拉索在高层悬挂结构中的应用

拉索在高层悬挂结构中的应用
赵欢
【摘要】随着城市用地价格的越来越高，城市道路越来越拥挤，人们向往能够节
省土地，高效利用空间的建筑，高层悬挂结构满足了人类的这些要求。

拉索是最早应用在悬挂结构上的构件，但现有的高层悬挂结构主要由井筒、刚性大梁、吊杆以及各层楼板组成。

各层楼板内端支承在井筒上，外端由吊杆悬挂在由井筒伸出的吊架上，并没有拉索，如果将拉索应用在高层悬挂结构上，则可减少刚性大梁的负担，更加充分的发挥钢材的作用，钢材利用率增高，有利于节省材料成本。

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the rising of urban land price, urban road is more and more crowded, so people tend to favor the buildings which can save land and make efficient use of space, while high-rise suspended structure can meet these requirements. Inhaul cable is the earliest component used on the suspended structure, but the existing high-rise suspended structure is mainly composed of wellbore, rigid girder, derrick and floor. The inside
part of the floor is supported on the shaft, and the outside part is suspended on the hanger extended by the shaft without inhaul cable. If
the cable is used in high-rise suspended structure, the burden of the rigid girder can be reduced, so as to fully play the role of the steel, which is helpful to save the cost of materials.
【期刊名称】《价值工程》
【年(卷),期】2015(000)011
【总页数】2页(P153-154)
【关键词】拉索;高层悬挂结构;悬挂
【作者】赵欢
【作者单位】抚顺职业技术学院，抚顺113122
【正文语种】中文
【中图分类】TU323
1 悬挂建筑结构产生的背景
在人类的历史中，建筑始终占据着重要的地位。

早期的建筑只是为人类居住提供一个空间，使人类免受日晒雨淋的痛苦。

随着人类社会不断进步，建筑行业也飞快地发展，建筑不再仅仅是居住的场所，它还为人类提供饮食、会议、娱乐、生产、工作的空间。

建筑也不再只是一层的结构形式，于是我们有了多层建筑，为更多的人提供了居住空间。

随着城市建筑的飞速发展，城市用地的价格也越来越高，人们向往能够节省土地，更好更高效的利用空间的建筑。

为此，摩天大楼应运而生。

尤其在汽车业飞速发展的环境下，城市家庭汽车的保有量逐年增加，城市道路越来越拥挤，人们总是觉得道路越来越窄，能够提供给道路建设的用地越来越有限。

同时停车成为了城市需要面临的新问题。

如果可以尽可能地减少地面的使用量，而是增加空中空间的利用，那就可以即满足建筑的使用要求，又可以解决城市道路及停车的问题。

为此，我们需要一种新的结构形式——高层悬挂结构。

悬挂结构是将屋顶或各楼层悬挂在立柱上的建筑，又称悬吊式建筑。

这种建筑的特点是用分散的钢索和吊杆来承担屋顶和楼板的重量，从而能够充分发挥钢材的力学性能，增大结构跨度和减少材料用量，节省地面的占用量，并可使建筑的形式多样化。

悬挂结构的思想最早源于鸟类和昆虫的巢穴，这种悬挂在树枝上的巢穴，就是
鸟类和昆虫的“住宅”。

这种“住宅”相对安全，其他动物不容易接近，便于鸟类和昆虫出入。

人类最早的悬挂结构可以追溯到原始部落的房屋，这种房屋搁在几根粗大的树枝之间，同样是为了预防野生动物的侵害。

虽然没有将整座房屋挂在树上，但由于远离地面，可以归宿为最早的悬挂结构。

建筑是随着人类发展共同发展起来的。

现代意义的建筑始于砌体材料的应用，而真正高层结构的诞生要归功于钢材和混凝土两种材料以及电子计算机技术在建设结构上的应用。

高层悬挂式建筑结构是现代高层建筑结构的一种，主要由井筒、吊架或斜拉杆、吊杆和各层楼板构成，这种结构充分利用了各个构件的力学性能，传力路径明确合理，在底层楼面下形成较大的应用空间，建筑功能性优异，是一种发展前景良好的高层结构形式。

真正意义“吊”起来的悬挂理论出现在桥梁建筑中。

我国春秋战国时期的城市都采用护城河环绕的形式，而进入城中需要通过的吊桥就是最早的悬挂结构。

悬挂结构早期主要应用在跨度或空间较大的单层结构中。

在桥梁结构中有斜拉桥、悬索桥，在建筑结构中有体育场馆、机场、展览馆等。

这些建筑的大多是通过拉索将梁、桁架、薄壳或屋面板等刚性构件吊起并，锚固在立柱上。

荷载通过承载面传给拉索，再由拉索传给立柱，最终由立柱传至基础，完成了力的传递。

立柱是整个结构的支撑体，是结构承受各种荷载的主要构件。

拉索在承载面和立柱之间起到拉接的作用，是单层悬挂结构必不可少的构件。

2 拉索在悬挂建筑中的应用
在砌体结构中，所有的构件都由刚性材料制成，抗压性能良好，抗弯抗剪性能级差，容易发生脆性破坏，因而适应性有限，仅应用在层数较低，空间较小的建筑中。

在钢筋混凝土结构中，所有构件由钢筋混凝土材料制成，这种材料抗压、抗弯、抗剪性能均良好，发生破坏时，有预兆，是良好的延性材料，能应用于高层甚至超高层
建筑，但是空间适应能力有限。

钢结构的构件均由钢材制成，这种材料同样是抗压、抗弯、抗剪性能均良好，但长度过大时容易有失稳现象发生，与钢筋混凝土结构一样，可以应用于高层甚至超高层建筑，但是空间适应能力有限。

悬挂结构中立柱是由钢筋混凝土材料或钢结构材料制成，而拉索虽也是钢材制成的构件，但这种构件类似于绳索，是一种轻巧、高强、高效以及高技术含量构件，是预应力柔性构件，只有抗拉一种受力形式，不能抗弯和抗剪，材料的强度得到更大限度的发挥，因而悬挂结构在材料利用上更加充分。

斜拉桥、悬索桥都是将预应力索与立柱结合在一起，从而达到扩大跨度，更好地抵御风力和地震作用的目的。

现今世界上跨度最大的桥梁为日本的明石海峡大桥，于1998年4月5日通车。

大桥全长3911米，两座主桥墩跨度1991米，为悬索桥，两条主钢缆每条约4000米，直径1.12米，
由290根细钢缆组成，重约5万吨。

由于日本是个多地震、多台风的国家，所以
设计时是按可以大桥承受里氏8.5级强烈地震和抵抗150年一遇的80m/s的暴风设计的，也是世界上最昂贵的桥梁，是世界桥梁史上的奇迹。

英国伦敦的千年穹顶，是英国政府为了迎接21世纪而兴建的标志性建筑，与1999年完工，采用拉索张拉膜结构，跨度达到320m，是典型的单层悬挂结构。

这种结构由拉索的轴向拉伸抵抗外力作用，能够最充分的利用钢材的强度。

如果采用高强度材料的话，就能够大大减轻结构的自重，便于施工，可以比较经济地实现很大的跨度，因而悬索结构已经成为世界各地大跨度空间结构的主要结构形式。

3 拉索应用于高层悬挂建筑结构的可行性
高层悬挂结构主要由井筒、刚性大梁、吊杆以及各层楼板组成。

井筒常采用钢筋混凝土结构或钢结构。

各层楼板内端支承在井筒上，外端由吊杆悬挂在由井筒伸出的吊架上，荷载先有各层楼板传递到中心或两端的井筒上，再由井筒传至基础。

目前世界上最高的大型悬挂结构是1985年建成的香港汇丰银行，该建筑地面以上43层，高167.70米，采用5组桁架式悬挂结构，竖向传力构件为8组钢柱，每组4
根柱子。

该结构受力明确，吊杆采用了高强钢。

施工技术先进，采用了新型模板与脚手架，工作面多，大厦的核心筒和巨型柱先施工，水、电、电梯等设备先行安装，加快了施工进度。

虽然拉索在桥梁工程和单层悬挂结构中得到了广泛的应用，但是在高层悬挂结构中，并没有应用，如果将拉索应用在高层悬挂结构中，则可减少刚性大梁的负担，同时由于拉索是预应力柔性构件，可以更加充分地发挥钢材的作用，钢材利用率增高，有利于节省材料成本。

4 算例分析
一悬挂结构如图1、2所示，核心筒为钢筋混凝土结构，在顶部设有刚性大梁（1），顶部大梁挂有8个楼层，构件（2）为一般楼层框架梁，构件（4）、（5）为吊杆，悬挂框架底部由托梁（3）拖住。

图1为没有设置拉索的情况，图2为设置拉索的情况。

计算结构如表1、2。

5 结论
图1 悬挂结构（未设拉索）
图2 悬挂结构（设拉索）
表1 梁编号梁左端内力梁右端内力轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩1 未设拉索设
置拉索-28.32-2.67-11.93 3.07 64.35 29.22-28.32-2.67-71.93-56.93-61.44-51.57 2 未设拉索设置拉索-0.12 2.30-9.60-5.54 45.85 36.60-0.12 2.30-69.60-65.54-72.94-70.00 3 未设拉索设置拉索-110.15-110.12 337.16 337.13-596.30-596.24-110.15-110.12 277.16 277.13 325.19 325.15
表2 吊杆编号吊杆上端内力吊杆下端内力轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩4 未设
拉索设置拉索-71.93-81.65 28.32 27.39 61.44 51.57-71.93-81.65 28.32 27.39-23.52-30.61 5 未设拉索设置拉索-141.53-147.19 28.44 25.09 49.43 39.39-141.53-147.19 28.44 25.09-5.90-35.87
从梁受力情况来看，顶层刚性大梁（1）轴力、剪力、弯矩均有减少，尤其大梁左端弯矩减少非常明显，在结构中可以减少该刚性大梁的尺寸和钢筋用量。

框架梁（2）左端轴力、剪力、弯矩均减少较明显。

框架下端托梁（3）受力情况几乎没变，说明拉索距该托梁较远，对托梁受力没有影响。

从吊杆受力情况来看，吊杆（4）、（5）内力变化均不大，轴力反有增大的情况，但十分微弱。

拉索对吊杆的贡献是平衡了吊杆两端的弯矩，吊杆两端的弯矩的差值明显减少，吊杆（5）两端弯矩甚至几乎相等，使吊杆的配筋量明显减少，体现了经济性。

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