第七节悬索结构案例
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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。
小学科学4《巧用悬索》(教案)
小学科学4《巧用悬索》（教案）巧用悬索教学目标：1. 了解悬索的结构和原理。
2. 掌握巧用悬索的方法和技巧。
3. 培养学生的科学观察和实践能力。
教学重点：1. 悬索的结构和原理。
2. 巧用悬索的方法和技巧。
教学难点：1. 掌握悬索的稳定性原理。
2. 运用科学方法进行实验观察。
教学准备：1. PowerPoint课件。
2. 实验器材：绳子、两个瓶子、卷尺、重物等。
3. 实验操作台。
教学过程：Step 1: 引入新课教师可以通过展示一张著名的吊桥图片，让学生对悬索有一个初步的认识，并激发学生的兴趣。
Step 2: 介绍悬索的结构和原理通过PPT或板书的形式，引导学生了解悬索的结构和原理。
悬索是通过将一条绳子两端吊起来形成的简单机械结构，它的两端分别被固定在支架上，中间部分被重物所拉紧，形成一个弧形。
重力使得绳子的形状变为悬垂的形态，并产生拉力。
我们可以利用这种结构实现吊桥、高架等建筑。
Step 3: 展示实验演示教师在实验操作台上摆放好两个瓶子，并用一根绳子将它们连接起来。
教师用手轻轻拉扯绳子，让学生观察瓶子的运动。
解释拉紧绳子后，绳子的拉力使得瓶子保持稳定。
这就是悬索的稳定性原理。
Step 4: 进行小组讨论将学生分为小组，让他们共同探讨悬索的应用。
鼓励学生提出自己的观点和想法，并引导他们思考如何利用悬索解决一些实际问题。
例如，利用悬索制作秋千、吊床或高架等。
Step 5: 实验操作每个小组根据之前的讨论结果，选择一个应用，并进行实验操作。
例如，利用绳子和材料自制一个简易的秋千。
学生需要注意悬挂点的稳定性、材料的选择等方面。
在实验过程中，教师可以提问学生，引导他们思考并总结实验结果。
Step 6: 实验报告每个小组完成实验后，需要准备实验报告，包括实验目的、材料、实验步骤、结果分析和结论等内容。
学生可以通过绘制图表、写作文字的方式呈现实验过程和结果。
鼓励学生进行口头报告，并接受其他小组的提问和评价。
大跨度结构—悬索结构
7.2 悬索结构的分类
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。按组成方法
和受力特点，可分为以下类型：
7.2.1 单层悬索体系 7.2.2 预应力双层悬索体系 7.2.3 预应力鞍形索网
7.2.1 单层悬索体系
单层悬索体系由一系列、按一定规律布置的单根悬索组成， 悬索两端锚挂在稳固的支承结构上。 1. 平行布置形式（平行布置的单层索系形成下凹的单曲率 曲面，适应于矩形或多边形的建筑平面）
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)
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。
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
2.辐射式布置形式
3.网状布置形式 网状布置的单层索系形成下凹的双曲率曲面。适用于圆形， 矩形等各种平面
谢谢观看
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.辐射式布置形式 单索辐射式布置形成下凹的双曲率碟形屋顶，适用于圆形， 椭圆形平面
支承构件则常为钢筋混凝土结构。
7.1.2 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。 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
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。
建筑结构第七节悬索结构
错开布置，构成波形屋面
（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
3、预应力鞍形索网
• 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。 • 两组拉索中，下凹者为承重索，上凸者稳 定索，稳定索应在承重索之上。
a)
四、悬索结构的尺度
• 主要是承重索的垂跨比与稳定索的拱跨比， 其各体系适宜的尺度如下：
五、悬索结构工程实例
1 、安徽省体育馆
2、北京奥林匹克体育中心综合 馆
• 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。
2、预应力双层悬索体系
• （1）、一般形式：平行布置，辐射布 置，网状布置 • 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
（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
二、悬索结构的特点
1、悬索结构的优点 (1)、悬索结构受力合理，用料经济 (2)、施工便捷、施工设施简单 (3)、适应性强，造型美观 (4）、与桁架、钢架、拱和网架等常规结构相比， 悬索结构有以下特点：a 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， 计算悬索结构要采用几何非线性理论。 b 悬索是一种可变体系，其平衡形式随荷载分布 方式而变化。
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)
3大跨度建筑(3)
悬索结构受拉的线状材料刚性支架支撑索网-------单曲面单层双层轴向拉伸抵抗外荷作用，充分利用钢材强度双层单曲面（平行）索系◆稳定性好，整体刚度大，可施加预应力◆常用于矩形平面的单、多跨建筑◆两端必须锚固在侧边构件或基础上◆承重索垂度=（1/15~1/20）跨度◆稳定索拱度=（1/20~1/25）跨度◆承重索和稳定索可错开布置，构成波形屋面上凸大跨度建筑结构方式需设置强大的边缘构件悬索结构：悬索结构（实例）：轴向受力，材料强度利用率高；结构重量轻，适合各式大跨度结构；悬索便于造型，容易适应各种平面；施工方便，无须大型起重设备；能创造具有良好物理性能的建筑空间对边缘构件要求高，材料利用率低帐篷薄膜结构上海八万人体育场慕尼黑机场大跨度建筑结构方式薄膜只承受拉力（帐蓬）保证在各种风向下的稳定性是其设计的关键Terminal of the Jeddah International Airport)由10 组共210 个锥体组成, 每个锥体平面尺寸为45m ×45m ,总面积2750m1990 年, 美国圣地亚哥会议中心(San Diego Convent ion Center) , 有它由5 个单体组成, 每个单体平面尺寸为9115m ×18. 3m , 每跨两边各有一个三角形混凝土架支撑, 整个平面为9115m ×91. 5m 方形。
美国圣地亚哥会议中心(San Diego Convent ion Center)帐篷薄膜结构（实例）：美国圣地亚哥会议中心(San Diego Convent ion Center)1993年, 美国新丹佛国际机场Denver Airport, 是目前唯一的一个完全封闭式的张拉膜结构体系, 它是由一系列类帐篷单体组成, 柱跨115m , 长度。
帐篷薄膜结构（实例）：美国新丹佛国际机场Denver Airport美国新丹佛国际机场Denver Airport2000 年建成，其直径为320m ,由16 根百米桅杆支撑,72 根辐射状的悬索悬挂穹顶,是世界上。
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
4.悬索结构(中)
(a)
(b)
(c )
2/98
为有效抵抗机构性位移，需要采取不同的构 造措施，可能采用的办法有：
• 增加结构重量
• 增加结构刚度
• 增加相反曲率的构件 • 增加额外的约束
由此就形成 多种不同的 悬索体系
(d)
(e )
(f )
3/98
§4.3.2 悬索结构的基本类型
1.单层悬索体系
由许多平行的单根拉索组成，拉索两端悬 挂在稳定的支承结构上。
• 垂跨比大——索拉力小，稳定性和刚度好， 但结构空间大，经济性不好； • 合理垂跨比 1/20~1/10
19/98
2.预应力双索体系
Pre-stressed Double-layer Cable System
2.1 平面双索系统
主索 (承重索） 拉杆 副索 (稳定索）
20/98
稳定索的作用
• 抵抗风吸力 • 通过张拉稳定索对体系施加预张力 • 与承重索协同工作，提高体系刚度 • 无需重屋面，抗震性能较好
29/98
Pre-stressed Cable Net
3. 预应力鞍形索网
与双层索系的工作原理类似；区别在于后者 属于平面体系，而前者属于空间体系。
P 承重索 稳定索
30/98
结构设计要点
• 索网的几何形状取决于所覆盖的建筑平面形状、 支承结构形式、预张力的大小和分布等因素。
• 当建筑物平面为矩形、菱形、圆形、椭圆形等规 则形状时，索网有可能做成双曲抛物面；此时索 网各钢索受力均匀，计算也较简单。
5.3 弦支穹顶 (Suspen-dome)
1993年，日本川口卫教授（M. Kawaguchi）结合索穹
顶和张弦结构的思想，提出的一种新型空间张弦结构体系。
悬索结构
索体系 预应力双层悬索体系 劲性悬索，预应力横向加劲单层体系 预应力索拱体系 组合悬索体系
悬索结构简介
1986年 吉林滑冰馆 当年修建悬索结构统计：数量：2座 面积：6300平米
悬索结构简介
• 1989年 安徽省体育馆 当年修建悬索结构统计：数量：4座面积：10261平米
都昌人民广场膜结构小品
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。这种状态 同当时蓬勃兴起的新的建设形势形成了明显的反差。在设 计日益增多的如体育馆等一些大型公共建筑时，普遍感到 结构形式的选择余地很有限，无法满足日益发展的对建筑 功能和建筑选型多样化的要求。
（二）索预拉力的施加方案 一般采用张拉钢索法对大跨度张弦梁结构施加预拉力。 钢索可以在张弦梁结构各构件装配在结构支座处后一次张拉; 也可以在临时支架上进行张拉，张拉完毕后再提升并滑移至 结构支座处。对在临时支架上张拉的张弦梁结构，可能还有 必要在其安装到结构支座处后再次张拉，即分批张拉。进行 分批张拉的原因有二：其一，考虑到张弦梁整体刚度形成后 的强几何非线性和屋面荷载尚未施加等因素，若在临时支架 上将全部预拉力一次施加上去，可能导致结构变形太大，无 法获得理想的几何位形；其二，对安装在支座上的张弦梁结 构再次张拉可以调整几何位形方面的施工误差，提高施工质 量。 索内预拉力的施加方法和方案应根据结构特点、张拉机 具、锚具特点和吊装能力等综合确定，必要时可以采用不同 方法的组合方式以施加预拉力。
悬索结构简介
1986年 吉林滑冰馆 当年修建悬索结构统计：数量：2座 面积：6300平米
悬索结构简介
• 1989年 安徽省体育馆 当年修建悬索结构统计：数量：4座面积：10261平米
都昌人民广场膜结构小品
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。这种状态 同当时蓬勃兴起的新的建设形势形成了明显的反差。在设 计日益增多的如体育馆等一些大型公共建筑时，普遍感到 结构形式的选择余地很有限，无法满足日益发展的对建筑 功能和建筑选型多样化的要求。
（二）索预拉力的施加方案 一般采用张拉钢索法对大跨度张弦梁结构施加预拉力。 钢索可以在张弦梁结构各构件装配在结构支座处后一次张拉; 也可以在临时支架上进行张拉，张拉完毕后再提升并滑移至 结构支座处。对在临时支架上张拉的张弦梁结构，可能还有 必要在其安装到结构支座处后再次张拉，即分批张拉。进行 分批张拉的原因有二：其一，考虑到张弦梁整体刚度形成后 的强几何非线性和屋面荷载尚未施加等因素，若在临时支架 上将全部预拉力一次施加上去，可能导致结构变形太大，无 法获得理想的几何位形；其二，对安装在支座上的张弦梁结 构再次张拉可以调整几何位形方面的施工误差，提高施工质 量。 索内预拉力的施加方法和方案应根据结构特点、张拉机 具、锚具特点和吊装能力等综合确定，必要时可以采用不同 方法的组合方式以施加预拉力。
悬索结构 吴志汉 1101081020 11级建筑学
受力特点： 双层索体系中，设置了相反曲率的稳定索及相应 的连系杆，不仅能够有效地抵抗风吸力作用，而且可 以对体系施加预应力。通过张拉承重索或稳定索，或 对他们都施行张拉。均可使索系绷紧，在承重索和稳 定索内保持足够的预拉力，以使索系具有必要的形状 稳定性。此外，由于存在预应力，稳定索能与承重索 一起抵抗竖向荷载作用，从而整个体系的刚度得到提 高。采用预应力双层索系是解决悬索屋盖形状稳定性 问题的一个十分有效的途径。预应力双层索系具有良 好的结构刚度和形状稳定性，因此可以采用轻屋面， 如石棉板、纤维水泥板、彩色涂层压型钢板及高效能
吴志汉 11级建筑学 1101081020
悬索结构
一 悬索结构的特点 二 悬索结构的分类 三 悬索结构的尺度 三 工程实例
悬索结构的特点
一. 悬索结构的优点 1.悬索结构受力合理，用料经济。（当采用高 强材料时可减轻结构自重） 2.施工方便，施工设施简单。 3.适应性强，造型美观。 4.与桁架 刚架 拱和网架等常规结构相比，悬索 结构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
1种结构方 案形式。
平行布置 平行布置的单层索系形成下凹的单曲率曲面，适 应于方形或多边形的建筑平面，可用于单跨和多跨以 上的建筑。
图中表示了各种 不同的的悬索支撑 体系。
（2）辐射式布置 单索辐射式布置形成下凹的双曲率蝶形屋顶，适应 用于圆形 椭圆形建筑平面辐射式布置的单层索系中，要 在圆形平面中心设置中心环；在外围设置外环梁。索的 一端锚在中心环上，另一端锚在外环梁上。在索的拉力 水平分量作用下，内环 悬索 外环形成一自平衡的体系。
预应力鞍形索网 由相互正交、曲率相反的两组钢索直接叠交而形 成一种负高斯曲率的曲面悬索结构。
悬索结构
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。
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：4200ft，这一长度记录保持了29年
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。
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。
北京朝阳体育馆
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。
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：4200ft，这一长度记录保持了29年
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。
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。
北京朝阳体育馆
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。
悬索结构
悬索结构的型式 交叉索网体系
单层平行索之上 或之下增设与之正 交的稳定索，形成 双层平行索系。 两组拉索中，下 凹者为承重索，将 屋面荷载传到边缘 构件，上凸者稳定 索，将风吸力传到 边缘构件，稳定索 应在承重索之上。
一般张拉稳定索，使两组索均 获得预应力。 刚度大，变形小，稳定性好， 抗动荷载能力优。
概述 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。 杭州体育馆：建于1966年，采用马鞍形悬索屋盖，建筑平 面椭圆形，长轴80m，短轴60m。
承重索和稳定索在同一竖平面内
悬索结构的型式 双层悬索体系 1）单曲面双层拉索体系
单曲面双层拉索体 系中的承重索或稳 定索也可以不在同 一竖向平面内，而 是相互错开布置， 构成波形屋面可有 效地解决屋面排水 问题。承重索与稳 定索之间靠波形的 系杆连接，并借以 施加预应力。
承重索和稳定索不在同一竖平面内
概述 悬索结构的发展
1961 北京工人体育馆
1966 杭州体育馆
悬索的受力与变形特点 索的支座反力
由 ，支座反力为 Y 0
1 V A VB ql 2
索中任一截面的弯矩为零， 以跨中截面为矩心，则有：
1 2 ql Hf 0 8
式中， M 0 1 ql 2
第7章大跨结构-拱索
有矩和无矩结构比较
方形框架：
最大弯矩：M ql2 /12 最大轴力：N ql / 2
最大截面应力： 55q / b
圆环：
弯矩：M 0, 轴力：N ql / 2 截面应力： 5q / b
比较（取l/h=10）：
55q / b/5q / b
11
在荷载与尺寸相同情况下，无 矩结构比有矩结构优越得多！
经向力：
N
hR 1 cos
纬向力：
N
hR
1
1
cos
cos
Nφ恒为负，即受压； Nθ上部受压，下部受拉；
壳体壳身与支承环的关系
由上图可得： 支承环受拉力为：T=HRr=RrNφsinξ
由于支承环 受拉，可以 采用预应力 混凝土构件， 同时考虑到 球壳在近支 承环附近有 局部弯矩产 生，该处壳 体应适当加 厚，并配双 层钢筋！
全高的平方成反比，即σmax∝1/ H2；
筒体单元受力状态及内力估算
Nx、Nφ为纵向及横向法向力； Sxφ＝Sφx＝S为顺剪力； Mx、Mφ为纵向及横向弯矩； Vx、Vφ为纵向及横向剪力； Mxφ、Mφx为扭矩；
筒壳内力简化分析
1、长筒(l1/l2≥3)：壳身内力Nx及S与梁相似，可按梁
简化分析；
柱拱结构 墙拱结构
平面屋盖和筒壳屋盖比较
由于H>>h,边梁高度可以适当减少，因此，筒壳屋盖也比
平面屋盖有很大优越性
平面屋盖：荷载由板沿横向传给梁，梁的最大纵向应力与梁截面
的平方成反比，即σmax∝1/h2；
筒壳屋盖：荷载由壳体与边梁组成的弧形截面大梁传给端隔板和 柱，此时，壳板顶部受压，整个边梁受拉，最大纵向应力与筒壳
2、短筒(l1/l2≤1/2)：壳身弯曲内力很小，可按薄膜理 论估算内力Nx、Nφ及S；
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(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 : 单层悬索体系一 1/200( 自初始几何态 算起 ), 双层悬索体系、索网结构 -1/250( 自预 应力态算起)。 (3)钢索宜采用钢丝、钢绞线、热处理钢筋,质 量要求应分别符合国家现行有关标准 ,即《预 应力混凝土用钢丝》(GB5223) 、《预应力混 凝土用钢绞线》(GB5224〉、《预应力混凝 土用热处理钢筋》(GB4453)。
罗马体育馆
北京朝阳体育馆（二元并联）
北京石景山体育馆（三元并联）
哈尔滨工业大学体育馆（四元并联）
汉中体育馆(四元并联)
二悬索结构的 特点
悬索结构与其它结构形式相比,具有如下一些特 点 :(1) 受力合理 , 经济性好。悬索结构依靠索的 受拉抵抗外荷载,因此能够充分发挥高强钢索的 力学性能 ,用料省, 结构自重轻 ,可以较经济地跨 越很大的跨度。索的用钢量仅为普通钢结构的 1/5~1/7, 当跨度不超过 150m 时 , 每 1m2 屋盖的用 钢量一般在10kg以下。(2)施工方便。钢索自重 小 , 屋面构件一般也较轻 , 施工、安装时不需要 大型起重设备 , 也不需要脚手架 , 因而施工周期 短,施工费用相对较低。
2、双层悬索体系
双层悬索体系是由一系列下凹的承重索和上凸的 稳定索以及它们之间的连系杆组成。双层索系中 的每对承重索、稳定索一般位于同一竖向平面,二 者之间通过受拉或受压的连系杆相连,其外形与受 力特点类似于承受横向荷载的传统平面衍架,所以 又称为索衍架。承重索与稳定索的布置形式有多 种方式,应综合考虑建筑功能,建筑造型及结构受力 的合理性等条件进行选取 索系的布置也有平行布置、辐射式布置和网状布 置三种形式
3、索网结构
鞍形索网是由相互正交,曲率相反的承重 索和稳定索叠交而形成的负高斯曲率的 曲面悬索结构。下凹的钢索为承重索,上 凸的钢索为稳定索,两组索在交点处相互 连接在一起,索网周边悬挂在强大的周边 构件上。
东京驹泽公园体育馆 采用多片壳体组合起伏多变的索网突出开阔的环境
耶鲁大学冰球馆
三、悬索结构的选型
对矩形平面可采用单层单向悬索,承重索沿 长边方向布置。或双层单向悬索,索沿短边 向布置较有利;在圆形平面中可采用单层或 双层辐射状悬索及索网结构，在接近方形 平面和椭圆形平面中则选用索网结构较为 合适。当平面为梯形、扇形,采用单层或双 层悬索体系时,索的两端支点应按等距离设 置。单层索系应采用重屋面,双层悬索体系 索网结构宜采用轻屋面也可用重屋面。
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(4) 悬索结构的计算应按初始几何状态、预应 力状态和荷载状态进行,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、位移 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。
第七节 悬索结构
一、悬索结构的形式
单层索网 －－单层单向悬索结构 －－单层辐射状悬索结构 双层悬索体系 －－双层单向悬索结构 －－双层双向悬索结构 －－双层辐射悬索结构 索网结构
单层悬索体系的问题
单层悬索体系的工厂与单根悬索相似,其稳定性 较差。首先,单层悬索体系是一种可变体系 为增大单层悬索体系的稳定性,一般可采取如下 措施:a.采用重屋面b.采用预应力钢筋混凝土悬 挂薄壳。 c.采用横向加劲构件。在平行布置的 单层悬索上,把索锚固好以后,在索上敷设与索 方向垂直的实腹梁或绗架等横向劲性构件,下压 这些横向构件的两端,使之产生强迫位移。
(3)建筑造型美观。悬索结构不仅可以适应 各种平面形状和外形轮廓的要求,而且可以 充分发挥建筑师的想象力,较自由地满足各 种建筑功能和表达形式的要求 ,实现建筑和 结构较完美的结合。(4)悬索结构的边缘构 件或支承结构受力较大,往往需要强大的截 面、耗费较多的材料,而且其刚度对悬索结 构的受力影响较大,因此,边缘构件或支承结 构的设计极为重要。(5)悬索结构的受力属 大变位、小应变,非线性强,常规结构分析中 的叠加原理不能利用,计算复杂
四、悬索结构的设计要点
1.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 计为等高或不等高,索的垂度可取跨度的1/10~1/20;当平 面为圆形时,中心受拉环与结构外环直径之比可取 1/8~1/17, 索的垂度可取跨度的 1/10~1/20 。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 1/15~1/20,稳定索的拱度可取跨度的1/15~1/25;当平面为 圆形时，中心受拉环与结构外环直径之比可取1/5~1/12, 承重索的垂度可取跨度的1/17~1/22,稳定索的拱度可取 跨度的1/16~1/26。对索网结构,承重索的垂度可取跨度 的1/10~1/20,稳定索的拱度可取跨度的1/15~1/30。
1、单层悬索结构
单层悬索体系 单层悬索体系由一系列按一定规律布置 的单根悬索组成,悬索两端锚挂在稳固的 支承结构上。在悬索结构中,单层悬索体 系在构造和理论计算上都比较简单。 单层悬索体系又可细分为单层单向悬索 结构、单层辐射状悬索结构和单层网状 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,并 构成单曲下凹屋面。拉索两端悬挂在稳定的支承结构上, 也可设置专门的锚索或端部水平结构来承受悬索的拉力 单层辐射状悬索结构。当屋盖为圆形或椭圆形平面时, 悬索一般按辐射状布置,整个屋面形成下凹的旋转曲面, 悬索支承在周边构件受压圈梁上，这种下凹的屋面不便 于排水。当房屋中央客厅设支柱时,可利用支柱升起为 悬索提供中间支承,做成伞形屋面。 单层网状悬索结构。网状布置的单层索形成下凹的双曲 率曲面,两个方向的索一般是正交布置,适用于圆形、矩 形等各种平面。单层网状悬索结构其边缘构件的弯矩大 于辐射式布置的,但省去了中心拉环。