索结构(2)-结构体系

现代轻型张力结构
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首都工人体育馆
The Workers’ Gymnasium, Beijing, 1961
• 车辐式双层索系 • 圆形平面：D=94m • 耗钢量：54kg/m2
该结构设计在当时达到了
很好的技术经济指标，受到 国内、外工程界的好评。迄 今为止，仍是我国跨度最大 的悬索屋盖结构。
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现代轻型张力结构
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安徽体育馆
Anhui Gymnasium, 1989
平面呈不等边六边形， 84m×69m。
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。
建筑剖面
网格尺寸1.8×l.8m。屋面采用φ9@200钢筋网，现浇混 凝土形成预应力悬挂薄壳。采用在索网节点处用钢丝绳 拉向地面的加荷方法施加预应力。
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现代轻型张力结构
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★ 结构设计关键参数
索的垂度与跨度之比（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；
¾ 中央落地钢拱+两片预应 力鞍形索网
¾ 索网边索固定在由立柱 和锚杆组成的锚架上
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索网上面覆以木网格现及代白轻型色张透力结明构的聚氯乙烯聚酯薄膜 40
中央钢拱为三角形截面的 格构式钢管结构
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7
索网网格0.75m×0.75m， 两个方向的悬索均采用两 根φ11.5mm的镀锌钢绞线 组成，用铝合金夹具固定
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★ 车辐式双层悬索体系
是圆形平面的屋盖中常 用的结构形式之一。
由外环、内环及联系内 外环的两层辐射方向布 置的钢索组成。
外环受压，一般用钢筋 混凝土做成，支承在周 边的柱列上。内环受 拉，一般采用钢结构。
外环
内环 稳定索
承重索 撑杆
73.2
美国纽约由提喀市大会堂
The Auditorium in Utica, USA，1960
• 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 Plane Double-Cable System
主索 (承重索） 拉杆 副索 (稳定索）
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1 — 承重索 2 — 稳定索 3 — 桁架式檩条 4 — 波形檩条
5 — 水平基础梁 6 — 压杆 7、8—拉杆
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屋面
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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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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）
现代轻型张力结构
副索 (稳定索）
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3
¾ 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）
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瑞典斯德哥尔摩约翰尼绍夫滑冰场
Johanneshov Ice Stadium in Stockholm，1962
• 矩形平面195.2×51.5m • 屋面采用预制轻质混凝土板，灌缝处理。
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Dulles International Airport Terminal - Under Construction
日本古川市民会馆,
A Auditorium in Janpan，1966
屋面混凝土灌缝 现代轻型张力结构
a) 空间曲梁支承
b) 直线梁支承
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c) 抛物线形拱支承
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¾ 找形分析
多数情况下，索网曲面无法用解析函数表达；此时需 根据建筑外形要求和索力分布比较均匀的原则，通过 “找形分析”来确定索网的几何形状。
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
• 抗风能力差。
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★ 设置重屋面
• 设置重屋面的作用——使均布重力荷载具有优势 以保证初始形状的相对稳定性。
美国纽约Madison广场公园体育馆
建成年份：1967 圆形碟状：D=123m 垂跨比：1/11
全部空调电气设备放在悬索上，目的是增加屋盖 重量，增强悬索稳定性。
• 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。
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3. 预应力鞍形索网
Pre-stressed Cable Net
¾ 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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¾ 索网几何形状的确定
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
Oakland Coliseum Arena，California，1966
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最大跨径的碟形单层悬索结构，D=128m
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¾ 单层悬索体系的力学特点
单层悬索体系的工作与单根悬索相似，其形状稳 定性不好
• 悬索是一种可变体系，其平衡形式随 荷载分布方式而变。
Required Course for Undergraduate Students
张力结构之三
悬索结构体系
Structural System of Cable Structures
主讲人：孙晓颖
哈尔滨工业大学
(a)
(d)
索结构的核心问题是形状稳定性问题，为使其
能够有效抵抗机构性位移，就必须采取不同的构造
Pengrowth Saddle Dome
- Construction Process 为加强屋盖刚度和形状稳定性，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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德国慕尼黑奥林匹克体育中心
The Munich Olympic Center, 1971
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★ 稳定索的作用
可以抵抗风吸力的作用； 可以通过张拉稳定索对体系施加预张力； 稳定索与承重索一起抵抗竖向荷载作用，从而
使体系的刚度得到提高。 可以采用轻屋面，因而具有较好的抗震性能。
主索 (承重索） 拉杆 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。
单层悬索体系
传统 悬索结构
预应力 双层索系
预应力鞍形索网
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新型 悬索结构
劲性索系
横向加劲 单层索系
索拱体系& 张弦体系
悬挂体系& 斜拉体系
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4. 劲性索结构
Rigid Cable Structures
劲性索结构是以具有一定抗弯和抗压刚度的曲 线形实腹或空腹构件来替代柔性索的悬挂结构。
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• 1988年第十五届冬奥会主赛馆，目前最大跨径的预应力鞍形索网。 • 近圆形平面 135m×129m，全部耗钢量指标为55.8kg/m2 • 稳定索拱跨比1/21.6；承重索垂跨比1/9.7，索网格6m×6m
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Pengrowth Saddle Dome
- Geometry Configuration
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¾ 设计关键参数
索网应保证必要的矢跨比。 过于扁平的索网往往需施加
很大的预张力才能达到必要 的结构刚度和形状稳定性， 设计时应予以避免。 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
美国雷里体育馆
The Raleigh Arena, USA, 1953
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★ 采用预应力钢筋混凝土悬挂薄壳
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
③
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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华盛顿杜勒斯机场候机厅
Dulles International Airport Terminal，1957
加拿大卡尔加里滑冰馆
Pengrowth Saddle Dome, Calgary, Canada, 1983
• 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。
• 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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吉林滑冰馆
Jilin Ice-Skating Rink，China, 1986
• 矩形平面：76.8m×67.4m • 耗钢量：35.5kg/m2
采用平行布置的预应力双层悬索体系，承重索与稳定 索沿短向并相互错开半个柱间布置。
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★ 车辐式双索体系的几种变化
布鲁塞尔世博会美国馆
建成年份：1960 圆形平面：D=73.2m, h=6.1m 耗钢量：17.1kg/m2
建成年份：1958 圆形平面：D=104, d=20, h=8.5m 耗钢量：53kg/m2
纽约Utica市大会堂
成都城北体育馆
建成年份：1980 圆形平面：D=61, d=8，h=6m 耗钢量：32.6kg/m2
措施，由此就形成各种不同的悬索体系。
(b)
(e)
(c)
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(f)
1
单层悬索体系
传统 悬索结构
预应力 双层索系
预应力鞍形索网
新型 悬索结构
劲性索系
横向加劲 单层索系
索拱体系& 张弦体系
悬挂体系& 斜拉体系
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现代轻型张力结构
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1. 单层悬索体系
Single-layer Cable System
屋面采用4mm厚的丙烯酸有机玻 璃，每块尺寸2.9m×2.9m，安装 在索网上并与索网节点相连接。
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铸钢节点
制作木模
浇铸
打磨
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德国慕尼黑溜冰馆
Ice Rink of Munich Olympia Park, 1982
¾ 椭圆平面，104m×67m
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★ 横向加劲单层索系的三个工作阶段
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
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. 横向加劲单层索系
Transversely Stiffened Cable-suspension Structure
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。
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，因而施工方便。 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
悬挂在中央塔柱上的两 条主悬索+两侧的索网
体育馆
体育场
游泳馆
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德国慕尼黑奥林匹克体育场
The Munich Olympic Stadium
内边索
• 1972年第20届奥运会主赛场; • 由鞍形索网、桅杆、内边索及一系列吊索组成。
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体育场内景
Interior View
纬向内力大部在各片索网的连接处自相平衡， 径向内力主要由边索、锚索以拉力方式传至基础， 竖向力的大部分则由桅杆传给基础。
•Hale Waihona Puke Baidu最简单的一种悬索结构形式，结构思想来源于 悬索桥。
a) 平行布置
b) 辐射布置 现代轻型张力结构
c) 网状布置
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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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5
1
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