4.悬索结构(中)

罗马尼亚布加勒斯特文体宫
Arena in Bucharest，1974
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2.2 园形平面的双层索系
Double-layer Cable System with Circular Plan
辐射布置
网状布置
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轮辐式双层悬索体系
• 是圆形平面屋盖的常源自文库结 构形式之一。
• 由外环、内环及联系内外 环的辐射方向布置的两层 钢索组成。 • 外环受压，一般用钢筋混 凝土做成，支承在周边的 柱上。内环受拉，一般采 用钢结构。
a) 平行布置
b) 辐射布置
c) 网状布置
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单层悬索与单根悬索相似，是一种可变体 系，易产生铰大的机构性位移。此外，各根索 之间的协同工作性能也需要加强。
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改进措施1：设置重屋面 使均布重力荷载具有优势以保证初始形状 的相对稳定性。 重屋面使悬索截面增大，支承结构的受力也 相应增大，从而影响经济效果。
- Geometry Configuration
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Pengrowth Saddle Dome
- Construction Process
为加强刚度和形状稳定性，屋盖采用了悬挂薄壳构造方案： 1) 柱的安装 2) 环梁安装
3) 索网安装
4) 屋面板安装
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4. 劲性索结构
Rigid Cable Structures
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Johanneshov Ice Stadium in Stockholm，1962
瑞典斯德哥尔摩约翰尼绍夫滑冰场
• 近似矩形平面118×83 m，采用Jawerth体系 • 屋面采用预制轻质混凝土板 • 屋面索耗钢量2.98kg/m2
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芬兰赫尔辛基冰上运动场
Helsinki Ice Stadium，1966
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美国雷里体育馆
The Raleigh Arena, USA, 1953
• 第一个具有现代意义的大跨度索网屋盖结构
• 近圆形平面 92×97 m，索网格1.83×1.83m • 稳定索拱跨比1/10，承重索垂跨比1/9
• 钢筋混凝土拱截面4.27×0.76m，与地面呈 21.8°角。
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是以具有一定抗弯和抗压刚度的曲线形实腹 或空腹构件来替代柔性索的悬挂结构。 优点：
1) 由于构件具有一定的抗弯刚度，因而其抵抗局部荷 载下机构性位移的能力大大增强。 2) 无需施加预张力，施工方便。 3) 可就地取材，降低材料造价。
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代代木体育馆
The National Indoor Stadium, Tokyo，1964
• 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
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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）
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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
安徽体育馆
索跨度72m，垂跨比1/16， 索水平力由看台框架承担。
梯形钢桁架，间距6m，最 大跨42m，跨中截面高 3.2m，端部高1.6m。 屋盖总用钢量22kg/m2。
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★ 结构设计要点
垂跨比是影响单层悬索体系工作性能的重要 参数。
• 垂跨比小——屋面较平，索拉力大，稳定性 和刚度较差；
1) 挂屋面板
①
2) 加超载，然后灌缝
3) 待缝结硬后卸去超载
②
形成悬挂薄壳 是重屋面体系的进一步 演进，其屋面不仅提供重 力，而且参加结构工作。
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③
Dulles International Airport Terminal，1957
华盛顿杜勒斯机场候机厅
• 矩形平面195.2×51.5m • 屋面采用预制轻质混凝土板，灌缝处理。
《大跨空间结构》之
4.悬索结构 (中)
Cable Structures
主讲人：钱宏亮 哈尔滨工业大学(威海）
§4.3 悬索结构选型
4.3.1 形状稳定性问题
4.3.2 悬索结构的基本类型 4.3.3 悬索结构的选型原则
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§4.3.1 形状稳定性问题
由于索结构的轻、柔特点，使其在风荷载和 非对称荷载作用下，易产生较大的机构性位移和 振动，因此形状稳定性是索结构的核心问题。 形状稳定性 —— 结构抵抗机构性位移的能力。
主索 (承重索）
副索 (稳定索）
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★ 结构设计关键参数
承重索的垂跨比和稳定索的拱跨比是影响 双层索系工作性能的重要几何参数。 承重索垂跨比：1/15~1/20 稳定索拱跨比：1/20~1/25
主索 (承重索）
副索 (稳定索）
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几种不同形式的平面双索结构
凸式
凸凹式
凹式
索桁架 （Jawerth体系）
悬挂在中央塔柱上的两 条主悬索+两侧的索网
鞍形索网的承重索采用 高0.5~1.0m的工字钢
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索节点图
Cable Connecting
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5. 索拱体系与张弦体系
Cable-Arch System & Beam string Structure
5.1 预应力索拱体系
稳定索→拱构件
预应力索拱体系
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张弦结构与索拱体系的区别：
• 索拱体系 – 两端一般为固定铰支座； – 索和拱可分别支承在不同结构上； – 体系自身通常不构成封闭力系。 • 张弦结构 – 一端为滑动铰支座，刚性构件的水平推力通 过支座滑动与索拉力平衡； – 为自平衡体系，简化了施工。
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3）结构设计要点
（1）合理的预拉力值。 （2）合理的垂跨比。 张弦梁垂跨比：0.1~0.135（30m~40m）和
外环
内环
稳定索
撑杆
73.2
承重索
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车辐式双索体系的演化
建成年份：1958
圆形平面：D=104, d=20, h=8.5m
布鲁塞尔世博会美国馆
耗钢量：53kg/m2
建成年份：1960 圆形平面：D=73.2m, h=6.1m 耗钢量：17.1kg/m2
纽约Utica市大会堂
建成年份：1980 圆形平面：D=61, d=8，h=6m
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Chaoyang Gymnasium, Beijing, 1990
北京朝阳体育馆
• 拱跨度57m
• 索跨度59m • 耗钢量52.2kg/m2
• 近椭圆形，69m×78m • 中央索拱体系+两片鞍形索网
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立体索拱结构
中央索拱体系的两个钢拱 之间设置透明屋面，作为 体育馆的中央采光带。
加拿大卡尔加里滑冰馆
Pengrowth Saddle Dome, Calgary, Canada, 1983
• 1988年冬奥会主赛馆，最大跨径的预应力鞍形索网。 • 近圆形平面 135m×129m，耗钢量55.8kg/m2 • 稳定索拱跨比1/21.6；承重索垂跨比1/9.7
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Pengrowth Saddle Dome
(a)
(b)
(c )
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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 )
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§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。
A. 初始状态：单索平面受力；
B. 预应力阶段：索与横向构件相互压紧，各索受力不再 保持均匀，横向构件呈上拱状态，并承受负弯矩。
C. 荷载阶段：索与横向构件共同承担外加荷载作用，体 系也由原来的平面受力状态改变为空间受力状态。
各状态对应的桁架下弦位置
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Anhui Gymnasium, 1989 平面呈不等边六边形， 84m×69m。
a) 空间曲梁支承
b) 直线梁支承
c) 抛物线形拱支承
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多数情况下，索网曲面无法解析表达；此时 需根据建筑造型要求和索力分布均匀的原则，通 过“找形分析”确定索网几何形状。
d)
e)
f)
g) d) 倾斜大拱支承
e) 两对抛物线拱支承
f) 柔性边界索支承 g) 桅杆支承
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索网应保证必要的矢跨 比，避免整体或局部过于扁 平的。 承重索垂跨比：1/10~1/20 稳定索拱跨比：1/15~1/30
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5.2 平面张弦体系
1）结构形式 由刚性构件和柔性索以及连接两者的撑杆组 成的自平衡体系。
梁 拱
+
索
=
张弦结构
桁架
张弦结构的基本组成
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张弦结构的几种布置方式
a) 单向布置
b) 双向布置
c) 辐射布置
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2）受力特点
• 通过施加反拱减小结构挠度 • 平衡支座推力 • 调整刚性构件内部的弯矩大小和分布
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德国乌柏特市游泳馆
Swimming Hall at Wuppertal, German, 1956
最早的单层悬索结构,L=65m
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德国多特蒙德展览大厅
Exhibition Hall at Dortmund, German, 1956
跨度最大的单层单向悬索结构,L=80m
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Oakland Coliseum Arena，California，1966
• 矩形平面 61.8×108m • 枝状柱+张弦桁架，柱两侧设有抗风索。
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22400
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哈尔滨国际会展体育中心（2002）
（平面张弦体系,128m）
索头节点
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日本Green Dome Maebashi多功能体育馆 （辐射式张弦桁架，1990）
122mX167m
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0.075~0.1（50~60m）；张弦桁架垂跨比为0.05~0.1。
（3）合理的矢跨比。
张弦梁矢跨比为0.1~0.125 (30m~60m)；
张弦桁架矢跨比为0.05~0.1。
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4）典型工程案例
日本北九州穴生穹顶
Kita-Kyushu Anoh Dome, 1994
61800
谷索 抗风稳定索
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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
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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。
美国奥克兰市比赛馆
最大跨径的碟形单层悬索结构，D=128m
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Oakland Coliseum Arena - Details
索与外环梁的连接
索与内环梁的连接
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1）索安装就位
2）肋板吊装
3）肋板落位
4）对称安装
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5）成对就位
6）安装就位
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改进措施2：采用预应力混凝土悬挂薄壳
成都城北体育馆
耗钢量：32.6kg/m2
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The Workers’ Gymnasium, Beijing, 1961
首都工人体育馆
• 承重索垂跨比l/15.7，稳定索拱跨比1/19，各144根。 • 系杆的作用是防止下索下垂，并非受力构件。 • 上下索在平面上相间布置，以减小对环梁截面的削弱。 • 中心钢环直径16m，高11.0m，由钢板和型钢焊成。
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Dulles International Airport Terminal
- Under Construction
屋面混凝土灌缝
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改进措施3：设置横向加劲构件
• 横向加劲构件的作用
– 传递可能的集中荷载和局部荷载； – 提供了使整个体系建立起预张力的可能性。
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横向加劲单层索系的三个工作阶段
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• 索拱体系的优点
–提高了结构抵抗不均匀荷载作用的能力。 –不需施加很大的预张力，减轻了支承结构的负担。 –提高了拱的整体稳定性，所需拱截面较小。
• 索拱体系的2个工作状态
–预应力阶段，拱受到索向上的作用而受拉； –荷载阶段，索拱共同抵抗荷载作用，拱在荷载作用下 受压，部分抵消了预应力阶段的拉力。 柔性索与刚性拱相互结合，相互补充，比任何一种 单独的结构更合理、更经济。
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。
其基本思想是将索穹顶的柔性上弦用刚性的单层网壳替代， 形成了一种索承网壳结构体系，亦称弦支穹顶。
+
单层网壳 环索、径向索和撑杆 弦支穹顶