第八章 悬索结构

第八章悬索结构

第一节概述

一．悬索结构的发展概况：

二．悬索结构的适用范围：

60～100M左右的体育馆、展览馆、会议厅等大型公共建筑。目前，索结构的跨度已达160M。――

三、结构的关键问题：

1．屋面刚度――刚柔是完全相对的，但必须做到索柔而屋面刚。――对于单根柔索。。。。。

而多根柔索组合使用。。。。。。因此，悬索屋盖必须要有足够的刚度，既能保持其原有形状，又能使各索共同受力工作，且限制屋面变形不能过大，不致使屋面防水层开裂而影响使用。

2．结构的稳定性：柔索只能单向受力，即荷载q必须与悬索的垂度f同向，若反向（如：风吸力、地震荷载等），则其形状立即失去稳定，根本无能力反向荷载，非常危险严重者甚至屋盖局部被掀起或完全揭顶。因此，刚度与稳定是悬索的首要问题，应二者结合起来予以考虑。

3．共振：风载与地震具有随机性。悬索自身像绷紧的弦，会产生振动，一旦发生共振，房屋即遭破坏，故必须避免屋盖产生共振。这个问题在桥梁建筑中尤为重要（――）。4．悬索结构支座拉力的结构处理：这一问题与拱脚推力结构问题同等重要，若悬索支承拉力无可靠着落点，则悬索结构屋盖将全部报废。

第二节悬索结构的组成及受力特点

一．悬索结构的组成：

1．受拉索：一般采用高强钢丝组成的钢铰线、钢丝绳和钢丝束。钢拉索按一定的规律布置可形成各种不同的体系，是结构的主要承重构件。其特点是只承受拉力，抗弯刚度很小。

因此，对集中荷载及不均匀的分布荷载（风、地震荷载）比较敏感。

2．边缘构件和支承结构：拉索结构都设有支承在下部支承结构上的边缘构件，它的细微变化，都会引起拉索内力的变化；支承结构除了承受竖向力以外，还承受拉索传来的横向拉力。因此，要求具有较强的侧向结构。一般说来，拉索自身的用钢量很小，而边缘构件和支承结构却要耗费较多的材料。

二．悬索的基本力学原理：

1．拉索是一个中心受拉构件，既无弯矩，也无剪力。由于索本身是一个非常柔软的构件，抗弯刚度可忽略不计，而且其形状随荷载的性质不同而变化。如图：

2．支座反力：如图：单跨悬索结构在竖向均布荷载作用下，悬索呈抛物线型，根据力学平衡原理：

∑N y=O, 则支座竖向反力：Va=Vb=1/2ql

∵索中任一截面的弯矩为零，则对跨中取矩，1/8 ql－fH＝0

∴H＝M0/f，或f＝M0/H（其中：M0为与索结构同跨等荷载的简支梁的跨中弯矩）

在图示荷载下，结论：索支座的水平力方向向外（为拉力），其值大小与索的垂度成反比，与跨度的平方成正比。当跨度及荷载一定时，垂度越小，水平拉力越大。因此，设计中应找出索结构的合理垂度，以处理好拉索的水平力的传递和平衡。

3．索的内力：如图：取任意截面，代之以索的拉力N（沿索的切线方向，与水平线夹角为α）。

∑X=O，N×COSα=H

∴N=H / COSα

由上式可以看出，索内的轴力在支座截面处最大，跨中截面时最小，为N= ql²/8ƒ，索的拉力同支座水平力一样，与跨度的平方成正比，与垂度ƒ成反比。

4．边缘构件的内力分析：边缘构件是拉索的支座，根据建筑平面和悬索屋盖类型的不同，边缘构件也可以有不同的形式。如：连续梁、桁架、环梁等。――（如前索结构示意图中的边缘构件为连续梁，在V和H的分别作用下，梁双向受弯）。

5．下部支承结构：根据支承形式的不同，支承边缘构件的下部支承结构的受力也不同。若为竖柱和斜拉锚索，则竖柱为受压构件，斜拉锚索为受拉构件。一般采用梁、桁架、拱、柱以及锚拉绳等。支承结构处的拉力在结构上的处理有下面几种形式：

（1）。水平结构：悬索结构两端可以直接锚固在竖向结构上，将力直接传给基础。但当――悬索间距较小，而竖向结构间距较大时。则必须在竖向结构顶部设置锚固悬索的水平结构。――

（2）。竖向结构：当密排悬索通过水平结构把索端拉力传给竖向结构，竖向结构就要承受索端拉力，其结构处理有如下几种方案

A。竖向反拱：索两端遥遥相对的两水平梁或桁架端头之间，设置抗压结构。

B．斜拉锚索：悬索两端支座下为压杆，也可以是纵墙、竖柱、斜柱、竖杆、斜杆相结合的三角架或三角板墙。总之，都是承压为主的构件。从其顶端向外引出斜拉索，直接锚固地下锚梁上，也可以锚固于地面锚墩上。但锚墩之下必须设置锚梁以防锚墩拔出，且锚墩内侧要设横梁顶住锚墩，以防其内移。如;1959西德多特蒙特园艺联合展览会展览大厅。

C．外侧斜撑：为了取消斜拉锚索，可以设置上端向外倾斜的撑杆。也可以取看台斜梁的方式（如：游泳馆）；也可以取斜撑杆方式（如：候机楼）；采用两不等高斜撑杆，斜撑杆下有水平推力，必须妥善解决（如：游泳池底的水平梁与看台斜梁连通，斜杆自身解决。D．横向结构：抗侧力的横向结构，可以取门式刚架方式，（如：奥地利维也纳许威夏特机场候机楼；西德法兰克福机场飞机库）

第三节悬索结构的结构形式

一．单层悬索结构

1．单曲面单层悬索结构（也称单层平行索系）：由许多单根拉索组成，表面为筒状凹面。所以，需从山墙排水。――

优点：传力明确，构造简单。

缺点：屋面稳定性差。抗风（吸力）能力小，为了保证屋面的稳定性，这种体系必须采用重屋面（一般为装配式钢筋混凝土屋面）。

这种形式的索的水平拉力不能在上部结构实现自平衡（连续跨的中间支座除外）。因此，一般采用前面讲过的A：通过具有足够水平刚度的竖向承重结构传至基础。B：拉索在柱顶改变方向直接通过拉锚传至基础。C：通过刚性水平构件集中传至抗侧力墙（利用山墙受压或设置扶壁实现力的平衡）

垂度一般取ƒ＝（1/20～1/50）L

世界上最早的单层索是1956年建成的德国乌柏特市游泳馆屋盖。

2．双曲面单层悬索结构（单层辐射索系）：通常用于圆形建筑平面。单层索网辐射状布置形成圆形或椭圆形平面。整个屋面形成一个旋转曲面。拉索的一端支承在周边柱顶的环梁上，