建筑索结构的类型及其应用 (1)

构、张弦结构、拉索结构、斜拉结构、索拱结构、吊挂结 构 7 种 类 型，结 合 我 国 最 新 的 工 程 实 践 逐 一 讨 论 各 种 类 型 建
筑索结构的组成与受力特点，介绍其在建筑钢结构与幕墙（ 采光顶） 中的应用及发展。
［关 键 词 ］建 筑 索 结 构 ；类 型 ；组 成 ；应 用
［中图分类号］TU323. 8
International Exhibition Center in Chengdu 3 张弦结构
张弦结构是指上弦刚性构件（结构） 与下弦索通 过撑杆连接成 的 自 平 衡 体 系 ，通 过 对 下 弦 索 施 加 预 应 力提高结构 刚 度，改 善 上 弦 内 力 分 布 。1957 年 第 1 个 张弦桁 架 模 型 试 验 在 哈 尔 滨 工 业 大 学 进 行 ，跨 度 12m； 1958 年在山西 大 同 煤 矿 四 老 沟 矿 建 成 了 全 国 第 一 个 张弦桁架输煤 栈 桥 ，跨 度 25m，采 用 预 应 力 钢 筋 ，比 原 设计钢结构节省 钢 材 达 51% ，以 后 张 弦 桁 架 有 了 一 些 应用。1999 年上海浦 东 国 际 机 场 （ 一 期 ） 航 站 楼 竣 工 投入运营，进厅、办 票 厅、商 场 和 登 机 廊 4 个 大 空 间 屋 盖均采用 了 张 弦 结 构 ，跨 度 依 次 为 49. 3，82. 6，44. 4m 和 54. 3m。它的 成 功 引 起 了 人 们 的 广 泛 关 注 ，推 动 了
图 11 上海世博会主题馆西展厅屋盖 Fig. 11 The roof of West Hall in Expo 2010 Shanghai
图 9 南京奥体中心游冰馆屋盖 Fig. 9 The roof of the swimming hall in
Nanjing Olympic Center
图 10 成都市新世纪国际会展中心展馆屋盖 Fig. 10 The roof of the showrooms in New Century
根 据 建 筑 索 结 构 近 年 来 的 发 展 ，按 其 组 成 和 受 力 特点可分为：悬索结构、管内预应力 结 构、张 弦 结 构、拉 索结构、斜拉结 构、索 拱 结 构、吊 挂 结 构。 本 文 主 要 讨 论其在钢结构与幕墙（采光顶） 应用中形成的各种体 系。 1 悬索结构
悬索结构主要承力构件是索 ，悬 挂 于 支 承 结 构 上， 采用双层索时上下弦索间使用撑杆或拉杆连系。根据 布索的不同方式形成索桁架 、索网、劲性索和索穹顶 。
施工技术
2010 年 8 月
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CONSTRUCTION TECHNOLOGY
第 39 卷 第 8 期
建筑索结构的类型及其应用
张毅刚
（ 北京工业大学空间结构研究中心，北京 100124）
［摘要］近年来索结构在建筑结构中得到日益广泛应用，建造技术迅速发展，将其 归 纳 为：悬 索 结 构、管 内 预 应 力 结
图 6 天津一汽丰田停车场罩棚 Fig. 6 The roof of parking in Tianjin
Auto I-Toyota Company
压杆，结构效率极高。国外已有多个 工 程，我 国 学 者 一 直在研究，难点在 于 预 应 力 的 施 加 过 程 。2009 年 无 锡 科技交流中心工 程 采 用 了 24m 跨 的 索 穹 顶，采 用 地 面 组装、整体提升、分 次 逐 级 张 拉 的 施 工 方 法，成 功 地 建 成了我国首个刚性屋面索穹顶。
5）劲性索结构 将刚性构件做成下垂形式如同柔 性索一样使用，称为劲性索。向下荷 载 作 用 时，刚 性 构 件受拉；向上风 荷 载 作 用 时，利 用 其 抗 弯 刚 度，以 拱 的 形态来承担荷载。显然劲性索结构的建造要比柔性索 容易，结构效率也 较 好 。2008 年 建 成 的 北 京 南 站 雨 篷 结构首次采用了劲性索结构（见图 7）。工字钢梁跨度 为 9. 772 ～ 67. 500m，最 大 下 垂 高 度 为 6. 464m，端 部 设 置斜拉索，主要用来稳固钢梁 。
4） 索穹顶 上弦索径向布置 ，下弦索环向 布 置，其 间径向布置斜 索 和 竖 直 压 杆 ，最 终 与 周 边 受 压 环 梁 一 起构成索穹 顶。 由 于 整 个 结 构 以 拉 索 为 主，辅 以 少 量
图 7 北京南站雨篷结构 Fig. 7 The roof of Beijing South Railway Station
［文 献 标 识 码 ］A
［文 章 编 号 ］1002 -8498 （ 2010 ） 08 -0008 -05
Types and Application of Cable Structures in Building
Zhang Yigang
（ Research Center of Space Structure，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）
图 4 深圳宝安体育场屋盖 Fig. 4 The roof of Baoan Stadium in Shenzhen 3） 索 网 两 方 向 的 索 交 叉 布 置 ，即 形 成 索 网。 通 常承重方向的索下凹 ，稳定方向的索 上 凸，构 成 双 曲 抛 物面。 图 5 是 1988 年 建 成 的 四 川 体 育 馆 ，跨 度 102. 45m，矢高 39. 27m 大 拱 作 为 中 间 支 承，两 边 是 双 曲抛物面索网。
2） 辐射布置 索 桁 架 将 索 桁 架 辐 射 布 置，与 受 压 外环梁和受拉内环梁（索） 组成圆形或椭圆形屋盖结 构，可以采用 1 层外环、2 层 内 环 或 2 层 外 环、1 层 内 环 的形式。
1961 年建成 的 北 京 工 人 体 育 馆 屋 盖 是 我 国 最 早
图 1 吉林冰上运动中心滑冰馆屋盖 Fig. 1 The roof of Jilin Gymnasium for slide on ice
2010 No. 8
张毅刚：建筑索结构的类型及其应用
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图 2 北京工人体育馆屋盖 Fig. 2 The roof of Beijing Worker Gymnasium
图 3 佛山世纪莲体育场屋盖 Fig. 3 The roof of Shijilian Stadium in Foshan 图 4 是正在建 设 的 深 圳 宝 安 体 育 场 屋 盖 ，外 环 为 237m × 230m 的 近 似 圆，内 环 129m × 122m，呈 马 鞍 面， 建筑美观，但结构建造难度增大 。
图 5 四Biblioteka Baidu体育馆屋盖 Fig. 5 The canopy of Sichuan Gymnasium
近年来索网 更 多 地 应 用 于 幕 墙 和 采 光 顶 ，如 采 用 单层索网支承 玻 璃 幕 墙 ，采 光 顶 采 用 斜 向 布 置 的 双 层 索网。2004 年 建 成 的 天 津 一 汽 丰 田 停 车 场 ，柱 网 是 26m × 24m ～ 35m × 24m，采 用 双 向 多 跨 连 续 索 桁 架 作 为每块双曲抛 物 面 索 网 的 支 承 体 系 ，这 里 应 用 两 种 形 式的索桁架 ，共覆盖 5 万多 m2 （ 见图 6） 。
曲 面 造 型；2005 年 建 成 的 南 京 奥 体 中 心 游 冰 馆 ，跨 度 78 ～ 27m（ 见 图 9 ） ，在 上 拱 的 下 弦 管 内 使 用 了 预 应 力 索，同年建成的成都市新世纪国际会 展 中 心 展 馆 ，跨 度 73. 06 ～ 89. 976m（ 见图 10） ，在下 凹 的 下 弦 管 内 使 用 预 应力索。下弦上 拱 时，竖 向 荷 载 作 用 引 起 的 变 形 将 使 管内索趋于松弛。管内预应力结构设计中应注意索与 钢管变形的协调及极端情况下断索情况验算。
张弦结构在大 空 间 屋 盖 中 的 应 用 与 发 展 ，是 目 前 建 筑 索结构中应用最广泛 、发展最快的结 构 形 式，设 计 理 论 与建造技术趋于成熟。
1） 单向张弦 结 构 上 弦 由 梁、拱、桁 架 或 立 体 桁 架 构成的张弦 结 构 属 于 单 向 受 力，一 般 平 行 布 置，辅 以 支 撑系统保证结构平面外稳定。几个跨度最大的工程均 采用张弦立体桁架，如 2002 年建成的广州国际会议展览 中心展览大厅屋 盖，跨 度 126. 6m；同 年 建 成 的 黑 龙 江 省 国际会议展览体育中心主馆屋盖，跨度 128m；2009 年建 成的上海世 博 会 主 题 馆 西 展 厅 屋 盖，跨 度 144m （ 见 图 11） ；同 年 建 成 的 东 营 黄 河 口 模 型 厅 屋 盖，最 大 跨 度 148m，立体桁架都采用了焊接球节点（ 见图 12） 。
Abstract：The cable structure in building has been applied widely and developed immediately in lately years. Seven kinds of cable structures，including cable-suspended structure，structure with cable in tube，cable-supported structure，cable-tensioned structure，cable-stayed structure，cable-arch structure and cable-hanged structure， are presented. Their forms， constitutes and mechanics capability are discussed，and some new projects of cable structures in steel structures，glass curtain walls and glass roofs are introduced. Key words：cable structure in building；type；constitute；application
的此类 结 构，跨 度 94m （ 见 图 2 ） 。 近 年 来 辐 射 布 置 索 桁架也用于采光顶。
图 3 是 2006 年建成的佛山 世 纪 莲 体 育 场 屋 盖 ，外 环达到 310m，内环 125m，是世 界 上 跨 度 最 大 的 辐 射 索 桁架。
［收 稿 日 期 ］2010 -05 -20 ［作 者 简 介 ］张 毅 刚，北 京 工 业 大 学 空 间 结 构 研 究 中 心 主 任 ，教 授，博 士 生 导 师，北 京 市 朝 阳 区 平 乐 园 100 号 100124 ，电 话： （010 ）67392520 ，E-mail：zyg@ bjut. edu. cn
近年来管内预应力结构 的 应 用 较 多 ，如 2002 年 建 成的济南战役纪念馆网架屋盖 ，跨度 42m；2009 建成 的 东北师范大学体育馆 ，跨度 40 ～ 70m，用 立 体 桁 架 构 成
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施工技术
第 39 卷
图 8 宿迁市文体馆屋盖 Fig. 8 The roof of Suqian Gymnasium
2 管内预应力结构 在钢管内穿 索 并 施 加 预 应 力 ，使 其 成 为 预 应 力 拉
杆，是预应力 钢 构 件 中 的 一 种 通 常 做 法 。 近 年 来 将 这 一做法直接应 用 于 双 层 管 结 构 的 下 弦 管 ，用 以 提 高 结 构刚度，节省下弦杆用钢 ，称管内预 应 力 结 构。 这 样 不 仅使索的张拉 施 工 方 便 ，同 时 还 有 利 于 索 的 防 火 与 防 腐。2000 年建 成 的 宿 迁 市 文 体 馆 屋 盖 焊 接 空 心 球 网 壳，呈双曲抛物 面，投 影 80m × 62. 5m （ 见 图 8 ） 。 经 过 方案比较认为，下 弦 管 内 穿 索 的 方 案 控 制 位 移 效 果 最 好 ，内 力 变 化 均 匀 ，用 钢 量 少 。
1）平行布置索桁架 由上下弦索加连系杆构成， 形 如 桁 架 ，故 称 索 桁 架 。
1986 建成的 吉 林 冰 上 运 动 中 心 滑 冰 馆 屋 盖 最 早 采用 索 桁 架，59m 跨，平 行 布 置 （ 见 图 1 ） ，需 要 支 撑 系 统保证多榀索桁架能够共同工作。近年大量用作玻璃 幕墙的支承体系 ，采光顶中也有应用 。