂的薄壳与悬索共同受力、整体工作。3形成索－梁或索－桁架组合结构

对于单曲面单层拉索结构体系（单层平行索系）可在索上搁置横向加劲梁或加劲桁架形成索梁或索桁架。组成形式拉索水平力的传递优缺点垂跨比单层悬索体系平行索系（单曲面）矩形，多边形形成下凹的单曲率曲面1.通过竖向承重结构传至基础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优点：传力明确，构造简单；缺点：屋面稳定性差，抗风能力小宜采用重屋面1/20～1/10辐射式索系（双曲面）圆形，椭圆形1.碟形一端支承在周边柱顶环梁上，另一端支承在中心内环梁上屋面排水较为复杂2.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排水通畅，但中间有立柱组成形式拉索水平力的传递优缺点垂跨比双层悬索体系由一系列下凹的承重索和上凸的稳定索组成1.索桁架（联系杆斜向布置）2.索梁（连杆布置成竖腹杆形式）平行索系两端必须锚固在侧边构件上，或通过锚索固定在基础上优点：稳定性好，整体刚度大适宜于采用轻屋面对于平行索系，承重索和稳定索可在同一平面内，也可错开布置，构成波形屋面承重索1/20～1/15；稳定索1/25～1/20辐射式索系沿辐射方向布置，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分为：上凸，下凹，交叉形组成形式拉索水平力的传递优缺点垂跨比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，形成双曲抛物面边缘构件的形式可分为：闭合曲线形环梁环梁呈马鞍形1.稳定性和刚度较好，2.适用于大跨度建筑屋盖，适用于圆形、椭圆形、菱形等建筑平面缺点：需设置强大的边缘构件，以锚固不同方向的两组拉索。落地交叉拱拱在一定高度相交后落地不落地交叉拱两拱在屋面相交不相交的落地拱一对落地拱不相交拉索结构

工程名称

平面及尺寸

建成年份车辐式双层索系

北京工人体育馆

成都城北体育馆

广汉市文体馆

圆形，直径94m

圆形，直径61m

圆形，直径44m

1961

1979

1991双曲抛物面索网

天津大学健身房

浙江人民体育馆

新疆化肥厂俱乐部

椭圆形，24.6×36.6m

椭圆形，60m×80m

椭圆形，36m×50m

1965

1967

1977平行双层空间索系

吉林滑冰馆

矩形，59m×72m

1986平行双层平面索系（索桁架）

无锡市体育馆

矩形，43m×44m

1991

我国悬索结构工程一览表

工程名称

平面及尺寸

建成年份单层平行索系

淄博市体育馆

淄博市毛纺厂俱乐部

东营钻井公司体育馆

新汶矿务局体育馆

矩形，54m×38m

矩形，36m×27m

矩形，54m×38m

矩形，54m×38m

1986

1987

1988

1989伞形单层辐射索系

柳州水泥厂熟料库

淄博市长途汽车站

圆形，半径40m

圆形，半径25m

1987

1989单层悬挂索网

淄博市化纤厂餐厅

方形，30m×30m

对角线主索支承

1987单层平行索系、以刚架作为中央支承

丹东体育馆

六边形，80m×45m

1988

我国悬索结构工程一览表

工程名称

平面及尺寸

建成年份鞍形索网、以拱作为中央支承

四川省体育馆

青岛市体育馆

六边形，74m×79m

卵形，73m×89m

1988

1990鞍形索网、以索--拱体系作为中央支承

北京朝阳体育馆

近似椭圆，66m×78m

1990横向加劲单层平行索系

安徽省体育馆

上海扬浦区体育馆

潮州体育馆

六边形，72m×53m

矩形，45m×54m

方形，55m×56m

1989

1989

1992斜拉屋盖结构

奥林匹克体育中心体育馆

奥林匹克体育中心游泳馆

呼和浩特民航机库

无锡市游泳馆

矩形，70m×83.2m

矩形，78m×117m

矩形，42m×63m

矩形，19m×31.5m

1990

1990

1991

1992

我国悬索结构工程一览表

1斜拉索的布置2斜拉混合结构的工程实例斜拉混合结构

利用斜拉索可以组成各种斜拉混合结构。在梁、板、刚架、桁架、拱、壳体、网架、网壳等大跨度建筑结构中，都可以利用塔柱顶端伸出的斜拉索作为附加的弹性支承点，使结构的跨度减小，将受弯构件的传力途径改为由索和塔柱承受拉、压的传力途径，以达到减小结构截面、减少材料用量的目的。在悬挑结构中，斜拉索可以增加悬臂构件的约束，提高结构的安全度，平衡倾覆力矩。1斜拉索的布置辐射式竖琴式扇形星形单向布置设计要求：尽量使塔柱轴心受压，减小塔柱顶点的水平合力，避免塔柱内出现过大的弯矩2斜拉混合结构的工程实例1、法国卡巴里奥收费站

Cabariot收费站长152m，最宽处32m，由4个35m高的圆锥形桅杆构成的主支撑，托起中央主粱通过横穿的流线型梁与周边的三腹粱连接。稳定支撑杆则连接结构边缘和4大桅杆的基座。整个膜材被双重绳套和橡皮带固定在构架上。

1、法国卡巴里奥收费站

1、法国卡巴里奥收费站

1、法国卡巴里奥收费站

2、北京奥林匹克体育中心综合馆该屋盖平面尺寸为80m×112m。屋盖结构由三部分组成：一为两榀双层圆柱面网壳，采用斜放四角锥结构体系；二为设置在中间屋脊部位的立体桁架，作为网壳一边的支座；三为8对共16根斜拉索。3、北京奥林匹克体育中心游泳馆该屋盖平面尺寸为78m×117m。斜拉索一端锚固在钢筋混凝土塔筒上，另一端拉住沿建筑物纵向布置的中央箱形钢梁。横向布置的人字平面钢桁架一端支承在中央钢桁架上，另一端支承在钢筋混凝土框架柱上。4、斜拉桥

世界十大斜拉桥⑴苏通大桥（在建）⑵多多罗桥⑶诺曼底桥⑷南京长江第三大桥⑸南京长江第二大桥⑹武汉第三长江大桥⑺青州闽江大桥⑻杨浦大桥⑼名港中央大桥⑽徐浦大桥

杭州湾跨海大桥苏通大桥全长：32.4km四项世界第一：最大主跨：1088m

最高塔桥：300.4m

最深基础：131根长约120米、直径2.5米至2.8米的钻孔灌注桩组成，承台长114米、宽48米最长拉索：577m香港昂船洲大桥

主跨：1018m

多多罗大桥

多多罗大桥是本四连络桥项目总长59.4公里中尾道-今治线上的一部分，连接着生口岛和大三岛。桥梁形式：钢箱梁斜拉桥全

长：1,480m

主

跨：890m

桥

塔

高：222m

诺曼底大桥

主跨：856m南京长江二桥南汊大桥主跨：628m悬索桥梁1、明石海峡大桥

明石海峡大桥全长3,911m，主跨1,991m，桥面宽35m，往返6车道，是目前世界最长的悬索桥，通航净空65m。此桥是一座位于明石海峡上的3跨2铰钢桁加劲梁结构的公路悬索桥，连接着淡路岛和本州岛，索塔高约300m。该桥梁上部结构共使用钢材200,000吨，下部结构使用混凝土约1,420,000立方。

视频11、明石海峡大桥1、明石海峡大桥1、明石海峡大桥明石海峡大桥是世界上第一座主跨超过1英里(为1609m)及l海里(合l852m)的桥梁。两边跨达960m，是目前世界上最长的边跨。钢桥塔高为297m，是世界上第二高的桥塔（仅次于法国密佑高架橋

343米）。用钢桁式加劲梁，横截面尺寸为35.5m×14.0m。其梁高比其它任何一座悬索桥都高。本桥桥面设有6车道，通航净空高为65m。原来曾计划在下层桥面上修建铁路，但并未采纳。因铁路荷载要求有4条主缆，而公路交通只要2条主缆就足够了。该桥2根主缆直径为1122mm，为世界上直径最大的主缆；主缆钢丝的极限强度为1800MPa，也是世界记录。主缆由预制平行钢丝束组成，这项工艺也适用于同样规模的悬索桥。牵引钢丝由直升飞机牵引跨越明石海峡，这是世界上首次应用的新工艺l995年1月，日本神户地区发生里氏7．2级地震。造成5000多人死亡。震中位于明石海峡大桥南端，距神户几公里。明石海峡大桥经历了一次严竣的抗震检验，因为桥址处的震级也接近里氏8级，当时在距该桥50km远的桥梁与建筑都已经倒塌。地震发生时，该桥刚刚完成桥塔与主缆施工工作，开始架设加劲梁。根据初步研究，明石海峡大桥设计荷载可承受里氏8．5级地震，该桥在阪神地震中仅有微小损坏，由于地面运动。两塔基础之间的距离增加了80cm，桥塔顶倾斜了10cm，使主跨增加了近80cm，从而接近于l991m，主缆垂度因此减少了130cm。1、明石海峡大桥2、大伯尔特桥（丹麦）主跨1624米，1996年建成

大伯尔特桥,也叫斯托伯尔特桥、大带桥，它将丹麦第一大城市首都哥本哈根所在的西兰岛和第三大城市欧登塞所在的菲英岛连接在一起。两岛海面距离18公里。以1988年价格计算，大贝尔特桥实际耗资337亿丹麦克朗，约合48亿美元，是欧洲当时预算最高的桥梁工程。大贝尔特桥分为东、西两段，中间以斯普奥人工岛作为中间站。西桥从菲英岛到斯普奥岛，跨度6.6公里。2、大伯尔特桥（丹麦）2、大伯尔特桥（丹麦）2、大伯尔特桥（丹麦）3、润扬长江大桥（中国）主跨1490米，2005年建成

润扬大桥西距南京二桥约60公里，东距江阴大桥约110公里。工程全长35.66公里，由北接线、北汊桥、世业洲互通高架桥、南汊桥、南接线及延伸段等部分组成，主桥(包括北汊桥、世业洲互通高架桥和南汊桥)长7.21公里,北引桥及北接线高架桥长1.74公里，北接线长10.27公里，南接线及延伸段长16.44公里。其中南汊主桥采用单孔双铰钢箱梁悬索桥，主跨径1490米，为目前中国第一、世界第三，桥下最大通航净宽700米、最大通航净高50米，可通行5万吨级巴拿马货轮。北汊桥采用176+406+176米的三跨双塔双索面钢箱梁斜拉桥，长758米，桥下最大通航净宽210米、最大通航净高18米。全线采用双向六车道高速公路标准，桥面平均宽31.5米（行车道宽30米），设计车速100公里/小时，桥梁设计荷载等级汽车-超20级，挂车-120。大桥设计使用寿命为100年。

3、润扬长江大桥（中国）视频14、英国亨伯尔桥，主跨1410米，1981年建成

英国亨伯尔桥（又译恒贝尔桥），主跨1410米（280+1410+530），正交异性板桥面，桥宽28.5米，混凝土桥塔高155.5米，三道横梁支撑，1981年建成。

4、英国亨伯尔桥5.中国江阴长江公路大桥，主跨1385米，1999年建成

江阴长江公路大桥，位于江苏省江阴市黄田港以东3200米的西山，主跨1385米（328+1385+295），桥塔高190米，为两根钢筋混凝土空心塔柱与三道横梁组成的门式框架结构，重力式锚碇，主梁采用流线型箱梁断面，钢箱梁全宽36.9米，梁高3米，桥面宽29.5米，双向六车道，两侧各设宽1.8米的风嘴，1999年建成。5.中国江阴长江公路大桥

6．中国香港青马桥，主跨1377米，1997建成

香港青马大桥，公铁两用桥，主跨1377米（333+1377+300），但300米边跨侧主缆不设吊杆，实际上只有2跨加劲桁。桥塔高131米，在青衣岛侧采用隧道式锚碇，在马湾岛侧采用重力式锚碇,加劲桁梁高7.54米，高跨比1/185，纵向桁架之间为空腹式桁架横梁，中部空间可容纳行车道及路轨，大桥上层桥面中部和下层桥面路轨两侧均设有通气空格，形成流线型带有通气空格的闭合箱型加劲梁，1997年建成。6．中国香港青马桥

6．中国香港青马桥

6．中国香港青马桥

6．中国香港青马桥

6．中国香港青马桥

7.美国纽约维拉扎诺桥，主跨1298米，1964年建成

美国维拉扎诺桥，主跨1298.45米(370.33+1298.45+370.33)，双层桥面，桥宽31.4米，加劲桁架高8米，塔高210米，1964年建成。