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。
第四章 悬索结构
二、悬索结构的受力特点
索的变形随荷载的不同而改变
第四章 悬索结构
二、悬索结构的受力特点
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
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二、悬索结构的受力特点
悬索结构在外荷载作用下，尽管应变很小，但结构会 产生较大的位移。传统结构的小变形分析理论将不再适用， 必须考虑结构的大变形的影响，即平衡方程不是以变形前 的初始位置建立，而必须以变形后的几何位置建立平衡条 件，这就是悬索结构的几何非线性问题。当在不同的初始 状态上施加相同的荷载增量时，引起的效应（内力和变形） 各不相同。因此，在求解悬索问题时其初始状态必须明确 给定，在此状态下的一切量均为已知，以此为参照来求解 在荷载增量下的悬索的内力和变形。
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一、悬索结构的类型和选型 特点
5、悬索屋盖结构的稳定性较差。单根的悬索是一种几何可变 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，无论是设汁成钢筋混凝土 结构或钢结构，其用钢量均超过钢索部分。
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一、悬索结构的类型和选型 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 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，悬索结构适 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。 2、悬索结构便于建筑造型，容易适应各种建筑平面，因而能 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。
一、悬索结构的类型和选型 概念
悬索结构通过索 的轴向拉力抵抗外荷， 最早用于桥梁，50年 代开始用于房屋建筑， 用 钢 量 一 般 在 10kg/m2 以 下 ， 但 支 承结构耗材较多。 泸定桥
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一、悬索结构的类型和选型 概念
金门大桥
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一、悬索结构的类型和选型 概念
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三、悬索结构的分析设计 初始形态分析
在悬索结构初始形态分析过程，“形”与“态” 的平衡是非常重要的。初始形态分析中的“形”是 指悬索结构的曲面几何形状；“态”是指结构的预 张力分布状态，一种“形”对应一种“态”，二者 不可分割。 在悬索结构初始形态分析过程，由于“形”与 “态”之间的一一对应性，形与态的平衡是非常重 要的。因此“形”的设定合理与否将直接影响到 “态”的合理性，反之亦然。
3、预应力鞍形索网：鞍形索网是由曲率相反的两组钢索相互 正交做成的负高斯曲率的曲面悬索结构，索网周边悬挂在边 缘构件上。下凹的承重索在下，上凸的稳定索在上，两组索 在交点处连接。
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一、悬索结构的类型和选型 分类
雷里ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ技馆
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一、悬索结构的类型和选型 分类
• 抛物线斜拱
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一、悬索结构的类型和选型 特点
3、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。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，施 工费用相对较低。 4、可以创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 采光要求高的建筑物也很适宜。
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三、悬索结构的分析设计 初始形态分析
常用的悬索结构初始形态分析方法主要包括力 密度法、动力松弛法、基于非线性有限元分析的节 点平衡法和支座提升法等。不论采用上述哪种思路， 都需要一个对“形”或“态”的反复试算过程。
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三、悬索结构的分析设计 设计要点
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~l/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~l/20。 2、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~l/20，稳定索的拱度可取跨度的1/15~l/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~l/12， 承重索的垂度可取跨度的 1/17~l/22 ，稳定索的拱度可取跨 度的1/16~l/26。
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二、悬索结构的受力特点
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 1、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。 2、索的形状随荷载的不同而改变。
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三、悬索结构的分析设计 设计要点
5. 由于索只能承受拉力，因此所选取的材料通常是抗拉性 能优异的材料。通常可以采用金属材质和非金属材质。较 为常见的金属材质为钢丝束、圆钢等，非金属材料如有机 纤维制成的束。钢丝的高耐拉强度是钢丝在生产过程中由 于冷拔处理的结果，由于纤维组织发生了变化，抗拉强度 比原始材料高3~6倍。
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三、悬索结构的分析设计 设计要点
3、对索网结构，承重索的垂度可取跨度的1/10~l/20，稳定 索的拱度可取跨度的1/15~l/30。 4、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-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）。
5、预应力索拱：在双层索系或鞍形索网中，以实腹式或格构 式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。
北京朝阳体育馆索拱体系
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一、悬索结构的类型和选型 分类
6、混合体系 德国慕尼黑溜冰馆
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一、悬索结构的类型和选型 发展概况
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一、悬索结构的类型和选型 概念
美国明尼亚波利斯 (Minneapolis) 联邦储备银行大厦为一座11层 大 楼 ， 跨 度 达 83.2m ， 用 悬 索 （ Suspended Cable）作为主要 承重结构，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，整个大 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，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。
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一、悬索结构的类型和选型 分类
2 、预应力双层悬索体系（索桁架）：双层悬索体系是由 一系列下凹的承重索、上凸的稳定索及两者之间的连系杆 （拉杆活压杆组成）
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承重索和稳定索不在同 一竖平面内的布置
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三、悬索结构的分析设计 初始形态分析
由于悬索结构在荷载作用下一般处于小应变、 大位移状态，所以对于该类柔性结构的有限元计 算需考虑结构具有的几何非线性的特点。 对于双曲抛物面索网结构可以通过解析计算 方法就可得到准确的初始平衡态；但对于其他类 型的曲面，其初始状态通常可以采用非线性有限 元法进行迭代计算来确定。
一、悬索结构的类型和选型 分类
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、预应力横向加劲单层 索系、预应力索拱及 张弦结构、悬挂薄壳、张 拉整体结构、索膜结构及混合悬挂结构等形式。
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一、悬索结构的类型和选型 分类
1、单层悬索体系：单层悬索体系是由按一定规律布置得 单根悬索组成，悬索两端锚挂在支撑结构上。索系布置有 平行式、辐射式、网格式三种。
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主要内容
一、悬索结构的类型和选型 二、悬索结构的受力特点 三、悬索结构的分析和设计
第四章 悬索结构
一、悬索结构的类型和选型 概念
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。 由受拉索、边缘构件和下部支承构件所组成。
第四章 悬索结构
三、悬索结构的分析设计
钢绞线
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三、悬索结构的分析设计
第四章 悬索结构
三、悬索结构的分析设计
钢丝束外应以高强缠包带缠包，高强缠包带外应有热 挤高密度聚乙烯 (HDPE) 护套，在高温、高腐蚀环境下护 套宜采用双层。高密度聚乙烯技术性能应符合现行行业标 准《建筑缆索用高密度聚乙烯塑料》CJ/T 3078的规定。
第四章 悬索结构
一、悬索结构的类型和选型 特点
由索受拉来抵抗外荷载，结构自重轻，适合于大跨度建 筑物； 建筑造型丰富，具有现代感和动感； 施工方便； 建筑物理性能良好，尤其是采光性和音响效果好； 计算复杂； 稳定性差； 下部支承结构耗费较大，不适合小跨度结构。
第四章 悬索结构
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。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。浙江人民体育馆建成于 1967 年， 其屋盖为椭圆平面，长径 80m ，短径 60m 。采用双曲抛物面 正交索网结构；长径方向主索垂度44m，短径方向副索拱度 2.6m。
• 承重 索
• 稳定 索
雷里竞技馆
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一、悬索结构的类型和选型 分类
4、劲性索结构：以具有一定抗弯和抗压刚度的曲线形实腹式 或格构式构件来代替柔索的悬挂结构。
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一、悬索结构的类型和选型 分类
第22届奥运会游泳馆劲性索屋盖结构
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一、悬索结构的类型和选型 分类