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，
另一端支承在中心内环梁上或柱上。

前者称为碟形悬索，后者称为伞形悬索。

――（排水）。

这种结构必须采用钢筋混凝土重屋面，并施加预应力。

最后形成一个旋转面壳体。

这种索系，在索拉力水平分量作用下，内环受拉，外环受压；内环、悬索、外环形成一个自平衡体系，受拉的外环采用钢材，受压的内环一般采用钢筋混凝土构件，才尽其用。

（目前，最大的碟形悬索结构是1967年美国的阿拉美达郡比赛馆屋盖，跨径128M）3．单层网状布置索系：网状布置的单层索系形成下凹的双曲平面，两个方向的索一般呈正交布置，可用于圆形，矩形等各种平面。

用于圆形平面时，与辐射式布置相比，省去了中心拉环，但边缘构件的弯矩大于辐射式布置，其屋面板规格较统一。

二．双层悬索体系：双层悬索体系是由一系列位于同一平面内（也可不在同一平面内）的承重索和曲率相反的稳定索组成，两者之间通过受拉钢索或受压撑杆连系，由于连系杆布置的方式不同，形成拉索桁架或索梁。

优点：稳定性好，整体刚度大，自重轻，节约材料，适用于采用轻屋面材料，（如：铁皮、铝板、石棉瓦等）和轻质高强的保温材料。

1．单曲面双层拉索体系（也称双层平行索系）：如图：承重索与稳定索在同一平面，也可不在同一平面（后者有利于屋面排水），双层索系的两端仍必须锚固在侧边构件上或通过锚索固定于基础上。

2．双曲面双层悬索结构（双层辐射索系）：均沿辐射方向布置，周边支承在受压的外环梁上（可设置一道或两道），一般中心设置受拉内环梁（此内环梁不仅受力复杂，而且耗费较多的钢材。

索系常用于圆形建筑平面，也可用于椭圆形、正多边形平面。

由于承重索与稳定索的关系不同，双层拉索体系形成的屋面形状有凸、凹、凸凹形等，其中凸与凸凹形对屋面排水有利。

3．双曲面交叉索网体系（鞍形索网）：有两组正交的、曲率相反的拉索直接叠交组成。

其曲面为双曲抛物面。

适用于各种建筑平面。

索系中下凹者为承重索，上凸者为稳定索。

一般是对稳定索施加预应力，使承重索张紧，以增强屋面刚度。

鞍形悬索屋盖刚度大，可以采用轻屋面，屋面排水容易处理，它适用于各种形状的建筑平面，应用广泛。

由于鞍形索网中每根索所受的拉力的大小及方向不同，使得其边缘构件内力复杂，其弯矩和扭矩都很大，因此，为了支承索网，保证索网的刚度，要求边缘构件要有强大的截面。

根据建筑平面的不同，索网的边缘构件的形式有如下几类：
（1）。

闭合空间曲梁：圆形和椭圆形的双曲抛物面索网多采用这种形式。

空间的曲梁可以设柱支承，也可直接放置在承重墙上。

这种边缘构件，索内水平力的分量由闭合曲梁承担，形成自平衡体系不下传。

因此，下部支承结构和基础得以简化。

（2）。

空间框架：菱形平面双曲抛物面索网的边缘构件，即为由直梁组成的空间框架。

其受力不如曲梁合理，在索的拉力作用下，将产生很大弯矩，从而给下部支承结构的设计带来麻烦，这种形式很少应用。

（3）拱：由于拱主要以轴向压力抵抗外荷作用，因此，其作为鞍形索网的边缘构件比较合理。

两拱倾斜交叉不直接落地时，要在交叉点设置剪力墙、扶壁柱或斜框架等以将交叉点处推力传至基础。

如图E（9-11）
（4）柔性边缘构件：即同样用拉索作为边缘构件。

如图：
第四节悬索屋盖的刚度
一．采用重屋面
即通过加重屋面荷载（如：采用钢筋混凝土屋面板、增加吊顶重量等）的方法。

当屋盖自重超过最大风吸力1.1～1.3倍时，即是安全的，屋面不会被掀起。

对于大风的瞬时作用，风吸力在边缘处最大，且常变换方向。

风吸力的位置也不断变化，而对这种急速强烈的风载变化，屋面的质量惯性反应却很微小。

故在满足上述屋盖自重要求下。

一般不会出现危险，但必须加强屋盖边缘构件与墙的联接，以抵抗屋盖边缘局部高的吸力。

大跨结构要求屋盖轻，增加屋盖自重以保证其结构稳定性实非上策，故应掌握其分寸，屋盖不宜过轻，也不宜过重。

二．预应力方案：
靠增加屋盖自重即使保证了结构稳定性，仍不能确保屋面刚度与抗裂性。

所以，有了预应力方案的提出：
1．1957年乌拉圭蒙特维多体育馆，碟形悬索屋盖。

直径94M，垂度8.9M，中间有个直径19.5M锥形钢框架作天窗内环。

外墙顶钢筋混凝土外环截面为1980X450MM，锚固着周圈256根悬索。

屋面为9000块扇形预制混凝土板，板边甩出钢筋挂在悬索上。

先用砖荷压在板上，达到超载50％后浇灌板缝，待板缝混凝土达到强度后卸掉砖荷，使板获得预应力。

其屋面水集中在中央，导入挂吊在屋面下四根落水管排于室外。

整个屋面成为一个圆形壳面。

这种壳板，稳定性大为提高，有很大刚度，能很好承受风的吸力和不对称荷载的作用，同时，使用期间屋面产生裂缝的可能性大大减少。

2．对悬索施加预应力：这种方案较合理。

一般是对双层钢索的上凸索（稳定索）施加预应力。

（承重索施加也可以），使索张紧并处于受拉状态；也可调整受压撑杆的长度，使上、下索均施加预应力。

其结果，同样可以增强悬索结构的刚度和稳定性。

而且，由于上、下索施加的预应力值不同，上、下索的松紧程度不同，其自振的固有频率不同，可以防止两层钢索的共振。

足够大的拉力提高了整个结构抵抗竖向荷载的能力及稳定性和抗震性。

3．预应力横向加劲单层索系：在平行布置的单层悬索上，把索锚固好以后，在索上敷设与索方向垂直的实腹梁或桁架等横向劲性，下压这些横向劲性构的两端，使之产生强迫位移后固定其位置，便在整个索与横向构件组成的体系内建立起预应力，形成了横向加劲单层索系屋盖结构，（有些书上称此为索－梁（桁架）体系。

横向加劲单层索系工作阶段分三个：第一阶段为锚固好的索上敷设横向构件；第二阶段为预应力阶段。

下压横向构件的两端产生强迫位移后，索与横向构件相互压紧，各索受力不再保持均匀，横向构件受索向上的作用呈上拱状态。

并承受负弯矩作用；第三阶段为荷载阶段，这一阶段的结构受力性能有很大变化，索与横向构件共同承担外加荷载作用，结构的刚度大大增加，尤其是横向构件能有效地分担和传递荷载，结构抵抗不均匀荷载作用地能力大大提高。

体系也由原来地平面受力状态改变为空间受力。

横向构件在所分配地荷载作用下，产生下挠地变形，内力方向和预应力方向相反，其中相当一部分与之抵消。

由于横向构件参与承担荷载，减轻了索的负担，索传给支承结构地水平力也随之减小。

此种结构型式不但受力合理，用料经济，而且施工比较方便。

施加预应力一般只需千斤顶、手动葫芦、板手等简单工具即可完成。

但应注意体系中施加地预应力应适中。

预应力能增大体系地刚度和稳定性；但过大地预应力势必加大索及支承结构地负担，它们分担大部分荷载，索的作用不能充分发挥，喧宾夺主，从而体现不出悬索体系的优越性；其刚度过柔，又起不到要求的加劲作用。

所以，各种条件的结构，其预应力值和横向构件的刚度应优化确定。

我国在世界上首先成功地将预应力横向加劲单层索系应用于工程实践，先后于1989年建成安徽省体育馆、潮州体育馆、上海杨浦区体育馆等工程。

三．改变索系：
1．改并列索系为辐射索系
2．改单层索系为双层索系
3．改单向索系为双向索系
第五节悬索结构的优缺点
一．优点：
1．受力合理，节省材料。

――
2．能跨越很大地跨度而不需中间支承，从而形成很大地建筑空间，利于建筑造型。

从受力性能来讲，圆形平面较其它形式地平面更为有利。

经济效果好。

3．施工方便且进度快。

――
4．可以创造具有良好地物理性能地建筑空间。

――
二．缺点：
1．屋盖稳定性能差。

2．承受索拉力地边缘构件和下部支承由于必须具有一定地刚度和合理地形式，耗费材料较多。