第4章 悬索结构(完海鹰)

证处于最不利荷载组合时稳定索不出现松弛的前提 下，应尽量减小两者的预拉力值，以减小其对边缘 构件的作用力。
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为了施加预应力，两个方 向的索曲率相反，因此预 应力索网的曲面必定是负 高斯曲率的鞍形曲面
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第4章 悬索结构
4.1.2 悬索结构的特点 n 受力合理，经济性好。悬索结构通过索的轴向拉伸 来抵抗外荷载（作用），可以最充分地利用高强度 钢材的承载能力，大大减轻结构的自重，较经济地 跨越很大的跨度。是大跨度结构的主要结构形式。
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第4章 悬索结构
（5 ）组合悬索结构 5 将两种或两种以上的悬索体系（索网、单层索 系、双层索系等）和强大的中间支承结构组合在一 起，可形成形式各异的组合悬索结构。
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德国慕尼黑溜冰馆组合索网结构
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单层悬索体系分为平行布置、辐射式布置和网 状布置三种形式。 ① 平行布置的单层索形成下凹的单曲率曲面，适用 于矩形或多边形建筑平面 ② 单索辐射式布置是由一系列沿径向辐射布置的承 重索构成，形成一个下凹的正高斯曲率碟形屋面。 ③ 单索网状布置的单层索形成下凹的双曲率曲面， 两个方向的索一般呈正交布置，可用于圆形、矩 形等各种平面。
第4章 悬索结构
4.1 悬索结构概述
悬索结构定义 是以一系列受拉的索作为主要受力构件，并 将其按一定规律排列组成各种形式的体系后，悬 挂到相应的支承结构上。
索一般采用由高强度材料组成的钢铰线、钢丝 绳或钢丝束，也可以采用高强度圆钢筋或预应力钢棒。 4.1.1 悬索结构的发展和应用情况
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目前世界上最长的悬索桥是日本1998年建造的明石海峡 大桥，主跨1991m。
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索网结构示意图 及节点
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4.2.2 悬索结构的构造和施工要点 n 索的相交节点处理：受力明确可靠、安装方便、 便于调整。 n 索与周边支承结构的锚固节点是保证悬索结构可 靠工作的主要保证； n 与屋面围护结构的连接：节点传力、变形协调； n 分阶段张拉成型，施工张拉顺序对结构受力的影 响。（顺序倒拆法）
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用钢量低。对于悬挂屋盖，当结构跨度小于 2 150m，屋盖悬索的用钢量一般小于10kg/m ；但 下部支承结构（RC、S）材料用量加大。 悬索结构施工比较方便。结构自重小，屋面轻， 安装时无需大型起重设备和模板、脚手架等，施 工费用相对较低。 火灾后的破坏后果比普通钢结构小。
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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
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吉林滑冰馆—预应力空间双层索系
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（3 ）预应力鞍形索网 3 是由相互正交、曲率相反的两组钢索叠交，而 形成的一种负高斯曲率的曲面悬索结构。 u 设计时应避免曲面扁平，因此在保证建筑要求 的前提下，矢跨比不宜过小，应控制在1/10-1/20。 u 预拉力是影响结构受力性能的另一因素。在保
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双层悬索体系分为平行布置、辐射式布置和网 状布置三种形式。 承重索垂跨比经验取值1/20-1/15，稳定索拱跨 比为1/25-1/20 。
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浙江黄龙体育中心体育场
5.4万座，挑蓬外挑50m，外环梁跨度244m。
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吊塔及斜拉索
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我国现代悬索结构发展于50年代末、六十年代初，代表 作为北京工人体育馆和浙江人民体育馆。 1961年建成 北京工人体育馆屋盖直径为94m的圆形平 面，采用车辐式双层悬索体系。 1967年建成 浙江人民体育馆椭圆形平面，长轴80m，短 轴60m，采用双曲抛物面正交索网结构。 文革时期，屋盖的悬索结构陷入停顿。直到1980年，成 都城北体育馆的建设（D=61m，双层车辐式悬索结构， 比北京工人体育馆有所改进），拉开了我国悬索结构的 新的发展阶段。 1986年建成的吉林滑冰馆，为59mX77m的矩形平面， 采用预应力双层悬索结构。 其他
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单 层 悬 索 结 构
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单层悬索的工作与单根悬索相似，是一种可变 体系，在恒载作用下呈悬链线形式，在不对称荷载 或局部荷载作用下产生大的位移（机构性位移）。 因此其形状稳定性不佳。索的张紧程度与索的稳定 性（抵抗机构位移的能力）成正比。 索的形状稳定性不佳主要指两层含义： ①悬索是一种可变体系，其平衡形状随荷载分布方 式而变。 ②索的抗风能力差。在风吸力作用下悬索内的拉力 下降，稳定性进一步降低。
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香港的青马大桥也是世界著名的悬索桥，于1997年4月 建成的青马大桥，该桥通往大屿山新机场，为世界最宽 的悬索桥。 世界上第一个现代悬索屋盖是1952年建成的Raleigh竞 技馆，平面为91.5mX91.5m的近似圆形。采用两个斜放 的抛物线拱支承的鞍形索网。 1956年建成 德国多特蒙德展览大厅，屋盖矩形平面尺寸 80mX118m，采用平行布置单层悬索结构体系。 1957年建成 美国华盛顿杜勒斯机场候机楼，屋盖矩形平 面尺寸51.5mX195.2m，采用平行布置单层悬索结构体系。 1966年建成 瑞典斯德哥尔摩约翰尼绍夫滑冰馆，屋盖平 面(72­83)mX118m矩形，采用平行布置双层预应力悬索 体系。
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车 辐 式 双 层 索
悬索结构的计算一般按弹性理论，假定索是理想柔 性的，既不能受压，也不能抗弯，但承重索和稳定索之 间的连杆绝对刚性。在基本假定的基础上可建立索曲线 的平衡微分方程，再根据荷载及边界条件求出索的张力。
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美国雷里体育馆 The Raleigh Arena, USA (a 剖面 Section b 立面 Elevation)
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（4 ）含劲性构件的悬索体系 4 ① 劲性索结构 是以具有一定抗弯和抗压刚度的曲线形实腹或 格构式构件来代柔索的悬挂结构。 优点：结构刚度大大增强，同时减少对支承结 构的作用，简化施工程序。 ② 预应力索拱体系 在双层索系或鞍形索网中，以实腹式或格构式 劲性构件代替上凸的稳定索，通过张拉承重索或对 拱的两端下压产生强迫位移，使索与拱互相压紧， 便形成了预应力索拱体系。
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明石海峡大桥
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Raleigh竞技馆
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德国多特蒙德展览大厅
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华盛顿杜勒斯机场候机厅
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拉索水平力的传递，一般有以下三种方式： １）拉索水平力通过竖向承重结构传至基础,拉 索的两端可锚固在具有足够抗侧刚度的竖向承 重结构上
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l （2）拉索水平力通过拉锚传至基础
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设置横向加劲构件指的是设置横向加劲梁或 横向加劲桁架。横向加劲构件的作用是分配局部 荷载及将索连成整体。
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。垂跨比经验取值1/20-1/10。
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悬索结构便于创造优美的建筑造型，适应多种平 面形状和外形轮廓，能较好地满足建筑表达和功 能的要求。建筑师乐于采用。 动力特性比较复杂。在风荷载和地震作用下的结 构分析和稳定性计算难度较大。 结构初始形状、预应力的建立及正常使用阶段的 工作特性属于几何非线性问题。 施工技术要求较高，需要专业的施工队伍，需要 配合施工进行多工况、多阶段的分析计算。 结构变形较大，对屋面材料的变形性能要求高。 悬索结构的边缘构件或支承结构受力较大。
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l）锚固在足够重的大体积混凝土中； 2）利用底板及回填土自重抵抗拉力； 3）锚固于受拉摩擦桩或受弯摩擦桩上； 4）锚固在岩石层的钻孔中。
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（3）拉索水平力通过刚性水平构件集中传至抗侧 力墙
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第22届奥运会游泳馆劲性索屋盖结构
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索拱体系
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四川省体育馆的组合索网结构
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北京朝阳体育馆的组合悬索结构
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按组成方法和受力特点将悬索结构大致分为： 单层悬索体系、预应力双层悬索体系 、预应力鞍形 、 、 索网、劲性悬 索、预应力横向加劲单层索系、预应 、 力索拱体系、组合悬索结构 、悬挂薄壳以及混合悬 力索拱体系、 挂结构等。 （1 ）单层悬索体系 1 是由一系列按一定规律布置的单根悬索组成， 两端锚挂在稳固的支承结构上。
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4.2 悬索结构的类型和选型
4.2.1 悬索结构的形式和分类 1 、悬索屋盖的基本组成 1
悬索屋盖结构通常由悬索系统、屋面系统和支承系 统三部分组成。
1）悬索系统 2）屋面系统 3）支承系统 2 、悬索结构的分类 2
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第4章 悬索结构
（2 ）双层悬索体系 2 由一系列承重索和相反曲率的稳定索组成。每 对索之间通过受拉钢索或受压撑杆连系，构成如桁 架形式的平面体系，称索桁架。 稳定索可以抵抗风吸力的 作用，同时，相反曲率的稳定 索和相应的索杆能对体系施加 预应力，使每对索均保持足够 大的张紧力，提高了整个结构 的稳定性。
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第4章 悬索结构
解决索的形状稳定性不佳的办法： ① 采用重屋面 如装配式钢筋混凝土屋面板等
② 采用预应力钢筋混凝土悬挂薄壳 (1)挂屋面板 (2)加超载，然后灌缝 (3)缝结硬后卸去超载，形成悬 挂薄壳 ③ 采用横向加劲构件
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