悬索结构简介

机构性位移与由弹性变形引起的位移不同。 索抵抗机构性位移的能力就是索的稳定性。它与 索的张紧程度有关。 为使单层索屋盖结构具有稳定性，一般可采取： 1、增加悬索结构上的荷载 通过在索上加重荷载，或在索下吊挂重荷载 等，增加屋盖自重。书P152图8-4-2. 缺点：使悬索截面增大，支撑结构受力也增大。
韩国永宗大桥
第一个现代悬索屋盖是美国于1953年 建成的雷里竞技馆，采用以两个斜置的抛 物线拱为边缘构件的悬索屋盖，主要用于 飞机库、体育馆、展览馆、杂技场等大跨 度公共建筑和某些大跨度工业厂房中，跨 度最大达160m。
北京工人体育馆、浙江人民体育馆， 达到了当时国际上较先进的水平，在以后 的几十年间，成都城北体育馆、吉林滑冰 场、安徽省体育馆、丹东体育馆、亚运会 朝阳体育馆等建筑中，采用了各种形式的 悬索屋盖结构，但在设计理论和工程规模 上，并没有很大的突破。
薄膜结构还是一种理想的抗地震建筑物， 它的自重轻，对地震反应很小，它为柔性 结构，具有良好的变形性能，易于耗散地 震能量，另外，薄膜结构即使破坏，也不 会造成支承结构的下部承重结构的连锁性 破坏，此外，由于膜材大多为不燃或阻燃 材料，耐火性好，增强了建筑物的防火灾 能力。
薄膜结构制作方便，施工速度快，造价 经济。薄膜材料质轻，织物柔软，可在工 厂裁剪、制作、打包成卷运往工地，搬运 容易，而且现场施工非常方便。由于它的 重量轻，施工时几乎不需要脚手架，使屋 盖工程的施工工期大为缩短。
单根悬索的受力与拱受力相似，为轴心受力 构件。悬索是轴心受拉构件，对于钢材而言，悬 索是一种理想结构形式。 一、索的支座反力 由于钢拉索是柔性的，不能受弯，索端可认 为是固定铰支座。在竖向荷载下，悬索呈抛物线 形，跨中的下垂度为f，计算跨度为l。
Va=VB=0.5qL 索中任意截M=0，对跨中截面取矩 f=M0/H 由上式知，在竖向荷载下，悬索支座受 到水平拉力作用，该水平拉力的大小等于 相同跨度简支梁在相同荷载作用下的跨中 弯矩除以悬索的垂度。f与H是反比关系， 因此找到合理垂度，处理好拉索水平力的 传递和平衡是结构设计中的重点。
柔性的悬索在自然状态下不仅没有刚度，其 形状也是不确定的。必须采用敷设重屋面或施 加预应力等措施，才能赋予一定的形状，成为 在外荷作用下具 有必要刚度和形状稳定性的结 构。因此也称其为张力结构。
第一节 概述
悬索结构由受拉索、边缘构件和下部支承构件所 组成。 拉索：钢绞线、钢丝绳或钢丝束、 边缘构件和下部支承构件：钢筋混凝土。
作为建筑物屋盖结构，帐篷是最为古老 的空间张力结构，最早的帐篷是用兽皮或 由羊毛织成，后来则是用棉或其他天然织 物制作而成，薄壳结构建筑与薄膜结构与 我们传统的建筑结构体系是完全不同的。
薄膜结构是建筑与结构中一种结构体系，薄 膜既承受膜面的内力，作为结构的一部分，又可 防雨、挡风，起维护作用，同时还可采光以节省 室内照明的能源，膜材本身的受弯刚度几乎为零， 但通过不同的支撑体系使薄膜承受张力，而形成 具有一定刚度的稳定曲面，薄膜结构的建筑造型 是结合结构构造的布局而自然产生的，力的平衡 状态直接被表现在结构的形状上，这就使薄膜结 构成为一种建筑与结构自然有机体结合的新型大 跨度建筑。
薄膜材料具有优良的力学特性，目前以织物有 机涂料复合而成的薄壳材料，其受拉强度可达 1400N／cm2，薄膜的受力为单纯受拉，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，充气薄膜结构的屋盖， 具白重约为0.02—0.15kN／m2，仪为 第108页传统大跨度屋盖自重的1／10～1／30。 它是跨度重量比最大的一种结构。
三、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，形成负高斯 曲率的双曲抛物面。两组拉索中，上凸为稳定索，下凹为承重索。该 结构通常施加预应力，以增强屋盖的稳定性和刚度。 优点：刚度大，变形小稳定性好。适用大跨度。 鞍形索网布置形式
a)
交叉索网体系需设置强大的边缘构件， 以锚固不同方向的两组拉索。（拉索内常产 生相当大的弯矩、扭矩） 边缘构件形式很多，根据建筑造型一般 有以下几种布置方式： 1、边缘构件为闭合曲线环梁
a)
2、边缘构件为落地交叉拱
3、边缘构件为不落地交叉拱
4、边缘构件为一对不相交的落地拱
5、边缘构件为拉索结构
第四节 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ索结构的稳定
主要表现在两个方面：一是适应荷载 变化的能力低；二是抗风吸、风振能力差。 在索自重作用下，呈悬链线形式，此 时若施加荷载，则原来的悬链形式就不能 保持平衡，会产生很大的位移，形成与新 荷载分布相适应的平衡形式。会造成屋面 防水层的损坏，该位移为机构性位移。
然而随着时代的发展，人们对建筑的要 求已经不再仅仅是满足物质功能的需要， 而是越来越高地提出了对建筑精神功能的 要求，因此，可以预言，随着高强度材料 的推广应用，随着建筑施工技术的完善， 随着各种新型屋面材料的出现，随着人们 对建筑精神功能要求的提高，大跨度建筑 结构的形式将会越来越丰富多彩。
薄膜结构是张拉结构中最近发展起来 的一种形式，它以性能优良的柔软织物为 材料，可以向膜内充气，由空气压力支撑 膜面，也可以利用柔软性的拉索结构或刚 性的支撑结构将薄膜绷紧或撑起，从而形 成具有一定刚度、能够覆盖大跨度空间的 结构体系。
特点： 1）通过索的轴向拉伸抵抗外荷作用，充分利用钢材强 度，自重低。跨度越大，经济性越好。 2）施工方便，费用低 3）便于建筑造型，容易适应各种建筑平面 4）可创造具有良好物理性能的建筑空间 5）稳定性差 6）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。
第二节 悬索的受力与变形特点
2、形成预应力索-壳组合结构 对屋面施加预应力，使之形成一倒挂 的薄壳与悬索共同受力、整体工作。 常用施工方法：在悬索上铺好预制屋面板， 在板上加额外的临时荷载，使索进一步伸 长，板缝增大，然后浇灌混凝土，达到足 够强度后，卸去临时荷载，悬索缩短，屋 面回弹，产生预应力。使屋面形成预应力 混凝土薄壳。
2、双曲面单层拉索体系（单层辐射索系） 常见圆形，其拉索按辐射状布置。 蝶形：拉索一端支承在周边柱顶环梁上，另一 端支承在中心内环梁上。 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。
二、 双层悬索结构 优点：稳定性好，整体刚度大，
1、单曲面双层拉索体系
（平行布置形式）
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 。双层 索系两端也必须锚固在侧边构件上，或通过锚索固定在基础上，
大跨度建筑是人类社会发展与进步的 产物，它能够最大限度地满足体育、文化、 商贸社交活动的需要，体现了一个城市甚 至一个国家建筑技术的发展水平，同时， 大跨度建筑对改善城市景观、调节市民的 生活环境起着重要的作用。
传统的大跨度建筑的结构形式有刚架 结构、桁架结构、拱式结构、薄壳结构、 平板网架结构、网壳结构、悬索结构等。 这些结构形式在大跨度的工业与民用建筑 中都得到了广泛的应用。它们在结构上具 有不同的受力特点，在建筑上具有不同的 造型特色，
按拉索布置方式分三类： 一、单层悬索结构 优点：传力明确，构造简单； 缺点：稳定性差，抗风能力小。 平行布置形式(跨度可达80m）
水平梁和框架一起 承受悬索拉力
水平梁 承受悬索拉力
斜拉索将 悬索拉力 拉向地锚
悬索直接 锚挂于框架
幅射式布置形式(适用于圆形，椭圆形平面)
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)
一些典型建筑
单层悬索
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
双层悬索
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
鞍形索网
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
第九章 大跨度建筑结构的其他形式
薄膜结构由于其轻质、柔软、不透气、 不透水、耐火性好、有一定的透光率、有 中够的受拉承截力，加上新近研制的膜材 耐久性有了明显的提高，因此，薄膜结构 在最近几年得到了较大的发展，在国内外 已被较多地应用于体育建筑、展览中心、 商场、仓库、交通服务设施等大跨度建筑 中。
第一节 薄膜结构的特点
薄膜结构是一种古老的结构刑式，其造 型在自然界中十分常见，如肥皂泡、蝙蝠 翼、蜘蛛网等。在日常生活中也有许多应 用薄膜结构的实例，如：气球、游泳救生 圈、伞、帆、风筝、帐篷等，受力性能是 十分明确的。
2、双曲面双层拉索体系（幅射式及网状布置形式） 承重索和稳定索均沿辐射方向布置，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。整个屋盖支 承于外墙或周边柱上，根据承重索和受拉索的关系所形成 的屋面可为上凸下凹或交叉形，相应在周边柱顶设置一道 或两道受压环梁。
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
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
1、单曲面单层拉索体系（单层平行索系） 由许多平行的单根拉索组成。屋盖表面为筒 状凹面，需从两端山墙排水。拉索两端可以等高， 也可不等高。拉索可以是单跨，也可以是多跨。
索的水平拉力不能在上部结构实现自 平衡，必须通过适当的形式传至基础。 拉索水平力传递一般有三种形式： 1）通过竖向承重构件传至基础 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。
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。 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： 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、形成索-梁或索-桁架组合结构 可在索上搁置横向加劲梁或横向加劲桁架， 形成索-梁体系。 横向加劲梁具有一定的抗弯刚度，在两端 与山墙处的结构相连，并与各悬索在相交处互 相连接。梁-索构成整体，共同受力。
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，是承重索与稳定 索内始终保持足够大的拉紧力，提高整体 稳定性和抗震能力。
二、索的拉力
N=H/cos@ 当索方程确定后，按上式就可求出索 的各个截面内的轴力。索的轴力在支座处 最大;在跨中最小,最小为N=ql2/8f .
三、索的变形 悬索是轴拉构件，既无弯矩又无剪力。 由于索本身是柔性构件，其抗弯刚度可忽 略，因此索的形状会随荷载的不同而改变。 见书P145.
第三节 悬索结构形式