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。
19-悬索结构
交叉索网体系中边缘构件的形式很多，根 据建筑造型的要求一般有以下几种布置方 式
1。边缘构件为闭合曲线形环梁
边缘构件可以做成闭合曲线形环梁的形 式．环梁呈马鞍形，搁置在下部的柱或承 重墙上，1969年建于杭州的浙江人民体育馆 即采用这一形式。体育馆平面呈椭圆形， 长短轴上长度各为80m、60m，鞍形屋面最 高点与最低点相差7m，边缘构件采用—个 截面为2000mm×800mm的钢筋混凝土环梁， 在索拉力的作用下，环梁不仅受压．还产 生根大的弯矩
图为乌拉圭蒙特维多体育馆碟形悬索结构，
图9—11为淄博长途汽车站伞形悬索结构、 均采用钢筋混凝土屋面板。
二、双层悬索体系
双层悬索体系是出一系列承重索和相反曲 率的稳定索所组成(图9—12)。每对承重索 和稳定索一般位于同—竖向平面内，二者 之间通过受拉钢筋混凝土或受压撑杆联系， 联系杆可以斜向布置．构成犹如屋架的结 构体系，故常称为索桁架。
2．边缘构件为落地交叉拱
边缘构件做成倾斜的抛物线拱，拱在一定 的高度相交后落地，拱的水平推力可通过 在地下设拉杆平衡。交叉索网中的承重索 在锚固点与拱平面相切，其传力路线清楚 合理，建于1953年的美国雷里竞技馆即采用 这—形式，拱的自重有位于周边的钢柱支 承，钢柱间距2．4m。兼作门窗竖框。
边缘构件是索网的边框，无边框则索网不 能成型。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的巨大拉 力。
下部支承构件一般是钢筋混凝土立柱或框 架结构，为保持稳定，有时还要采取钢缆 锚拉的设施。 单悬索结构是平面结构体系。如果利用很 多单悬索相互交叉组成索网”(比如利用桁 架交叉组成网架一样)，就形成多向受力的 悬索结构
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
(2)能跨越很大的跨度而不需中 间支承，从而形成很大的建筑空 间。同时，‘悬索结构 利于建筑造型，适于建造多种多 样的平面和外形轮廓，’因而能 充各自由地满足各种建筑型 式的要求．这也印筑师亲手桑用 悬索结构的重要原因。当然，设 计时还应考虑经济效果。 从受力性能来讲，圆形平面较其 他型式的平面更为有利，因而经 济效果也最好。 ” (3)施工方便，速度较；映。由 于悬索自重很轻，屋断RJ以利用 轻质材料，这样就不需要重型起 重设备便可进行安装，从而降低
பைடு நூலகம்
第三节 悬索结构的型式与建筑实例 一、单向悬索结构 单向悬索结构的索网是由单向 平行的钢索构成(图11—4)。其边 缘构件就是钢京两端的 ( ) 水平梁(横梁)。女承结构是立校 及拉缆，或框架等。 德国乌柏将市游泳馆
它的索冈是由上凸下凹两层呈辐射形布置的钢索组成。钢索 一端锚固于车轮的外环，另 一端锚固于车轮的中央闪环。因外环受压，故用钢筋混凝土构 件；内环受拉，故用钢环。上 下层索网之间还布置竖杆以加强索冈的稳定性，所以这种悬京 结构的刚度比单向悬家结构 好，叮以采用轻屋面材料，而且屋面排水容易，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烦。 车轮形悬索结构的支承结构可以是竖直的立柱。因外环是闭 合的圆形，对柱子不产生 水平作用力，故柱子处理简单，柱距布置可根据建筑平立面需 要决定。车轮形悬索结构适 用于圆形建筑平面。
(2)边缘构件多是钢筋混凝土构件，它可以是 梁、供或衍架等结构构件。边缘构件的尺寸根据所 受的水平力和竖向力通过计算确定。 (3)支承结构可以是钢筋混凝土的立柱或框架 结构。果用立柱支承时，有时还要采取钢缆锚拉的 设施。 ’
从恳京硼三个组成部分应该看到很重要一点就是：企缘 构件是悬索结构的边框，是 悬素结构型式和屋盖建筑造型的关键所在。而索冈只不过好 像蒙在边缘构件上的——5K蒙皮 而已(好比帆布蒙在床架上而成帆布床一样)。
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：
悬索结构名词解释
悬索结构名词解释
悬索结构是一种由柔性受拉索及其边缘构件所形成的承重结构，广泛应用于建筑工程和桥梁工程。
这种结构的索材可以采用多种材料，如钢丝束、钢丝绳、钢铰线、链条、圆钢以及其他受拉性能良好的线材。
悬索结构能充分利用高强材料的抗拉性能，可以实现大跨度、自重小、材料省和易施工等优点。
其索或索网一般悬挂在支撑结构体系的边缘构件上，以直接承受屋面荷载的作用。
如需获取更多关于悬索结构的详细信息，建议查阅相关资料或咨询专业工程师。
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
第九章-悬索结构
为使单层悬索屋盖结构具有必要的稳定性，一般可采取以下几种措施：
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。
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。
椭圆形，24.6×36.6m 椭圆形，60m×80m 椭圆形，36m×50m
双曲抛物面索网 天津大学健身房 浙江人民体育馆 新疆化肥厂俱乐部
1961 1979 1991
圆形，直径94m 圆形，直径61m 圆形，直径44m
车辐式双层索系 北京工人体育馆 成都城北体育馆 广汉市文体馆
建成年份
平面及尺寸
工程名称
我国悬索结构工程一览表
1988 1990
六边形，74m×79m 卵形，73m×89m
鞍形索网、以拱作为中央支承 四川省体育馆 青岛市体育馆
1990
近似椭圆，66m×78m
鞍形索网、以索--拱体系作为中央支承 北京朝阳体育馆
闭合曲线形环梁
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 边缘构件的形式可分为：
交叉索网体系
垂跨比
优缺点
拉索水平力的传递
形式
组成Βιβλιοθήκη 1991矩形，43m×44m
平行双层平面索系（索桁架） 无锡市体育馆
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。
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。
椭圆形，24.6×36.6m 椭圆形，60m×80m 椭圆形，36m×50m
双曲抛物面索网 天津大学健身房 浙江人民体育馆 新疆化肥厂俱乐部
1961 1979 1991
圆形，直径94m 圆形，直径61m 圆形，直径44m
车辐式双层索系 北京工人体育馆 成都城北体育馆 广汉市文体馆
建成年份
平面及尺寸
工程名称
我国悬索结构工程一览表
1988 1990
六边形，74m×79m 卵形，73m×89m
鞍形索网、以拱作为中央支承 四川省体育馆 青岛市体育馆
1990
近似椭圆，66m×78m
鞍形索网、以索--拱体系作为中央支承 北京朝阳体育馆
闭合曲线形环梁
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 边缘构件的形式可分为：
交叉索网体系
垂跨比
优缺点
拉索水平力的传递
形式
组成Βιβλιοθήκη 1991矩形，43m×44m
平行双层平面索系（索桁架） 无锡市体育馆
悬索结构
23
交叉索网体系
• 双曲面交叉索网体系由两组相互正交的、曲率相 反的拉索交叉而成。
① 单曲面单层拉索体系
a) 拉索水平力由竖 向承重结构承担
b) 拉索水平力 由锚索承担
20
c) 拉索水平力通过刚性水平 构件集中传至抗侧力墙
水平桁架加山墙结构
21
② 双曲面单层拉索体系
22
双层悬索体系
为了增强索本身的刚度，改单层索系为双层索系， 承重索与稳定索之间用圆钢或钢索联系，其形状如同 屋架的斜腹杆，因此也称为拉索桁架。
12
优点：
③ 悬索结构施工比较方便。钢索自重小，屋面 构件一般也较轻，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，与其他结构形式比较，施工 费用相对较低。 ④ 适应性强，造型美观。悬索结构适应于各种 建筑平面和外形轮廓。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。
5
应用于建筑工程中
• 雷里竞技馆，年
抛物线斜拱 承重索
承重索
• 美国北卡罗来纳州雷里竞技馆模型：1953年建成，跨度91.5m， 高31.24m，建筑面积6500m2 。为世界上第一个现代化房屋悬索 结构，采用鞍形索网体系。
6
雷里竞技馆
7
中国悬索结构的发展
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。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。此后(文 革时期) 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。
1988年四川省体育馆，屋盖以钢筋砼落地大拱和四周边梁 作支承组成两个对称的索网，屋盖平面尺寸为102×85m。 每个索网有45束承重索和10束稳定索。主索锚固在拱和南、 北边梁上，呈下凹曲线；副索置于主索之上，锚在东、西边 梁上，呈上凸曲线。
悬索结构受力特点
悬索结构是一种常见的工程结构，它包括一根或多根悬挂在两端支撑点上的悬挂索或悬挂链。
悬索结构通过合理的受力分布和受力传递机制，能够有效地承受荷载并保持结构的稳定性。
这使得悬索结构在大跨度桥梁、吊桥、天桥和绳索索道等工程中得到广泛应用。
这种结构具有以下受力特点：
1. 主要受力为拉力：悬索结构主要受力为拉力，其重量通过索或链均匀分散到支撑点上。
这使得悬索结构在承载负荷时能够有效地抵抗拉力，而不会出现明显的压力。
2. 自重的平衡：悬索结构的自重通过悬挂索或链均匀分布在整个结构上，从而实现了自重的平衡。
这种平衡状态有助于保持结构的稳定性和均衡性。
3. 悬垂形态：悬索结构在无外力作用时会呈现悬垂形态，即中间部分向下弯曲，两端略微抬升。
这种形态有助于均匀分散受力，并提供一定的刚度和稳定性。
4. 弧形荷载分布：当悬索结构承受均匀分布的荷载时，荷载将沿着悬挂索或链呈弧形分布。
这种分布使得悬索结构能够更好地分担荷载，并减小结构的应力集中。
5. 受力传递：悬索结构中的受力通过悬挂索或链传递到支撑点上，然后再通过支撑点传递到地基或其他支撑结构上。
这种传递方式使得受力分散均匀，提高了结构的稳定性和承载能力。
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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)
1624m ，丹 麦 1996， 箱梁， 6 4
3 恒伯尔桥(Humber)
1410m，英 国 1981，箱梁，
4 江阴长江公路大桥
1385m，中 国 1999，箱梁， 6
8 悬索结构
8.1
概述
定义
以一系列受拉钢索为主要承重构件，按照一定的 规律组成各种不同形式的布置方式，并悬挂在边 缘构件或支撑结构上而形成的一种空间结构。
8.1
概述
历史
最早应用于桥梁工程中 泸定桥，康熙年间
净跨100m，宽2.8m
8.1
概述
历史
最早应用于桥梁工程中 金门大桥，1937年，主跨1280m
第四节 悬索桥简介
和拱桥不同的是，作为承重结构的拱肋是刚 性的，而作为承重结构的悬索则是柔性的。 悬索的截面只承受拉力。
为了避免在车辆驶过时，桥面随着悬索一起变形， 现代悬索桥一般均设有刚性梁（又称加劲梁）。 桥面铺在刚性梁上，刚性梁吊在悬索上。现代悬 索桥的悬索一般均支承在两个塔柱上。塔顶设有 支承悬索的鞍形支座。承受很大拉力的悬索的端 部通过锚碇固定在地基中，个别也有固定在刚性 梁的端部者，称为自锚式悬索桥。
青岛体育馆(87m×72m)，
与四川省体育馆相似，采用一对跨度为109m交叉 的钢筋混凝土箱形拱作为中间支承。
耶鲁大学冰球馆
美国建筑师沙里宁设计，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。
C采用横向加劲构件
安徽体育馆，外包尺寸72m×53m不等边6角形， 长向 采用单曲承重索，横向按柱距6m设置轻型钢屋架作为 加劲构件，调整两端支座位移使索建立预应力
2双层悬索结构
组成
由一系列承重索和相反曲率的稳定索组成。
单曲面双层悬索结构
无锡体育馆(43m×40m)，
单曲面双层悬索结构，其上下索位于同一竖面内,承重 索与稳定索在跨中交接，类似拉索衍架，受力属平面 体系。
5 香港青马大桥
1377m，中 国 1997，桁架，上公6下铁2公4
悬索桥工程实例
1 日本明石大桥
世界上跨度最大的钢结构悬索公路桥。 总长3911米； 索塔间跨度1991米，为世界第一；
悬索桥工程实例
3金门大桥（Golden Gate Bridge）
地点：旧金山海湾，1937年通车 主跨：42005.3m，短轴129.4m。世界第一。
3组合悬索结构
将悬索体系与中间支承结构组合在一起而形 成的一种新型结构。
中间支承结构承受荷载较大，采用刚度大，受理 合理的拱，刚架，索拱体系。
四川省体育馆(73.7m×79.4m)，
屋盖为索网结构，采用一对相互倾斜、跨度 102.5m的钢筋混凝土拱作为中间支承(两片索网一 边支承在拱上，三边支承在梁上)。
2施工便捷、施工设施简单。
由于钢索自重很小，索的架设按装利用简便的施工机 具便可完成，不需要大型起重设备和搭设大量脚手架， 也不需要模板；还可利用架设好的钢索安装屋面材料
第一节 概述
特点
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廓。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。
单向悬索结构，双向悬索结构，轮辐式悬索结构
按几何形态
单曲面、双曲面悬索结构
按钢索的竖向布置方式
单层悬索结构，双层悬索结构，交叉索网。
1单层悬索结构
单层单向悬索结构
由一群平行走向的承重索组成，曲面下凹。 山东淄博体育馆，54m跨单层平行索系， 采用预加荷载方 法使钢索与钢筋混凝土形成具有抗弯刚度的预应力悬挂薄 壳。
吉林冰球馆(76.8m×67.4m) ，
承重和稳定索不在同一竖面上，相互错开半个柱距， 形成空间(立体)拉索桁架。在跨中间2/3范围内稳定索高 于承重索，靠近两端稳定索则低于承重索。
2双层悬索结构
双层辐射状悬索结构
中心环环向受拉，也可以为不受拉构件。 稳定索不仅用于保持承重索的稳定性，而且直接 承受屋面传来的荷载。 北京工人体育馆,1962年建成
2双层悬索结构
预应力鞍形悬索结构
承重索下凹，稳定索上凸，均受拉。 负高斯曲面 必须对索网施加预应力 边缘构件可以是柔性构件 浙江人民体育馆，1967年建成，杭州
鞍形双曲抛物面正交索网悬索屋盖，平面为椭圆形， 长轴80m，短轴60m。边缘构件是闭合空间曲梁，截面 2x0.8m。
天津大学健身房 卡尔加里滑冰馆
4悬索结构的稳定性较差，是一种可变体系，其平 衡形式随荷载分布方式而变化。 5悬索结构的形状稳定性，与悬索的张紧程度有关。
悬索内拉力愈大，其抵抗局部荷载引起的机构性位移 的能力愈大，即形状稳定性愈好。
6悬索结构的边缘构件和下部支承体系必须具有一 定的刚度和合理的形式，以承受索段巨大的水平 拉力。
8.2 受力与变形特点
支座反力H
1与索的下垂度f成反比， 2与索的跨度l的平方成正比。
索的拉力
1与索的下垂度f成反比， 2与索的跨度l的平方成正比。
索的变形
索属于柔性构件，索内仅有拉力，无弯矩和剪力， 抗弯刚度可以忽略不计。 索的形状随荷载的不同而改变。
8.3
悬索结构的形式
分类 按钢索的平面布置和索力的传递方向
单层辐射状悬索结构
悬索按辐射状布置，曲面下凹。排水不利。中间可设柱。 内环受拉，外环受压，并与悬索形成一自平衡体系。 山东淄博长途汽车站（圆形，跨径50m）
单层网状悬索结构
网状布置的单层索形成下凹曲面，索正交。 山东淄博化纤厂餐厅（30x30m）
1单层悬索结构
特点
单层悬索结构是一种几何可变体系。 单层悬索结构的稳定性与索的初始拉应力有关 抗风能力差
北京朝阳体育馆
北京朝阳体育馆(60m×78m)
采用预应力索拱体系作为索网的中间构架。
代代木体育馆
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，1964年落成，它是为 1964年东京奥运会而建。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。
4 混合悬挂体系
第四节 悬索桥简介
悬索桥的优点
内力传递明确
在一定的垂度下，主索的内力与桥跨长度接近正比关 系，工程量不应跨长而剧增。
施工方便 活载比例小 外形美观 主结构的部件重量和尺寸都小，运输、架设方便。
第四节 悬索桥简介
组成及特点
主缆：主要的承重构件 加劲梁（桁架）
提供桥面系和防止桥面发生过大的挠曲和扭曲变形
1单层悬索结构
拉索水平力的传递
通过竖向承重结构传至基础
1单层悬索结构
拉索水平力的传递
通过拉锚传至基础
1单层悬索结构
拉索水平力的传递
通过刚性水平构件传至抗侧力墙
1单层悬索结构
提高稳定性的措施
A采用重屋面，如装配式钢筋混凝土屋面板。 B采用预应力钢筋混凝土悬挂薄壳。
山东淄博体育馆，54m跨单层平行索系， 采用预加荷 载方法使钢索与钢筋混凝土形成具有抗弯刚度的预应 力悬挂薄壳。
8.1
概述
历史
最早应用于桥梁工程中 江阴长江大桥，1999年，主跨1385m
8.1
概述
历史
应用于建筑工程中 雷里竞技馆，1953年
8.1 概述
特点
1悬索结构受力合理，用料经济。
当采用高强度材料时，更可大大减轻结构自重，因而 可以较经济地跨越很大的跨度。但悬索体系的文承结 构往往需要耗费较多的材料，其用钢量均超过钢索部 分。