第8章_悬索结构
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悬索结构
第4讲：网壳结构 4－2
六、悬索体系的离散理论 （有限元分析法）
5.计算难点： 索系的成形计算，高度非线性； 预应力施加的精确模拟； 迭代法跟踪求解时，每一荷载增量步均应重新修正其刚 度矩阵，以消除几何非线性的影响误差； 只要荷载增量步划分合理，模型具有足够的边界约束， 一般情况下计算式收敛的。
第4讲：网壳结构 4－2
第4讲：网壳结构 4－2
四、双层索结构的计算要点
1.计算模型： 初始状态：承重索和稳定索已加预应力绷紧，但体系尚 未受外加荷载作用。故两根索的形状已知。 荷载状态：承受外加荷载 q (x) ，整个体系竖向位移 w(x) 上、下索的水平张力H1,H2,连杆内力r0 ( x ) → r ( x ) 。 分别列出上、下索平衡方程和变形协调方程（共4 个），求解4个未知数H1、H2、w、r。
第4讲：网壳结构 4－2
六、悬索体系的离散理论 （有限元分析法）
3.迭代求解策略： 由于索结构具有高度几何非线性，应按求解非线性方程 组的方法迭代求解，Newton-Raphson法是常用方法； 迭代法跟踪求解时，每一荷载增量步均应重新修正其刚 度矩阵，以消除几何非线性的影响误差； 只要荷载增量步划分合理，模型具有足够的边界约束， 一般情况下计算式收敛的。
第4讲：悬索结构 4－4
3.发展概况 北京工人体育馆圆形平面，直径94m，采用车幅式双 层索网体系。外环梁：2mx2m的钢筋混凝土；内环梁： 钢环梁，直径16m，高11m，由钢板和型钢焊成。 辐射状分布的上、下层索分别锚固于内、外环梁。 浙江人民体育馆建于1967年，屋盖平面为椭圆平 面，长径80m，短径60m。采用双曲抛物面正交索网结 构，长径方向垂度4.4m，短径方向垂度2.6m。 文革时期，屋盖的悬索结构陷入停顿。直到1980 年，成都城北体育馆的建设（D=61m，双层车辐式悬索 结构，比北京工人体育馆有所改进），拉开了我国悬 索结构的新的发展阶段。
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。
悬索结构
北京工人体育馆
建于1961年，是我国悬索结构的代表作。屋盖形如自行 车轮，圆形屋盖采用车幅式双层悬索体系，直径达94m。
体育馆平面图 体育馆剖面图
第三节 悬索结构的型式与建筑实例
三、马鞍形悬索结构
第四节 悬索结构的柔性和屋面材料
一、最大特点 • 轻（30kg/m2，而薄壳达150kg/m2） • 软（被风掀起，可能产生共振） 二、如何扬长避短 • 选择合理的结构选型：双曲面悬索结构比 单曲面型的刚度和稳定性都较好； • 对悬索施加预应力。 三、屋面材料 • 轻质板材：木板、铝合金板、塑料板、轻 质混凝土板、钢丝网水泥板等。
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： 采用重屋面 采用预应力钢筋混凝土悬挂薄壳 采用横向加劲构件
3 双层悬索结构
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
悬索结构
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内容:
第一节 悬索结构的特点 第二节 悬索结构的组成和受力特点 第三节 悬索结构的型式与建筑实例 第四节 悬索结构的柔性和屋面材料
悬索桥
是一种古老桥型。早期 制索材料为藤条、竹子、 皮革、铁链等。至今我 国四川灌县安澜竹索桥 仍保持着原始的风貌。
建于公元1705年的四川 大渡河的泸定铁索桥， 主跨达103m，很可能 是当时世界跨度最大的 悬索桥。 该桥已属于第一批国家 保护的重要文物。
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206m
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。
悬索结构
吊索
主要的传力构件，柔性，可刚，直吊和斜吊
索塔
承重构件，恒载和活载大部分由主缆通过索塔传倒塔墩和基础，并承受 作用于塔身、加劲梁及主缆上的风力。
锚碇
将主缆的拉力传给地基。 重力式和隧洞式
鞍座： 塔顶鞍座
塔顶鞍座：将主缆传来的竖向力均匀分散到塔柱顶截面
主缆支架鞍座：改变主缆方向，分离主缆，引至锚固位置。 桥面
屋盖采用直径94m的圆形双层轮辐式悬索结构，中央钢 环直径16m，高11m，上下两层各有144束钢索， 目前 仍是我国跨度最大的悬索屋盖结构。 成都城北体育馆（圆形，直径61m）。
2双层悬索结构
双层双向悬索结构
将平面索桁架沿相互正交的两个方向布置 在动荷载作用下，具有较好的抗震性能 预应力双层悬索结构 承重索下凹，稳定索上凸，均受拉。 具有良好的结构刚度和形状稳定性，抗震性能较好。 张拉承重索和 / 或稳定索，均能提高结构刚度和形状稳定 性 布置方式有平行，辐射，网状
由柔性悬索与刚性构件组成 索拱体系，吊挂式混合结构，斜拉式混合结 构
8.3
悬索桥简介
桥面支承在悬索（通常称大缆）上的桥称为 悬索桥。
英文为Suspension Bridge，是“悬挂的桥梁”之 意，故也有译作“吊桥”的。 “吊桥”的悬挂系 统大部分情况下用“索”做成，故译作“悬索 桥”，但个别情况下，“索”也有用刚性杆或键 杆做成的。 简陋的只供人、畜行走用的悬索桥常把桥面直接 铺在悬索上。通行现代交通工具的悬索桥则不行， 为了保持桥面具有一定的平直度，是将桥面用吊 索挂在悬索上。
悬索桥世界之最
1 明石海峡大桥
1991m，日 本 1998， 桁架，上公6下铁2
2 大带桥(Great Belt)
悬索结构介绍
第8章 悬索结构 3 悬索结构的型式 3.2 双层悬索体系
承重索和稳定索均沿辐射方向 布臵，周围支承在周边柱顶的受压 2）双曲面双层拉索体系 环梁上，中心则设臵受拉内环梁。 整个屋盖支承于外墙或周边的柱上。 根据承重索或稳定索的关系所形成 的屋面可为上凸、下凹或交叉形， 相应地在周边柱顶应设臵一道或两 道受压环梁。 通过调整承重索、 稳定索或腹杆的长度并利用中心环 受拉或受压，也可以对拉索体系施 加预应力。 图8-3-14 双曲面双层拉索体系
双曲面、单曲面双层索模型
第8章 悬索结构 3 悬索结构的型式 3.2 双层悬索体系
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)单层外环梁网状布臵 e)双层外环梁网状布臵
第8章 悬索结构 3 悬索结构的型式 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。
图8-3-3 德国乌柏特市游泳馆
1）锚固在足够重的大体积混凝土图a； 第 章 悬索结构 28 ）利用底板及回填土自重抵抗拉力图 b； 3）锚固于受拉摩擦桩或受弯摩擦桩上图c； 3 悬索结构的型式 4）锚固在岩石层的钻孔中。
3.1 单层悬索体系
图8-3-4 拉锚的锚固
图为德国多 特蒙的展览大厅， 屋盖跨度为80m， 单曲单层悬索结 构，悬索拉力通 过斜柱拉锚至地 下基础。屋盖采 用普通混凝土肋 加浮石混凝土屋 面板，以保证悬 索的稳定性。
第8章 悬索结构 3 悬索结构的型式 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 1）单曲面单层拉索体系(跨度可达80m ，德国多特蒙 承受悬索拉力 特一展览厅，1956)
建筑结构选型总复习、作业及答案
建筑结构选型总复习、作业及答案第一章梁1.梁按支座约束分为：静定梁和超静定梁，根据梁跨数的不同，有单跨静定梁或单跨超静定梁、多跨静定梁或多跨连续梁。
2.简述简支梁和多跨连续梁的受力特点和变形特点？答：简支梁的缺点是内力和挠度较大，常用于中小跨度的建筑物。
简支梁是静定结构，当两端支座有不均匀沉降时，不会引起附加内力。
因此，当建筑物的地基较差时采用简支梁结构较为有利。
简支梁也常被用来作为沉降缝之间的连接构件。
多跨连续梁为超静定结构，其优点是内力小，刚度大，抗震性能好，安全储备高，其缺点是对支座变形敏感，当支座产生不均匀沉降时，会引起附加内力。
（图见5页）3.悬挑结构的特点：悬挑结构无端部支撑构件、视野开阔、空间布置灵活。
悬挑结构首要关注的安全性是：倾覆、承载力、变形等。
4．抗倾覆力矩/倾覆力矩>1.55.悬挑结构倾覆力矩的平衡方式：上部压重平衡；下部拉压平衡；左右自平衡；副框架平衡第二章桁架结构1.桁架结构的组成：上弦杆、下弦杆、斜腹杆、竖腹杆2.桁架结构受力计算采用的基本假设：（1）组成桁架的所有各杆都是直杆，所有各杆的中心线（轴线）都在同一平面内，这一平面称为桁架的中心平面。
（2）桁架的杆件与杆件相连接的节点均为铰接节点。
（铰接只限制水平位移和竖向位移，没有限制转动。
）（3）所有外力（包括荷载及支座反力）都作用在桁架的中心平面内，并集中作用于节点上（节点只受集中力作用）3.桁架斜腹杆的布置方向对腹杆受力的符号（拉或压）有何关系？答：斜腹杆的布置方向对腹杆受力的符号（拉或压）有直接的关系。
对于矩形桁架，斜腹杆外倾受拉，内倾受压，竖腹杆受力方向与斜腹杆相反，对于三角形桁架，斜腹杆外倾受压，内倾受拉，而竖腹杆则总是受拉。
（图见11页）4.按屋架外形的不同，屋架结构形式有几种？答：三角形屋架，梯形屋架，抛物线屋架，折线型屋架，平行弦屋架等。
5.屋架结构的选型应从哪几个方面考虑？答：（1）屋架结构的受力（2）屋面防水构造；（3）材料的耐久性及使用环境；（4）屋架结构的跨度。
悬索结构
悬索结构的工程实例
北京 工人 体育 馆
美国雷里竟技馆
在许多悬索结构中， 在许多悬索结构中， 美国明尼亚波利斯 (Minneapolis)联邦储 Minneapolis) 备银行大厦的结构设 计很有特色。 计很有特色。 此银行为一座11层 此银行为一座11层 83. 大楼，跨度达83 大楼，跨度达83.2m， 用悬索（ 用悬索（ Suspended Cable）作为主要承重结构， Cable）作为主要承重结构， 悬索锚固在两侧的两个筒体结构上， 悬索锚固在两侧的两个筒体结构上，筒体承受大楼的全部竖向 荷载。柱顶设有大梁，以平衡悬索在柱顶产生的水平力， 荷载。柱顶设有大梁，以平衡悬索在柱顶产生的水平力，整 个大楼就悬挂在悬索和顶部大梁上。 个大楼就悬挂在悬索和顶部大梁上。索的水平力将由柱顶大 梁来平衡，相当于给大梁施加一个压力。可以看出， 梁来平衡，相当于给大梁施加一个压力。可以看出，只要精 心调整索对大梁的偏心距，可以大大减小大梁的弯矩。 心调整索对大梁的偏心距，可以大大减小大梁的弯矩。
增加悬索结构上的荷载
形成预应力索— 形成预应力索—壳组合结构
索，梁或索，桁架组合结构 梁或索，
张拉索结构
上海杨浦大桥张拉索结构 （Tension-Cable Structure ） 以高强钢丝、 以高强钢丝、钢绞线为主要 承重结构， 承重结构 ， 是超大跨度结构的 主要形式。张拉索结构按其拉 主要形式。 索的布置也可分为多种形式： 索的布置也可分为多种形式： ( 一 ) 斜 拉 索 结 构 （ Diagonal Tension-Cable Structure ） 这种结构以直线形斜拉索为 水平结构提供中间支座。 水平结构提供中间支座 。 左图 上海杨浦大桥(主跨为 主跨为602m) 为 上海杨浦大桥 主跨为 典型的斜拉索结构。 典型的斜拉索结构。
建筑概论第8章 大跨建筑简介
薄膜材料具有优良的力学特性，膜材只承受沿膜面的张力，因而可充分发挥材 料的受拉性能，同时，膜材厚度小，重量轻，—般厚度在0.5～0.8mm，重量约为 0.005～0.02N/m2，采用拉力薄膜结构和充气薄膜结构的屋盖，具自重约为0.02～ 0.15kN/m2，仅为传统大跨度屋盖自重的1/10～1/30,是跨度重量比最大的一种结构。
中国国家游泳中心，平面尺寸177m×177m，是世界上最大的膜结构工程，总 建筑面积65000～80000平方米，见图8-33。除地面外，外表面都采用了膜材料— ETFE。
图30 阿拉伯塔酒店图
图31 水立方
（六）充气结构
充气结构是由薄膜材料制成的构件充入空气后形成的结构，具有自重轻、跨 度大、构造简单、建造方便外形灵活等优点。
图3 德国法兰克福机场机库
图4 马拉卡拉体育场
（5）首都人民大会堂，采用的是钢屋架，跨度达到60m，南北长336米，东西宽 206米，高46.5米，占地面积15万平方米，建筑面积17.18万平方米。比故宫的全 部建筑面积还要大。见图5。 （6）北京奥运会主场馆“鸟巢”，目前是世界上跨度最大的钢结构建筑，外形像 鸟巢，立面与结构达到了完美的统一，工程主体建筑呈空间马鞍椭圆形，南北长
深圳龙岗商业中心建筑面积114300平方米，2003年开工兴建，是我国也是 世界上第一个充气悬浮的建筑，见图32。
图32 深圳龙岗商业中心
（七）应力蒙皮结构
应力膜皮结构一般是用钢质薄板做成很多块各种板片单元焊接而成的空间结 构。
1959年建于美国巴顿鲁治的应力膜皮屋盖，是第一个应力蒙皮大跨结构。屋 盖直径为117m，高35.7m，由一个外部管材骨架形成的短程线桁架系来支承804 个双边长为4.6m的六角形钢板片单元，钢板厚度大于3.2mm，钢管直径为 152mm，壁厚3.2mm，见图33。
中国国家游泳中心，平面尺寸177m×177m，是世界上最大的膜结构工程，总 建筑面积65000～80000平方米，见图8-33。除地面外，外表面都采用了膜材料— ETFE。
图30 阿拉伯塔酒店图
图31 水立方
（六）充气结构
充气结构是由薄膜材料制成的构件充入空气后形成的结构，具有自重轻、跨 度大、构造简单、建造方便外形灵活等优点。
图3 德国法兰克福机场机库
图4 马拉卡拉体育场
（5）首都人民大会堂，采用的是钢屋架，跨度达到60m，南北长336米，东西宽 206米，高46.5米，占地面积15万平方米，建筑面积17.18万平方米。比故宫的全 部建筑面积还要大。见图5。 （6）北京奥运会主场馆“鸟巢”，目前是世界上跨度最大的钢结构建筑，外形像 鸟巢，立面与结构达到了完美的统一，工程主体建筑呈空间马鞍椭圆形，南北长
深圳龙岗商业中心建筑面积114300平方米，2003年开工兴建，是我国也是 世界上第一个充气悬浮的建筑，见图32。
图32 深圳龙岗商业中心
（七）应力蒙皮结构
应力膜皮结构一般是用钢质薄板做成很多块各种板片单元焊接而成的空间结 构。
1959年建于美国巴顿鲁治的应力膜皮屋盖，是第一个应力蒙皮大跨结构。屋 盖直径为117m，高35.7m，由一个外部管材骨架形成的短程线桁架系来支承804 个双边长为4.6m的六角形钢板片单元，钢板厚度大于3.2mm，钢管直径为 152mm，壁厚3.2mm，见图33。
悬索结构
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工程实例 ◆北京工人体育馆
下索采用72φ5 ㎜平行钢丝束，共 144根，垂跨比为 1/15.7；上索采用 72φ5㎜平行钢丝 束，共144根，拱 跨比为1/19；中心 钢环直径16㎜，高 11.0m。
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工程实例 ◆北京工人体育馆
北京工人体育馆车辐式悬索屋盖，在下部框架 和外环浇筑完成后，经历了如下几个施工步骤：
安装钢内环→ 安装钢索→下索就位并建立下索 初应力→内环就位→施加预张力→铺设屋面
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工程实例 ◆吉林滑冰馆
工程实例 ◆吉林滑雪馆
屋盖采用 平行布置的 预应力双层 悬索体系， 承重索与稳 定索沿短向 并相互错开 半个柱间布 置。
工程实例 ◆吉林滑雪馆
该屋盖体系的优点： 承重索与稳定索在竖向交叉，节省了结构空间； 中间的筒形与两边的波形屋面很好的解决了矩 形悬索屋面通常遇到的排水问题； 两边的支承结构与波形屋面结合形成空间框架， 既增强了结构刚度，又做到了与新颖的建筑造 型的有机结合。
钢索的防护：
⑴灌水泥浆法；钢索张拉后，在钢套管内进行压力灌浆， 钢套管外表面刷防锈漆； ⑵涂油裹布法：钢索表面涂防锈油脂，裹麻布或玻璃 布。 ⑶涂油包塑法：采用机械化涂抹防锈油脂并外包热挤 成型的高密度聚乙烯（PE）套管。必要时，可在整束钢管 上加包PE套管，采用双层做法。一般内层PE套管厚1.2㎜， 外层厚0.4~～0.8㎜。 ⑷PE料包覆法：钢索用PE料进行包覆。 ⑸多层防护做法：采用镀锌钢绞线或涂环氧钢绞线， 再灌水泥浆或者涂油包塑，在无粘结钢绞线束外加钢套管 或PE套管，内灌水泥浆或液体氯丁橡胶。 钢索的防护做法应根据钢索所在的部位，使用环境及 具体的施工选用 。不论采用哪种方法，在钢索防护前均 应进行除污除锈工作。
第8章_悬索结构
第8章 悬索结构 8.3 悬索结构的型式 8.3.2 双层悬索体系 双层悬索体系是由一系列承重索和相反曲率的稳定索所组 成。每对承重索和稳定索一般位于同一竖向平面内，二者之间通过
受拉钢索或受压撑杆连系，连系杆可以斜向布臵，构成犹如屋架的结 构体系，故常称为索桁架；连杆也可以布成竖腹杆的形式，当为圆形 建筑平面时，常设中心内环梁。
Central South University of Forestry & Technology
第8章 悬索结构 8.1 概述 8.1.3 悬索结构的发展 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2m X2m的钢筋 混凝土圈梁、中央钢环，以及辐射布臵的两端分别锚定于 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。
第8章 悬索结构 8.2 悬索的受力与变形特点 8.2.3 索的变形 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 图8-2-2 悬索结构的变形 中荷载，形成索多 边形； 悬索自重作用时， 悬索承受均布竖向荷载，形成抛物线； 处于自然悬垂状态， 悬索承受的竖向荷载自跨中向两侧增加时， 形成椭圆。 为悬链线；
图8-3-1 单曲面单层拉索水平力的平衡
Central South University of Forestry & Technology
第8章 悬索结构 8.3 悬索结构的型式 8.3.1 单层悬索体系 图a为丹东体 育馆的主体结构 示意图。该体育 馆为两悬索结构， 悬索一端锚固在 中间的刚架横梁 上，另一端即锚 固再看台斜柱框 架的柱顶，b为看 台斜框架的结构 计算简图。
悬索结构谢尚
意大利南部凡纳弗罗市M&G研究试验室
北京工人体育馆——我国第一座悬索屋盖结构建筑
北京工人体育馆建成 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2m X2m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。
悬索结构的受力及变形特点
悬索为轴心受拉构件 在竖向荷载作用下，支座处的水平拉力与悬索的垂度成 反比 索内轴力与cosα (该处索的切向与水平方向的夹角的余 弦值)成反比。——与水平向的夹角越大，轴力越大
悬索的变形
悬索结构的形式
分类：
按屋面几何形式的不同：单曲面、双曲面 按拉索布置方式的不同：单层悬索体系、双 层悬索体系、交叉索网体系（鞍形索网体系）
悬索结构的优缺点
优点：
轴向拉伸抵抗外荷载作用，充分利用钢材强度; 便于建筑造型，容易适用于各种平面; 施工方便，费用低； 创造良好物理性能的建筑空间。
缺点：
稳定性差，单索是几何可变体 边缘构件和下部支撑结构耗材多
金门大桥包括从 钢塔两端延伸出 去的部分，全长 达2000米，为此， 又分别在两侧修 建了两座辅助钢 塔，使桥形更加 壮观。大桥的桥 面宽27.4米，有6 条车行道和两条 宽敞的人行道。 钢塔之间的大桥 跨度达1280米， 为世界所建大桥 中罕见的单孔长 跨距大吊桥之一。
拉锚的锚固
图 德国多特蒙德展览大厅
单层双曲悬索结构
单层悬索结构实例
悬索结构上
表面比较平滑，柔软性好，耐 磨损，使用寿命长；但是容易 松散和扭折。主要用于开采和 挖掘设备。
兼具以上两种方法的优点，但 是制造困难。主要用于起重设 备中。
57
➢ 密封钢丝绳
Locked coil type wire rope
截面含钢率较高，张拉刚度 （EA）较高。
采用平行布置的预应力双层悬索体系，承重索与稳定索 沿短向并相互错开半个柱间布置。
精选课件
25
北京朝阳体育馆
Chaoyang Gymnasium, Beijing, 1990
• 近椭圆形，69m×78m • 中央索拱体系+两片鞍形索网 • 拱跨度57m，索跨度59m • 耗钢量52.2kg/m2
精选课件
40
进阶理解1：悬索结构的几何非线性
2L0
初始状态 T0 T, L
θ ∆
T, L
荷载状态
2P
平衡方程： P T sin T
L
T
T0
EA
L
L0 L0
T T0 EA( 1 1 )
LL
L0 L
精选课件
41
P T T LL
T0 L
1 EA(
L0
1 L
)
几何刚度
KG T0 L
精选课件
21
精选课件
22
首都工人体育馆
The Workers’ Gymnasium, Beijing, 1961
• 结构形式：车辐式双层索系 • 建筑面积：42000平方米 • 圆形平面：D=94m • 耗钢量：54kg/m2
精选课件
该结构设计在当时达到了 很好的技术经济指标，受到 国内、外工程界的好评。迄 今为止，仍是我国跨度最大 的悬索屋盖结构。
兼具以上两种方法的优点，但 是制造困难。主要用于起重设 备中。
57
➢ 密封钢丝绳
Locked coil type wire rope
截面含钢率较高，张拉刚度 （EA）较高。
采用平行布置的预应力双层悬索体系，承重索与稳定索 沿短向并相互错开半个柱间布置。
精选课件
25
北京朝阳体育馆
Chaoyang Gymnasium, Beijing, 1990
• 近椭圆形，69m×78m • 中央索拱体系+两片鞍形索网 • 拱跨度57m，索跨度59m • 耗钢量52.2kg/m2
精选课件
40
进阶理解1：悬索结构的几何非线性
2L0
初始状态 T0 T, L
θ ∆
T, L
荷载状态
2P
平衡方程： P T sin T
L
T
T0
EA
L
L0 L0
T T0 EA( 1 1 )
LL
L0 L
精选课件
41
P T T LL
T0 L
1 EA(
L0
1 L
)
几何刚度
KG T0 L
精选课件
21
精选课件
22
首都工人体育馆
The Workers’ Gymnasium, Beijing, 1961
• 结构形式：车辐式双层索系 • 建筑面积：42000平方米 • 圆形平面：D=94m • 耗钢量：54kg/m2
精选课件
该结构设计在当时达到了 很好的技术经济指标，受到 国内、外工程界的好评。迄 今为止，仍是我国跨度最大 的悬索屋盖结构。
2012年一级建造师《建筑》：悬索结构
悬索结构
悬索结构，是⽐较理想的⼤跨度结构形式之⼀，在桥梁中被⼴泛应⽤。
⽬前，悬索屋盖结构的跨度已达160m，主要⽤于体育馆、展览馆中。
悬索结构的主要承重构件是受拉的钢索，钢索是⽤⾼强度钢绞线或钢丝绳制成。
1）悬索结构的受⼒特点
悬索结构包括三部分：索、边缘构件和下部⽀承结构。
索⾮常柔软，其抗弯刚度忽略不计。
索的形状随荷载性质⽽变。
索是中⼼受拉构件，既⽆弯矩也⽆剪⼒。
⽔平反⼒为H，⽅向是向外的。
索的拉⼒取决于跨中的垂度，，垂度越⼩拉⼒越⼤。
索的垂度⼀般为跨度的1／30.索的合理轴线形状随荷载的作⽤⽅式⽽变化。
2）悬索的类型及实例
悬索结构可分为单曲⾯与双曲⾯两类。
单曲拉索体系构造简单，屋⾯稳定性差。
双曲拉索体系，它由承重索和稳定索组成。
⽀承结构可以有很多种，如框架、拱等。
北京⼯⼈体育馆，为圆形悬索结构，可容纳15000名观众。
⽐赛⼤厅直径94m，周围为四层框架结构，宽7．5m，主要为附属⽤房及休息廊。
悬索结构PPT教案
悬索结构
会计学
第1页/共62页
1
图6.3-1 美国Raleigh竞技馆
第2页/共62页
悬索结构的类型
Basic Types of Cable-suspended Structures
1.单层悬索加重屋面 Single-Layer Cable System with Heavy (R.C.) Slabs
第28页/共62页
圆形平面双层索系实例
Examples of Double-layer Cable System with Circular Plan
前苏联列宁格勒体育馆结构简图 第29页/共62页
圆形平面双层索系实例
Examples of Double-layer Cable System with Circular Plan
2.预应力“悬挂薄壳” Pre-stressed “Suspended Shell”
3.预应力双层索系 Double-Layer Counter-Stressed Cable System
4. 预应力索网 Pre-stressed Cable Net 5. 劲性悬索 Suspended “Rigid Cables” 6. 横向加劲平行索系——索-梁(桁)体系
第19页共62页图634单向双层悬索体系第20页共62页平面双索系统实例examplesplanedoublecablesystem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第21页共62页瑞典斯德哥尔摩约翰尼绍夫滑冰场平面双索系统实例examplesplanedoublecablesystem芬兰赫尔辛基冰上运动场第22页共62页吉林滑冰馆jiliniceskatingrinkchina第23页共62页吉林滑冰馆预应力空间双层索系spatialdoublelayercablesystemjiliniceskatingrink第24页共62页2辐射式悬索结构又叫做车辐式悬索结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间可以设腹杆也可不设图636355
会计学
第1页/共62页
1
图6.3-1 美国Raleigh竞技馆
第2页/共62页
悬索结构的类型
Basic Types of Cable-suspended Structures
1.单层悬索加重屋面 Single-Layer Cable System with Heavy (R.C.) Slabs
第28页/共62页
圆形平面双层索系实例
Examples of Double-layer Cable System with Circular Plan
前苏联列宁格勒体育馆结构简图 第29页/共62页
圆形平面双层索系实例
Examples of Double-layer Cable System with Circular Plan
2.预应力“悬挂薄壳” Pre-stressed “Suspended Shell”
3.预应力双层索系 Double-Layer Counter-Stressed Cable System
4. 预应力索网 Pre-stressed Cable Net 5. 劲性悬索 Suspended “Rigid Cables” 6. 横向加劲平行索系——索-梁(桁)体系
第19页共62页图634单向双层悬索体系第20页共62页平面双索系统实例examplesplanedoublecablesystem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第21页共62页瑞典斯德哥尔摩约翰尼绍夫滑冰场平面双索系统实例examplesplanedoublecablesystem芬兰赫尔辛基冰上运动场第22页共62页吉林滑冰馆jiliniceskatingrinkchina第23页共62页吉林滑冰馆预应力空间双层索系spatialdoublelayercablesystemjiliniceskatingrink第24页共62页2辐射式悬索结构又叫做车辐式悬索结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间可以设腹杆也可不设图636355
索膜结构
1. 风荷载
体形系数 我国即将颁布的悬索结构技术规程提供了矩形、 圆形、椭圆形等规则平面悬索屋盖的风荷载体形系 数。 由于悬索结构往往体形复杂多样，同时要考虑周 边环境的影响，因此对于重要的悬索结构工程，一 般采用风洞试验来确定体形系数。 对于轻型屋面应考虑脉动风压影响。
2. 地震作用
我国即将颁布的悬索结构技术规程规定，当设防 烈度为8度或8度以下，一般跨度的单层悬索体系、双 层悬索体系及横向加劲悬索体系可采用振型分解反应 谱法进行地震响应分析。
ds 将 qz q 代入方程 dx d 2z H qz 0 2 dx
qds q z dx
q
q
q
qz q
2
dz dz H q 1 0 dx dx
结合边界条件得一悬链线方程
2
ds ds qz q dx dx q x q
吊塔及斜拉索
三．钢索材料 1. 平行钢丝束
通常由 7 根、 19 根、 37 根和 61 根相互平行的直径为 4mm或5mm的高强钢丝组成。
2. 钢绞线
一般由 7 根钢丝捻成， 1 根在中心，其余 6 根围绕中 心钢丝按同一方向缠绕而成。
3. 钢缆绳
一般由7股钢绞线捻成，1股在中心，其余6股围绕 中心钢绞线按同一方向缠绕而成。
物理关系
始态到终态张力增量对s的影响 T T T0，相应H H H 0 ds 0 T H dx 据基本假定，索在微小段ABds0 上的产生的
T 索长增量为d sT ds0，则 EA T H ds0 sT ds0 ds0 s0 EA s0 EA dx
变形协调
将z、z0与竖向荷载的关系式
M 0 x c0 dz0 V0 c0 z0 x H0 l0 dx H 0 l0 M x c dz V c z x H l0 dx H l0
悬索结构读书笔记
悬索结构读书笔记悬索结构是由柔性受拉索及其边缘构件所形成的承重结构。
因为索主要承受轴向拉力，可以最大限度的利用钢材的强度，如果再配以高强轻质的材料，可以大大减轻结构自重，经济的跨越很大的跨度。
悬索结构也是二战后发展起来的：由于钢的强度很高，很小的截面就能够承受很大的拉力，因而早在本世纪初就开始用刚索来悬吊屋顶结构。
当时，这种结构还处于幼年时代，悬索在风力的作用下容易产生震动或失稳，一般只用在临时性的建筑中。
二次大战后，一些高强度的新品种钢材相继问世．其强度竞超过普通钢几十倍，但刚度却大体停留在原来的水平上，最合逻辑的方法就是以受拉的传力方式来代替受压的传力方式．悬索结构正是在这种情况下应运而生的。
悬索结构主要是由三部分组成：悬索系统、覆盖系统和支撑系统。
悬索系统是悬索屋盖中跨越水平距离，形成大空间的重要构件，通常由一系列按一定规律布置的高强度钢索及附件组成。
悬索系统起着构建屋面形状。
承担屋面荷载并将其传至支撑结构的作用。
覆盖系统位于索系之上，覆盖系统的作用就是形成一个保温、隔热、防水的面层。
完成屋盖本身的建筑功能。
支撑系统是由圈梁或水平横梁、立柱或拱等构件组成，它承受悬索系统传来的荷载，并将它们传向基础。
土木工程中悬索结构的形式主要有：单层悬索结构，双层悬索结构，索网结构。
单曲面单层悬索结构形成下凹的单曲率曲面，一般用于矩形平面的单跨建筑。
悬索在均布荷载作用下必然下垂而呈悬链曲线的形式，索的两端不仅会产生垂直向下的压力，而且还会产生向内的水平拉力。
单向悬的稳定性很差，特别是在风力的作用下，容易产生振动和失稳。
悬索结构在结构上的特点：1，索中只受拉力，既无弯矩，也无剪力，受力简单，抗弯刚度为0，当仅有自重作用时处于自然悬挂状态，受集中力作用时，自动形成悬吊折线形。
2，悬索结构通过索的轴向受拉来抵抗外荷载的作用，可以最充分地利用钢材的强度。
3.可以创造具有良好物理性能的建筑空间。
4.悬索屋盖结构的稳定性较差，柔性悬索只能单向受力，当荷载和垂直度方向相反时会发生失稳。
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gl2 M 0 H 8f f
gl VA VB 2
6
第八章 悬索结构
8.2悬索的受力与变形特点
8.2.2 索的拉力
H N cos
N min gl H 8f
2
索的轴力在支座截面（
在跨中截面（ 0 ）时为最小。 索的拉力与跨度l的平方成正比，与垂度f成反比。
7
值最大）为最大，
吉林滑冰馆屋盖结构形式
22
第八章 悬索结构
8.3悬索的结构形式
8.3.2 双层悬索体系
2.双曲面双层拉索体系
成都市城北体育馆钢索布置
23
第八章 悬索结构
8.3悬索的结构形式
8.3.3 双叉索网体系：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，下凹索承重、上凸索为稳定索。
第八章 悬索结构
8.2悬索的受力与变形特点
8.2.3 悬索的变形----索的变形随荷载的不同而改变
8
第八章 悬索结构
8.2悬索的受力与变形特点
8.2.3 悬索的变形----索的变形随荷载的不同而改变 1. 悬索是一个轴心受拉构件，既无弯矩也无剪力。
2. 悬索承受单个集中荷载，形成三角形；
3. 悬索承受多个集中荷载，形成索多边形； 4. 悬索自重作用时，处于自然悬垂状态，为悬链线； 5. 悬索承受均布竖向荷载，形成抛物线； 6. 悬索承受的竖向荷载自跨中向两侧增加时，形成椭圆。
8.3悬索的结构形式
8.3.1 单层悬索体系
两 跨 悬 索 结 构
某体育馆主体结构示意图
13
第八章 悬索结构
8.3悬索的结构形式
8.3.1 单层悬索体系
德国乌柏特市游泳馆
德国多特蒙德展览大厅
14
第八章 悬索结构
8.3悬索的结构形式
8.3.1 单层悬索体系 2.双曲面单层拉索体系：也称单层辐射索系。常用于圆形平面， 索辐射状布置，屋面形成一个旋转曲面。
8.4悬索结构的稳定
8.4.3 形成索—梁 或所—桁架组合结构
安徽省体育馆的所-桁 架组合屋盖结构：
28
第八章 悬索结构
8.4悬索结构的稳定
8.4.3 形成索—梁 或所—桁架组合结构
安徽省体育馆的所-桁 架组合屋盖结构：
29
第八章 悬索结构
8.4悬索结构的稳定
8.4.4 增设相反曲率的稳定索
即为双层拉索体系或交叉索网体系：通过调 整受拉钢索或受压撑杆的长度，可对悬索体 系施加预应力，使承重索和稳定索内始终保 持足够大的拉紧力，提高了整个体系的稳定 性和抗震能力。
德国乌柏特市游泳馆
15
第八章 悬索结构
8.3悬索的结构形式
8.3.1 单层悬索体系
2. 双 曲 面 单 层 拉 索 体 系
淄博长途汽车站伞形悬索结构
16
第八章 悬索结构
8.3悬索的结构形式
8.3.2 双层悬索体系 由一系列下凹的承重索和上凸的稳定索，以及之间的联系杆组成。
双层悬索体系
17
ห้องสมุดไป่ตู้
第八章 悬索结构
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。
5
第八章 悬索结构
8.2悬索的受力与变形特点
8.2.1 索的支座反力 1）悬索支座受到水平拉力作用，大小等于同跨简支梁跨中弯矩除
以悬索的垂度f，H值的大小与索的垂度f成反比； 2）悬索支座水平拉力H与跨度l的平方成正比。
交叉索网体系 及其边缘构件
24
第八章 悬索结构
8.3悬索的结构形式
8.3.3 双叉索网体系
闭合曲线环形梁
落地交叉拱 交叉索网体系及其边缘构件 不落地交叉拱
一对不相交的落地拱
拉索结构
25
第八章 悬索结构
8.4悬索结构的稳定
悬索抵抗机构性位移的能力—索的稳定性
提高稳定性的措施：
增加悬索结构上的荷载
建筑结构选型
吉林建筑大学
第八章 悬索结构
第一节 概述
第二节 悬索的受力与变形特点 第三节 悬索结构的型式 第四节 悬索结构的稳定性
第五节 悬索结构的工程实例
教学要求 了解悬索结构的受力特点及其型式，
掌握悬索结构选型与布置
2
第八章 悬索结构
8.1概述
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
30
第八章 悬索结构
8.5悬索结构的工程实例
1、北京工人体育馆
31
第八章 悬索结构
2、美国雷里竞技馆
32
第八章 悬索结构
在许多悬索结构中， 美国明尼亚波利斯 (Minneapolis)联邦储 备银行大厦的结构设 计很有特色。 此银行为一座11层 大楼，跨度达83.2m， 用悬索（ Suspended Cable）作为主要承重结构， 悬索锚固在两侧的两个筒体结构上，筒体承受大楼的全部竖向 荷载。柱顶设有大梁，以平衡悬索在柱顶产生的水平力，整 个大楼就悬挂在悬索和顶部大梁上。索的水平力将由柱顶大 梁来平衡，相当于给大梁施加一个压力。可以看出，只要精 心调整索对大梁的偏心距，可以大大减小大梁的弯矩。
35
第八章 悬索结构
张拉索结构
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。
北京奥林匹克体育中心综合馆
36
本章结束 O(∩_∩)O
33
第八章 悬索结构
3、日本代代木体育馆
34
张拉索结构
第八章 悬索结构
上海杨浦大桥张拉索结构 （Tension-Cable Structure ） 以高强钢丝、钢绞线为主要 承重结构，是超大跨度结构的 主要形式。张拉索结构按其拉 索的布置也可分为多种形式： ( 一 ) 斜 拉 索 结 构 （ Diagonal Tension-Cable Structure ） 这种结构以直线形斜拉索为 水平结构提供中间支座。左图 上海杨浦大桥(主跨为602m) 为 典型的斜拉索结构。
水平梁 承受悬索拉力
水平梁和框架一起 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
11
第八章 悬索结构
8.3悬索的结构形式
8.3.1 单层悬索体系
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
12
第八章 悬索结构
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。
3
第八章 悬索结构
8.1概述
悬索结构的组成 受拉索、边缘构件、下部支撑、拉锚构件组成
4
第八章 悬索结构
8.1概述
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。
9
第八章 悬索结构
8.3悬索的结构形式
悬索结构按屋面几何形式的不同，可分为
单曲面
双曲面
单层悬索体系
根据拉索布置方式的不同，可分为
双层悬索体系
交叉索网体系
10
第八章 悬索结构
8.3悬索的结构形式
8.3.1 单层悬索体系 1. 单曲面单层拉索体系 (跨度可达80m，德国多特蒙特一展厅，1956)
8.3悬索的结构形式
8.3.2 双层悬索体系 1.单曲面双层拉索体系：也称双层平行索系，常用于矩形平面 的单跨或多跨建筑。
单曲面双层拉索体系
18
第八章 悬索结构
8.3悬索的结构形式
8.3.2 双层悬索体系
1.单曲面双层拉索体系
承重索和稳定索不在同 一竖平面内的布置
单曲面双层拉索体系
19
第八章 悬索结构
形成预应力索—壳组合结构
形成索—梁或索—桁架组合结构
增设相反曲率稳定索
成都市城北体育馆钢索布置
26
第八章 悬索结构
8.4悬索结构的稳定
8.4.1 增加悬索结构上的荷载
屋面加重量
吊挂地板重量
顶棚加重量
8.4.2 形成预应力所—壳组合结构
临时加载使板缝扩大
卸载后形成预应力壳
27
第八章 悬索结构
8.3悬索的结构形式
8.3.2 双层悬索体系
1. 单 曲 面 双 层 拉 索 体 系
吉林滑冰馆屋盖结构形式
20
第八章 悬索结构
吉林滑冰馆屋盖结构形式
21
第八章 悬索结构
8.3悬索的结构形式
8.3.2 双层悬索体系
2.双曲面双层拉索体系： 也称上层辐射索系。承重索 和稳定索均辐射状布置，周 围支承在周边柱顶的受压环 梁上，中心则布置受拉环梁。