悬索结构
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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
单根索的受力与拱的受力有相似之处，都是属于轴心受力构件。
9.2.1 索的支座反力 9.2.2 索的拉力 9.2.3 索的变形
9.2.1 索的支座反力
计算简图
由 Y 0 ，支座反力为
1 VA VB 2 ql
索中任一截面的弯矩为零，以跨中 截面为矩心，则有
1 ql2 Hf 0
2 .平行索系
优点：稳定性好，整体刚度大。适宜于采用轻屋面
对于平行索系，承重索和稳定索可在同一平面内，也可错开 布置，构成波形屋面
错开布置，构成波形屋面
错开布置，构成波形屋面－－吉林滑冰馆屋盖结构形式
3.双曲面双层拉索索系
3.双曲面双层拉索索系
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)单层外环梁网状布置 e)双层外环梁网状布置
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
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
2.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)
1 增加悬索结构上的荷载
一般认为，当屋盖自重超过最大风吸力的1.1～1.3倍，即 可认为是安全的。
2 形成预应力索－壳组合结构
对钢筋混凝土屋面施加预应力，使之形成一倒挂的薄壳与 悬索共同受力、整体工作。
3 形成索－梁或索－桁架组合结构
对于单曲面单层拉索结构体系（单层平行索系）可在索上搁 置横向加劲梁或加劲桁架形成索梁或索桁架。
9.2.1 索的支座反力 9.2.2 索的拉力 9.2.3 索的变形
9.2.1 索的支座反力
计算简图
由 Y 0 ，支座反力为
1 VA VB 2 ql
索中任一截面的弯矩为零，以跨中 截面为矩心，则有
1 ql2 Hf 0
2 .平行索系
优点：稳定性好，整体刚度大。适宜于采用轻屋面
对于平行索系，承重索和稳定索可在同一平面内，也可错开 布置，构成波形屋面
错开布置，构成波形屋面
错开布置，构成波形屋面－－吉林滑冰馆屋盖结构形式
3.双曲面双层拉索索系
3.双曲面双层拉索索系
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)单层外环梁网状布置 e)双层外环梁网状布置
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
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
2.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)
1 增加悬索结构上的荷载
一般认为，当屋盖自重超过最大风吸力的1.1～1.3倍，即 可认为是安全的。
2 形成预应力索－壳组合结构
对钢筋混凝土屋面施加预应力，使之形成一倒挂的薄壳与 悬索共同受力、整体工作。
3 形成索－梁或索－桁架组合结构
对于单曲面单层拉索结构体系（单层平行索系）可在索上搁 置横向加劲梁或加劲桁架形成索梁或索桁架。
悬索结构
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。 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。
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)
第四章悬索结构091.
（3）采用横向加劲构件
设置横向加劲梁或加劲桁架，使原来单独工作的 悬索连接成整体，在集中力和不均匀荷载作用下，荷 载能重新分配，让更多的索参加工作。
安徽省体育馆
桁架加劲的单曲面悬索结构
平面尺寸为 72m 53m的六边形。
安徽省体育馆剖面示意图
5 垂跨比
悬索的垂度与跨度之比是影响单层悬索体系工作的 重要几何参数。
4 单层悬索体系具有必要形状稳定 性应采用的措施
（1）采用重屋面
恒载克服了风的卸荷作用，使索保持较大的张紧力， 提高了抵抗机构变形的能力。但重屋面使悬索截面和支 承结构的受力增大，影响了经济效果。 （2）采用预应力钢筋混凝土悬挂薄壳 在钢索上安放预制屋面板，在板上加额外的临时荷 载，使索伸长,板缝增大，再灌缝。待混凝土达到预定强 度时，卸去临时荷载，板内就产生预应力，屋面就形成 了一个预应力混凝土薄壳。
双曲抛物面完全壳体
六 抗震和抗风
1 自身抗震性能好，考虑水平力对下部结构的影响。
2 风吸力，考虑风振系数、不同体态分布系数的不同 。
思考题:
1 什么是悬索结构? 有哪些特点? 2 处理悬索结构水平推力的方法有哪些?
第二节 悬索结构形式
悬索结构形式划分的方法很多，可根据几何形状、组成 方法、悬索材料以及受力特点等划分。
特尔蒙特展览馆
ⅱ) 承重索具有抗弯刚度
东京代代木体育馆 承重索由工字钢分段连接而成。
ⅲ) 加一根稳定索，构成索桁架或索梁
斯德哥尔摩溜冰场
3）利用稳定索加强刚度
在单层双向悬索屋盖中，布置一群与承重索交叉、曲 率相反的稳定索，并给索网施加预应力，提高屋盖的刚度， 限制钢索的松动，减少钢索的伸缩变形。
辐射式布置的单层索系在圆形的中心设中心拉环；在 外围设受压外环。
11第十一章悬索结构
马鞍形悬索结构多适用于椭圆形、圆形等建筑平面。
悬索结构是大跨度建筑中较好的结构型式，
一般用于跨度60m以上的建筑。其优点如下：
(1)受力合理，节约材料。它采用高强度钢索
承受拉力，利用钢筋混凝土边缘构件受压或受弯
。这样，受力合理，可以充分利用材料的力学性
能，因而大大减少结构的材料用量并减轻屋盖自
重，一般可较钢结构节省钢材50％。
由此可见，悬索结构的特点是： (1) 索网只受轴向拉力，既无弯矩，受力简单，更有 利于采用钢材做“索”。 (2)钢索材料采用高强度的钢绞线或钢丝绳，因而整 个索网的结构自重小，能够跨越很大的跨度。 (3) 索网的支座叫“边缘构件”，即应注意对边缘构 件的处理；采用合理的边缘构件型式以承受索网拉力。 (4)边缘构件是索网的边框，无边框则索网不能成型 。所以，边缘构件是悬索结构的重要组成部分，而且是 决定悬索结构型式的重要依据。
屋面排水容易可以采用外排水而不像单向悬索结构需要采用中间内排水那样麻三马鞍形悬索结构马鞍形悬索结构的索网是由两组曲率相反的拉索交叉组成
第十一章 悬索结构
悬索结构是大跨度屋盖的一种理想结构型式。 悬索在工程上的应用最早是桥梁。我国古代汉 朝(公元463—473年)已经有用链索建造桥梁。以后 又有铁索、绳索桥等相继出现。大渡河泸定桥 (跨
(3)支承结构可以是钢筋混凝土的立柱或框架结构。 采用立柱支承时，有时还要采取钢缆锚拉的设施。 从悬索结构三个组成部分应该看到很重要一点就是： 边缘构件是悬索结构的边框，是悬索结构型式和屋盖建 筑造型的 Va=Vb=qL/2 H=Mq/y=qLL/(8f) y=Mq/H N=H/cosa
悬索是轴心受拉。轴心受力的构件最能 充分利用结构材料的强度。利用钢材去做 “ 索”，就最能发挥钢材受拉性能好的优点， 所以钢悬索就是一种理想的结构。
悬索结构是大跨度建筑中较好的结构型式，
一般用于跨度60m以上的建筑。其优点如下：
(1)受力合理，节约材料。它采用高强度钢索
承受拉力，利用钢筋混凝土边缘构件受压或受弯
。这样，受力合理，可以充分利用材料的力学性
能，因而大大减少结构的材料用量并减轻屋盖自
重，一般可较钢结构节省钢材50％。
由此可见，悬索结构的特点是： (1) 索网只受轴向拉力，既无弯矩，受力简单，更有 利于采用钢材做“索”。 (2)钢索材料采用高强度的钢绞线或钢丝绳，因而整 个索网的结构自重小，能够跨越很大的跨度。 (3) 索网的支座叫“边缘构件”，即应注意对边缘构 件的处理；采用合理的边缘构件型式以承受索网拉力。 (4)边缘构件是索网的边框，无边框则索网不能成型 。所以，边缘构件是悬索结构的重要组成部分，而且是 决定悬索结构型式的重要依据。
屋面排水容易可以采用外排水而不像单向悬索结构需要采用中间内排水那样麻三马鞍形悬索结构马鞍形悬索结构的索网是由两组曲率相反的拉索交叉组成
第十一章 悬索结构
悬索结构是大跨度屋盖的一种理想结构型式。 悬索在工程上的应用最早是桥梁。我国古代汉 朝(公元463—473年)已经有用链索建造桥梁。以后 又有铁索、绳索桥等相继出现。大渡河泸定桥 (跨
(3)支承结构可以是钢筋混凝土的立柱或框架结构。 采用立柱支承时，有时还要采取钢缆锚拉的设施。 从悬索结构三个组成部分应该看到很重要一点就是： 边缘构件是悬索结构的边框，是悬索结构型式和屋盖建 筑造型的 Va=Vb=qL/2 H=Mq/y=qLL/(8f) y=Mq/H N=H/cosa
悬索是轴心受拉。轴心受力的构件最能 充分利用结构材料的强度。利用钢材去做 “ 索”，就最能发挥钢材受拉性能好的优点， 所以钢悬索就是一种理想的结构。
6悬索结构
屋面形式：上凸、下凹或交叉形。 周边柱项应设置一道或两道受压环梁。
三、交叉索网体系
交叉索网体系也称为鞍形索网，它是由两组相互正 交的、曲率相反的拉索直接交叠组成，形成双曲抛 物面。
交叉索网体系中边缘构件的形式：
1、闭合曲线环梁 2、落地交叉拱 3、不落地交叉拱 4、一对不交叉的落地拱 5、拉索结构
江阴长江公路大桥是 我国首座跨径超千米 的特大型钢箱梁悬索 桥梁，也是20世纪 “中国第一、世界第 四”大钢箱梁悬索桥
意大利南部凡纳弗罗市M&G研究试验室
美国巴尔的摩内港6号码头音乐厅
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。
所谓空间结构（Spatialstructures） ，其形状呈空间状， 并同时具有三维受力特性。优秀的空间结构具有荷载传递路 线最短，受力均匀等特点：而平面楼盖结构，由于构件分为 板、次梁和主梁等“级别”，荷载传递路线长，浪费材料。 自然界也有许许多多令人惊叹的空间结构，如蛋壳、海螺等 是薄壳结构；蜂窝是空间网格结构；肥皂泡是充气膜结构： 蜘蛛网是索网结构：棕榈树叶是折板结构等等。因此，从某 种意义上来说，空间结构是一种仿生结构，它们比平面结构
分类：单曲面、双曲面、
1．单曲面双层拉索体系 常用于矩形平面的单跨或多跨建筑
单曲面双层拉索体系中的承重索和稳定索也可以不 在同一竖向平面内，而是相互错开布置，构成波形 屋面
大跨空间结构悬索结构
第四章 悬索结构
一、悬索结构的类型和选型 发展概况
尽管存在如上面介绍的一些杰出工程，现在来回顾80年代 初期我国悬索结构以致整个空间结构的总体发展水平，仍然只 能承认当时仅有平板网架结构的发展是比较成熟的；由于 60 年代以后全国在平板网架方面投入了不少力量，在工程实践和 理论分析方面均积累了较多经验。但在悬索结构、网壳结构、 薄壳结构和薄膜结构等其它空间结构类型方面，则相对比较落 后，工程实践既有限，理论储备也不足，同国际发展水平相比 差距较大。目前，这种差距在逐步缩小。
第四章 悬索结构
一、悬索结构的类型和选型 概念
拉索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。 拉索一般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。
第四章 悬索结构
第四章 悬索结构
一、悬索结构的类型和选型 选型
索结构的选型应根据建筑物的功能与形状，跨度以及承受 的荷载等，综合考虑材料供应、加工制作与现场施工安装方法， 选择合理的结构形式、边缘构件及支承结构，设计时应保证结 构的整体刚度和稳定性。 各种形式的悬索结构对于不同建筑平面的适用性是不同的， 设计时应根据具体的平面形状选用合理的结构形式。 （1）建筑造型及使用功能方面的考虑 （2）材料及施工安装方面的考虑 （3）要处理好边缘构件和支承结构的设计
第四章 悬索结构
一、悬索结构的类型和选型 发展概况
世界上最早的现代悬索屋盖是美国于 1953 年建成的 Releigh体育馆，采用以两个斜放的抛物线拱为边缘构件的鞍 形正交索网。我国建造的上述两个悬索结构无论从规模大小或 技术水平来看，在当时都可以说是达到国际上较先进水平的。 但此后我国悬索结构的发展停顿了较长一段时间，一直到 1980年才建成成都城北体育馆。
悬索结构
悬索结构一、悬索结构的概念随着生产的发展和人民生活水平的提高，建筑事业也在不断发展。
作为建筑结构中的重要分支——钢筋混凝土结构在各个方面都发展得越来越完善，而具有经济指标低、施工快、便于建筑造型等优点，在国外应用很广的悬索结构，在我国却因实践和理论研究上的不足，均处于相对落后的地位。
土木建筑结构所指的悬索结构，就是指以一系列受拉的索作为主要承重构件，这些索按一定规律组成各种不同形式的体系，并悬挂在相应的支承结构体系边缘构件上的结构。
正是因为索主要承受轴向拉力，所以可以最充分地利用钢材的强度，如果再采用高强度材料时，更可大大减轻结构自重，因而，悬索结构可以较经济地跨越很大的跨度，是目前大跨建筑的主要结构形式之一。
二、悬索结构的特点(一)受力合理、节约材料悬索结构是一种受力比较合理的建筑结构形式，将悬索结构与简支梁两者的受力情况进行对比，就可以看出这种合理性。
如图I所示，简支梁在竖向荷载作用下，上纤维压应力的合力与下纤维拉应力的合力组成了截面的内力矩，合力间的距离即为内力臂，它总在截面高度的范围内，因此要提高梁的承载能力，就意味着要增加梁的高度。
但在悬索结构中，钢索在自重下就自然形成了垂度，由索中拉力与支承水平力间的距离构成的内力臂，总在钢索截面范围以外，增加垂度也就加大了力臂，从而可以有效地减少索中拉力和钢索截面面积。
图1 筒支梁与悬索结构受力的合理性比较上——筒支梁(M=Nh0)；下——1II}素{M=Hf)(二)施工比较方便由于钢索自重很小，屋面构件一般也较轻，因而给施工架设带来了很大的方便。
安装时不需要大型起重设备，施工时不需要脚手架，也不需要模板。
这些都有利于加快施工进度，降低工程造价。
因而，与其它结构形式比较，施工费用相对较低。
(三)便于建筑造型悬索结构由于索网布置灵活，便于建筑造型，能适应多种多样的平面形状和外形轮廓，因而能较自由地满足各种建筑功能和表达形式的要求，使建筑与结构可以得到较完善的结合。
悬索结构
(a)单索
(b)平面单层索网
(c)曲面单层索网
(d)鱼腹式索桁架
(e)自平衡索桁架
(a)幕墙外立面
(b)幕墙内视图
德国外交部大楼索网玻璃幕墙
2）索系支承玻璃采光顶体系
• 索系支承玻璃采光顶也是由玻璃面板、连接爪件和 支承结构三部分组成。采光顶的支承结构除了满足 通透性的基本要求外，其结构体系与一般屋盖结构 类似。当索结构用于支承玻璃采光顶时，可采用单 层索系、双层索系和张弦结构。
(1)独特的受力体系
• 悬索结构的受力不同于常规的结构体系，在分析过 程中通常假设悬索结构只能承受拉力而不能承受压 力和弯矩作用。 • 通过施加预应力使得结构具有一定刚度从而能够承 受外荷载的作用，在抗风分析过程中具有一定独特 性。
（2）复杂的湍流特性和风荷载的非定常性
• 由于大跨度悬索结构在应用过程中创造了丰富多彩 的结构形式，流动分离、再附等湍流现象导致结构 表面风压场分析的复杂性。流场有明显的三维效应， 风荷载具有非定常性。
• 索的平衡方程 单索沿跨度分布的竖向均布荷载作用下，跨 中索的下垂度为，悬索的计算跨度为，悬索 呈抛物线，即：
x x 2 z 4 f l l
二、悬索结构形式及结构选型
1、悬索结构的形式
• 悬索结构形式极其丰富多彩，根据几何形状、 组成方法、悬索材料以及受力特点等不同因素， 可有多种不同的划分。本章按组成方法和受力 特点将悬索结构分为：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 加劲索系、劲性悬索等形式。
2、悬索结构抗风设计 • 悬索结构充分利用材料的强度，大大减轻结构 自重，在保证经济性的前提下能够具有较大的 跨度。结构自重轻、阻尼低，对地震作用有较 好的适应性，但是对风荷载却非常敏感，风荷 载可能成为大跨度悬索结构设计的控制荷载。 • 悬索结构抗风设计理论的复杂性已成为制约其 进一步发展的瓶颈，原因主要表现在如下几个 方面：
悬索结构的组成
悬索结构的组成
悬索结构由几个基本组成部分组成，包括：
1. 主悬索：主悬索是悬索结构的主要支撑部分，通常为钢索或钢缆。
主悬索起到了承担悬挂物的重量和提供稳定支撑的作用。
2. 纵向支撑：纵向支撑是连接主悬索与桥墩或塔楼的部分，它们提供了主悬索的纵向支撑力，同时还承担悬挂物的水平荷载。
3. 横向支撑：横向支撑是连接主悬索之间的支撑杆或横向悬索，用于增加结构的稳定性和刚度，防止主悬索的侧向变形。
4. 锚固系统：锚固系统用于将主悬索固定在桥墩或塔楼上，确保其能够承受悬挂物的重力和荷载，并将这些力传递到地基中。
5. 辅助结构：辅助结构包括桥面板、桥面支撑梁等，用于支撑和固定桥面的部分。
这些组成部分共同协作，构成了悬索结构的基本框架，能够有效地承载重量和荷载，使得悬索结构成为一种高效且美观的桥梁设计方案。
第九章悬索结构
建 筑 结 构 选 型
（4）可以建造具有良好物理性能的建筑空间，双曲下 凹碟形悬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，故用于彩光要求高的建筑物也很适宜。 （5）悬索屋盖的稳定性较差，但根的悬索是一种集和 可变结构，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，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。 （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，因 此悬索体系的支承结构往往需要耗费较多的材料，无 论是设计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，由于钢索锚固构造和支座 结构的处理与大跨度时一样复杂，往往并不经济。
建 筑 结 构 选 型
第三节 悬索结构的形式
悬索屋盖结构按屋面几何形式的不同，可分为单曲面和 双曲面两类；根据拉索布置方式的不同，可分为单层悬索 体系、双层悬索体系和交叉索网体系三种类型。 一、单层悬索体系 单层悬索体系的优点是传力明确，构造简单，缺点是屋 面稳定性差，抗风（上吸力）能力小。为此常采用重屋面， 适用于中小跨度的屋盖。单层悬索体系有单曲面单层拉索 体系和双曲面单层拉索体系。
建 筑 结 构 选 型
悬索结构有着悠久的历史，它最早应用于桥梁 工程中，我国人民早在1000年以前已经用竹索或 铁链建造悬索桥。 如建于公元1696～1705年间的四川泸定桥， 为跨越大渡河的铁索桥，单孔净跨100m，宽2.8m。 近代的悬索桥采用钢丝作缆索，如1937美国加利 福尼亚州的金门大桥，主跨达1280m。 在房屋建筑中，蒙古包、游牧民族的帐篷等可 以看成是悬索结构的雏形。
第四节 悬索结构的稳定 建 筑 结 构 选 型
19-悬索结构解析
悬索结构的形式
悬索屋盖结构按屋面几何形式的不同．可 分为单曲面和双曲面两类；根据拉索布置 方式的不同，可分为单层悬索体系、双层 悬索体系和交叉索网体系三类。
一、单层悬索体系
单层悬索体系的优点是传力明确，构造简 中，缺点是屋面稳定性差，抗风(上吸力)能 力小。为此常采用重屋面．适用于中小跨 度的屋盖。单层悬索体系有单曲面单层拉 索体系和双曲面单层拉索体系。
3．适应性强，造型美观。悬索结构适应于各种建筑平面 和外形轮廊。利用曲线索，采用不同的支承形式，可方便 地创造出各种新颖独特的建筑造型，是建筑师们乐于采用 的一种结构形式。
4．与桁架、刚架、拱和网架等常规结构相比，悬索结 构的工作性能有以下特点：
(1)悬索的荷载与位移、荷载与索力的关系曲线呈非线性， 是动态变化的，计算悬索要采用几何非线性理论。
图9—6为德国乌柏特市游泳馆．可容纳观 众2000人。比赛大厅；平面面积为 65m×40m、屋盖设计成纵向单曲单层悬索。 悬索拉力通过看台斜梁传至游泳池底部，
两侧对称平衡．使地基仅承受压力，该建
筑结构形式与建筑使用空间协调一致，非
常合理．采用浮石混凝土和普通混凝土屋 面．以保证悬索的稳定性，
悬索结构
14．1 概 述 悬索结构是由一系列高强度钢索组成的
一种张力结构，由于其自重轻，用钢量省， 能跨越很大的跨度，是一种比较理想的大 跨度结构型式。
悬索在工程上的应用最早是桥梁，我国建 造最早的铁链桥是云南的兰津桥(公元57— 75年间)。1000多年来我国建造的铁索桥， 如云南元江铁索桥、澜沧江铁索桥、贵州 盘江铁索桥、四川泸定桥等至今仍在使用。
(2)拉索水平力通过拉锚传至基础
索的拉力也可在柱顶改变方向后通过拉锚传至基 础(图9—4b))
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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。
网状布置形式(适用于圆形，矩形等平面)
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 VA VB ql 2
第二节 悬索结构的组成和受力特点
（3）索的拉力
N H cos
第二节 悬索结构的组成和受力特点
三、边缘构件的内力分 析
水平和垂直方向受弯 (图11－2)
四、柱子是受压构件
五、锚拉绳是受拉构件
锚固基础也是设计重 点
第三节 悬索结构的型式与建筑实例
一、单向悬索结构
平行布Байду номын сангаас形式
幅射式及网状布置形式
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
鞍形索网布置形式
a)
第三节 悬索结构的型式与建筑实例
• 东京代代木国立综合体育馆（64年奥运 会球类馆、游泳馆）
日本著名建筑师丹下健三的作品，包括一座游泳馆和一 座球类馆，两座体育馆都采用悬索结构，游泳馆平面有如两 个错置的新月形，球类馆平面如蜗牛形。代代木体育馆采用 新型结构，又具有独特的日本风格，因而受到广泛赞誉.
凝土结构。
第一节 悬索结构的特点
• 单索结构是平面结构体系；悬索结构是空 间结构体系。
悬索结构的特点：
（1）主要受力构件是“索”，索网只受轴向拉 力，即无弯矩、也无剪力；
（2）结构自重小，用料省，强度大，适用大跨 度结构，造型美等优点 ； （3）采用合理的支座型式，抵抗拉索的水平反 力； （4）支座是索网的必要边缘构件。
1 特点 轴向拉伸抵抗外荷作用，充分利用钢材强度 施工方便，费用低 便于建筑造型
2 单层悬索结构：
平行布置形式(跨度可达80m，德国多特蒙特一展览厅， 1956)
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
幅射式布置(适用于圆形，椭圆形平面)
第二节 悬索结构的组成和受力特点
一、悬索结构的组 成： • 索网：多股钢绞 线、钢丝绳； • 边缘构件：梁、 拱或桁架 • 支承结构：钢筋 混凝土立柱，框 架结构。
第二节 悬索结构的组成和受力特点
二、索网的基本力学原理 （1）中心受拉构件 （2）索的支座反力
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游泳场馆内景 建筑剖面图、总平面图
代代木游泳馆正面
代代木游泳馆入口
• 美国耶鲁大学冰球馆
建筑师沙里宁设计，1958年建成。冰球馆采用悬索结构，钢索 挂在中间一道拱形脊梁和周边的梁圈上。场内可容纳3000名观众。 冰球馆的外形象一只海龟似的甲壳动物。
第三节 悬索结构的型式与建筑实例
二、车轮形悬索结构
现代悬索桥
组成：主缆、塔架、加 劲梁和锚碇。 荷载传递：桥面－吊索 －主缆－基础
施工特点
4、竣工
1、主塔施工 2、主缆 施工
3、桥面施工
大贝尔特东桥
主缆施工
锚碇施工
第一节 悬索结构的特点
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。如图所示，拉索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。 拉索一般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