大跨度房屋屋盖结构

4、可以创造具有良好物理性能的建筑空间。双曲下凹碟形悬 、可以创造具有良好物理性能的建筑空间。 索屋盖具有极好的音响性能。 索屋盖具有极好的音响性能。因而可以用来遮盖对声学要求较 高的公共建筑。悬索屋盖对室内采光也极易处理， 高的公共建筑。悬索屋盖对室内采光也极易处理，故用于采光 要求高的建筑物也很适宜。 要求高的建筑物也很适宜。 5、悬索屋盖结构的稳定性较差。单根的悬索是一种几何可变 、悬索屋盖结构的稳定性较差。 结构，其平衡形式随荷载分布方式而变， 结构，其平衡形式随荷载分布方式而变，特别是当荷载作用方 向与垂度方向相反时，悬索就丧失了承载能力。因此， 向与垂度方向相反时，悬索就丧失了承载能力。因此，常常需 要附加布置一些索系或结构来提高屋盖结构的稳定性。 要附加布置一些索系或结构来提高屋盖结构的稳定性。 6、悬索结构的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。 理的形式，以承受索端巨大的水平拉力。因此悬索体系的支承 结构往往需要耗费较多的材料， 结构往往需要耗费较多的材料，无论是设汁成钢筋混凝土结构 或钢结构，其用钢量均超过钢索部分。当跨度小时， 或钢结构，其用钢量均超过钢索部分。当跨度小时，由于钢索 锚固构造和支座结构的处理与跨度大时一样复杂， 锚固构造和支座结构的处理与跨度大时一样复杂，往往并不经 济
（3）预应力鞍形索网：鞍形索网是由曲率相反的两组钢索相 ）预应力鞍形索网： 互正交做成的负高斯曲率的曲面悬索结构， 互正交做成的负高斯曲率的曲面悬索结构，索网周边悬挂在边 缘构件上。下凹的承重索在下，上凸的稳定索在上， 缘构件上。下凹的承重索在下，上凸的稳定索在上，两组索在 交点处连接。 交点处连接。 （4）预应力横向加劲单层索系：在平行布置的单层悬索上敷 ）预应力横向加劲单层索系： 设与索方向垂直的实腹梁或桁架等劲性构件， 设与索方向垂直的实腹梁或桁架等劲性构件，通过下压这些横 向构件的两端并加以固定， 向构件的两端并加以固定，在索与横向构件组成的体系中建立 起预应力，形成横向加劲单层索系屋盖结构也称索梁体系。 起预应力，形成横向加劲单层索系屋盖结构也称索梁体系。 （5）预应力索拱及张弦结构 ） 在鞍行索网中，以实腹式或格构式进行构件代替上凸的稳定索， 在鞍行索网中，以实腹式或格构式进行构件代替上凸的稳定索， 张拉承重索或下压拱的两端，使索与拱互相压紧， 张拉承重索或下压拱的两端，使索与拱互相压紧，形成预应力 索拱体系。 索拱体系。
3.4 悬索结构
3.4.1悬索结构的形式 3.4.2悬索结构的计算要点 3.4.3悬索结构基本设计 3.4.3钢索材料、锚固及连接构件
3.4. 1悬索结构的形式
1.悬索结构的概念 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，如图3-1所示。拉索 所示。 悬索结构由受拉索、边缘构件和下部支承构件所组成，如图 所示 按一定的规律布置可形成各种不同的体系， 按一定的规律布置可形成各种不同的体系 ，边缘构件和下部支承构件的布 置则必须与拉索的形式相协调，有效地承受或传递拉索的拉力。 置则必须与拉索的形式相协调， 有效地承受或传递拉索的拉力。 拉索一般 采用由高强钢丝组成的钢绞线、钢丝绳或钢丝束， 采用由高强钢丝组成的钢绞线、 钢丝绳或钢丝束 ，边缘构件和下部支承构 件则常常为钢筋混凝土结构。 件则常常为钢筋混凝土结构。
度或8度以上地区的悬索结 （9）对位于抗震设防烈度为 度或 度以上地区的悬索结 ）对位于抗震设防烈度为8度或 构应进行地震反应验算。 构应进行地震反应验算。 2 荷载 悬索结构设计时除索中预应力外， 悬索结构设计时除索中预应力外，所考虑的荷载与一般结 构相同，主要有： 构相同，主要有： （1）恒载：包括覆盖层、保温层、吊顶、索等自重。按现 ）恒载：包括覆盖层、保温层、吊顶、索等自重。 进行计算。 行国家标椎《建筑结构荷载规范》GB50009-2001进行计算 行国家标椎《建筑结构荷载规范》GB50009-2001进行计算。 （2）活载：包括保养、维修时的施工荷载。按《建筑结构 ）活载：包括保养、维修时的施工荷载。 荷载规范》 取用。 荷载规范》GB50009-2001取用。对于悬索结构，一般取 取用 对于悬索结构， 0.3kN/mm2，不与雪荷载同时考虑。 ，不与雪荷载同时考虑。 （3）雪载：基本雪压值按《建筑结构荷载规范》 ）雪载：基本雪压值按《建筑结构荷载规范》 GB50009-2001取用，在悬索结构中应根据屋盖的外形轮廓 取用， 取用 考虑雪荷载不均匀分布所产生的不利影响， 考虑雪荷载不均匀分布所产生的不利影响，并应按多种荷载 情况进行静力分析。当平面为矩形、圆形或椭圆形时， 情况进行静力分析。当平面为矩形、圆形或椭圆形时，不同 形状屋面上需考虑的雪荷载情况及积雪分布系数可参考图4形状屋面上需考虑的雪荷载情况及积雪分布系数可参考图 15采用。复杂形状的悬索结构屋面上的雪荷载分布情况应按 采用。 采用 当地实际情况确定。 当地实际情况确定。
悬索结构的组成
2悬索结构具有以下特点： 悬索结构具有以下特点： 悬索结构具有以下特点
1、悬索结构通过索的轴向受拉来抵抗外荷载的作用，可以最 、悬索结构通过索的轴向受拉来抵抗外荷载的作用， 充分地利用钢材的强度。索一般都是采用高强度材料制成的， 充分地利用钢材的强度。索一般都是采用高强度材料制成的， 更可大大减少材料用量并可减轻结构自重。因而， 更可大大减少材料用量并可减轻结构自重。因而，悬索结构适 用于大跨度的建筑物， 体育馆、展览馆等。跨度越大， 用于大跨度的建筑物，如：体育馆、展览馆等。跨度越大，经 济效果越好。 济效果越好。 2、悬索结构便于建筑造型，容易适应各种建筑平面，因而能 、悬索结构便于建筑造型，容易适应各种建筑平面， 较自由地满足各种建筑功能和表达形式的要求。钢索线条柔和， 较自由地满足各种建筑功能和表达形式的要求。钢索线条柔和， 便于协调，有利于创作各种新颖的富有动感的建筑体型。 便于协调，有利于创作各种新颖的富有动感的建筑体型。 3、悬索结构施工比较方便。钢索自重很小，屋面构件—般也 、悬索结构施工比较方便。钢索自重很小，屋面构件 般也 较轻，安装屋盖时不需要大型起重设备。 较轻，安装屋盖时不需要大型起重设备。施工时不需要大量脚 手架，也不需要模板。因而，与其他结构型式比较， 手架，也不需要模板。因而，与其他结构型式比较，施工费用 相对较低。 相对较低。
钢索的抗拉强度标准值、 表1 钢索的抗拉强度标准值、设计值和弹性模量
（4）悬索结构的计算应按初始几何状态、预应力状态和荷载 ）悬索结构的计算应按初始几何状态、 状态进行，并充分考虑几何非线性的影响。 状态进行，并充分考虑几何非线性的影响。 （5）在确定预应力状态后，应对悬索结构在各种情况下的永 ）在确定预应力状态后， 久荷载与可变荷载下进行内力、位移计算；并根据具体情况， 久荷载与可变荷载下进行内力、位移计算；并根据具体情况， 分别对施工安装荷载、地震和温度变化等作用下的内力、 分别对施工安装荷载、地震和温度变化等作用下的内力、位移 进行验算。 进行验算。在计算各个阶段各种荷载情况的效应时应考虑加载 次序的影响。悬索结构内力和位移可按弹性阶段进行计算。 次序的影响。悬索结构内力和位移可按弹性阶段进行计算。 （6）作为悬索结构主要受力构件的柔性索只能承受拉力，设 ）作为悬索结构主要受力构件的柔性索只能承受拉力， 计时应防止各种情况下引起的索松弛而导致不能保持受拉情况 的发生。 的发生。 （7）设计悬索结构应采取措施防止支承结构产生过大的变形， ）设计悬索结构应采取措施防止支承结构产生过大的变形， 计算时应考虑支承结构变形的影响。 计算时应考虑支承结构变形的影响。 且基本风压超过0.7kN/ （8）当悬索结构的跨度超过 ）当悬索结构的跨度超过100m且基本风压超过 且基本风压超过 m2时，应进行风的动力响应分析，分析方法宜采用时程分析 时 应进行风的动力响应分析， 法或随机振动法。 法或随机振动法。
（6）预应力悬挂薄壳：为改善索体系的工作性能，在单层索 ）预应力悬挂薄壳：为改善索体系的工作性能， 双层索系和鞍形索网中采用预制钢筋混凝土屋面时， 系、双层索系和鞍形索网中采用预制钢筋混凝土屋面时，可做 成预应力混凝土悬挂薄壳。 成预应力混凝土悬挂薄壳。 （7）张拉整体结构：张拉整体结构是由分散的压杆与连续的 ）张拉整体结构： 索网构成的自平衡体系，通过施加预拉力使体系成形， 索网构成的自平衡体系，通过施加预拉力使体系成形，他的刚 度与体系内部的预应力大小有关。 度与体系内部的预应力大小有关。张拉整体结构可以设称有劲 可能多的受拉索构成，以便最大限度地利用材料性能。 可能多的受拉索构成，以便最大限度地利用材料性能。 （8）索膜结构：索膜结构是利用刚性构件提供支点，将钢索 ）索膜结构：索膜结构是利用刚性构件提供支点， 和膜悬挂起来， 和膜悬挂起来，利用拉索对膜面施加足够预拉力将膜材料绷紧 形成具有一定形状和刚度的构件钢索被用来加强薄膜并作为薄 膜的边缘构件。膜材兼具围护和承重两种功能。 膜的边缘构件。膜材兼具围护和承重两种功能。薄膜材了由柔 性织物和涂层复合而成，具有较高的抗拉强度和弹性模量， 性织物和涂层复合而成，具有较高的抗拉强度和弹性模量，良 好的耐久性能。 好的耐久性能。
（3）钢索宜采用钢丝、钢绞线、热处理钢筋，质量要求应分 ）钢索宜采用钢丝、钢绞线、热处理钢筋， 别符合国家现行有关标准，即《预应力混凝土用钢丝》 预应力混凝土用钢绞线》 （ GB5223） 、 《 预应力混凝土用钢绞线 》 （ GB5224） 、 ） ） 预应力混凝土用热处理钢筋》 《 预应力混凝土用热处理钢筋 》 （ GB4453）。 钢丝 、 钢绞 ） 钢丝、 线 、 热处理钢筋的强度标准值、强度设计值、弹性模量应按 热处理钢筋的强度标准值、 强度设计值、 采用。 表4-3采用。 采用
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3.4. 2悬索结构的计算要点
1.设计基本规定 设计基本规定 （1）对单层悬索体系，当平面为矩形时，悬索两端支点可设 ）对单层悬索体系，当平面为矩形时， 计为等高或不等高，索的垂度可取跨度的1/10~l/20；当平面 计为等高或不等高，索的垂度可取跨度的 ； 为圆形时，中心受拉环与结构外环直径之比可取1/8~1/17， 为圆形时，中心受拉环与结构外环直径之比可取 ， 索的垂度可取跨度的1/10~l/20。对双层悬索体系， 索的垂度可取跨度的1/10~l/20。对双层悬索体系，当平面为 矩形时，承重索的垂度可取跨度的1/15~l/20，稳定索的拱度 矩形时，承重索的垂度可取跨度的 ， 可取跨度的1/15~l/25；当平面为圆形时，中心受拉环与结构 可取跨度的 ；当平面为圆形时， 外环直径之比可取1/5~l/12，承重索的垂度可取跨度的 外环直径之比可取 ， 1/17~l/22，稳定索的拱度可取跨度的 ，稳定索的拱度可取跨度的1/16~l/26。对索网 。 结构，承重索的垂度可取跨度的1/10~l/20，稳定索的拱度可 结构，承重索的垂度可取跨度的 ， 取跨度的1/15~l/30。 取跨度的 。 （2）悬索结构的承重索挠度与其跨度之比及承重索跨中竖向 ） 位移与其跨度之比不应大于下列数值：单层悬索体系-1/200 位移与其跨度之比不应大于下列数值：单层悬索体系 自初始几何态算起），双层悬索体系、索网结构-1/250 ），双层悬索体系 （自初始几何态算起），双层悬索体系、索网结构 自预应力态算起）。 （自预应力态算起）。
2. 悬索结构分类
悬索结构分为单层悬索体系、预应力双层悬索体系、 悬索结构分为单层悬索体系、预应力双层悬索体系、 预应力鞍形索网、预应力横向加劲单层索系、 预应力鞍形索网、预应力横向加劲单层索系、预应力 张弦结构、悬挂薄壳、张拉整体结构、 索拱及 张弦结构、悬挂薄壳、张拉整体结构、索膜结 构及混合悬挂结构等形式 （1）单层悬索体系：单层悬索体系是由按一定规律 ）单层悬索体系： 布置得单根悬索组成，悬索两端锚挂在支撑结构上。 布置得单根悬索组成，悬索两端锚挂在支撑结构上。 索系布置有平行式、辐射式、网格式三种。 索系布置有平行式、辐射式、网格式三种。 ）：双层悬索体 （2）预应力双层悬索体系（索桁架）：双层悬索体 ）预应力双层悬索体系（索桁架）： 系是由一系列下凹的承重索、 系是由一系列下凹的承重索、上凸的稳定索及两者之 间的连系杆（拉杆活压杆组成） 间的连系杆（拉杆活压杆组成）