悬索结构的形式与设计选型.docx

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悬索结构的形式与设计选型

建筑结构选型结课论文

标题：

悬索结构的形式和设计选型

申明：

本人申明提交作业文章所有内容均有本人完成，文中引用他人观点均已标明出处。

签字：

日期：

悬索结构的形式和设计选型

摘要：

本文在简述悬索结构构成和受力特点的基础上,根据索网曲面形式和结构特征,何恳索结构迸仃了分类,介绍了各种单（双）曲面单（双）层悬索结构、交叉索网、斜拉结构的组成特点和国内外卜程应用状况。

文章还对悬索结构设计选型的若干主要问题,如建筑平面形状、结构跨度、刚度与稳定性、边缘构件与支承结构、片画材料与排水等进行了论述,并提供了一些可供设计参考的有效措施。

关键词：

悬索结构设计选型索网杂交结构

1．悬索结构的组成与发展

土木建筑结构所指的悬索结构,就是指以柔性拉索或将拉索按一定规律布置成索网来直接承受屋面荷载作用的结构（见图1）这些索或索网均悬挂在支承结构体系的边缘构件上。

在竖向荷载作用下,索或索网均承受轴向拉力,并通过边缘构件和支承结构将这些拉力传递到建筑物的基础上去。

悬索结构中承受轴向拉力的柔性拉索多采用高强度钢丝组成的钢铰线、钢丝绳、钢丝束等,有的也可以采用圆钢筋或带状薄钢板。

边缘构件是用来锚固拉索（索网）的,起到承受索在支座处的拉力作用。

根据建筑平面和结构类型的不同,边缘构件可以选用圈梁、拱、析架、刚架等劲性构件,也可以直接选用柔性拉索。

支承结构主要是用作承受边缘构件传来的压力和水平推力引起的弯矩。

常选用钢筋混凝土独立柱、框架、拱等结构形式。

这样受拉的索网和以受压、受弯为主

的边缘构件和支承结构,就可以分别采用受拉强度较高的钢材和抗压强度较好的钢筋混凝土,使不同材料的力学性能能得到合理利用。

由于对柔性拉索与刚性结构的优化组合,就可以用较少的材料（一般索的用钢量仅为普通钢结构的l/5一1/7,11一般都在10kg/m以下）做成较大跨度的悬索结构。

由于钢索自重很轻,屋面构件也不很大,囚而给施工架设带来了很大的方便。

安装时不需大型起重设备,也不需另设脚手架。

这些都有利于加快施工进度,降低工程造价。

同时索网布置灵活,便于建筑造型,能适应平面形状与外形轮廓的各种变化,这使建筑与

结构可以得到较完美的结合。

因此悬索结构在友跨度建筑中得到了越来越多的应用。

悬索结构是一种受力比较合理的建筑结构形式。

它与简支梁受力情况对比,就可以看出这种合理性。

众所周知,图2中的简支梁住竖向荷载作用下,上纤维压应力的合力与「纤维拉应力的合力组成了截面的内力矩.合力间的距离即为内力臂,它总在截面高度的范围内,因此要提高梁的承载能力,就意味着要增加梁的高度。

但在悬索结构中,钢索在自重下就自然形成了垂度,由索中拉力与支承水平力间的距离构成的内力臂,总在钢索截面范围以外,增加垂度也就加大了力臂,从而可以有效地减少索中拉力和钢索截面面积。

悬索结构在桥梁中的应用已有悠久历史,但在建筑工程中的广泛应用还只是50年代以来的事情。

通过40多年来各国不断进行的研究和工程实践,它的应用范围正在不断扩大,结构形式在日趋丰富,计算理论与设计、施工技术亦趋于完善,现已成为一种成熟的建筑结构体系。

目前在大、中跨度的体育馆、展览馆、商场、机（车）库等公共建筑和一些工业厂房、仓库中得到了较多的应用,它是空间结构的一种重要结构形式。

在国外大跨度屋盖中,悬索结构一直是选用中的主要结构形式。

如1980年莫斯科奥运会有5项跨度在66M以上的主要体育建筑,都采用了悬挂钢板膜的或刚性索的悬挂结构;加拿大卡尔加里冬季奥运会的双曲抛物面索网屋盖（D=i20m）,美国纽约麦迪逊广场的双层辐射式悬索屋盖（D二123m）,日本东京代代木体育馆以两侧索网索为中间支承的悬索屋盖（120mxZ14m）等等,都是世界上比较著名的大跨度悬索结构。

我国从60年代以来也先后建成了30座左右的悬索结构工程。

除60年代建成的北京工人体育馆（D二94m）,浙江体育馆（椭圆形平面,80rnx60rn）,成都城北体育馆（D二6lm）等屋盖外,近年来又有很多创新与发展。

新建的一批悬索结构形式就相当丰富:

如吉林冰球馆（59mx76.8rn）,采用了承重索和稳定索交错布置构成的立体拉索析架;安徽省体育馆（六边形平面,72mx69m）、上海杨浦体育馆（45m义48.6m）,采用了横向加劲单曲悬索结构;四川省体育馆（六边形平面,72二、79.4m）、青岛市体育馆（卵形平面,87mx72m）,采用了在中间相互倾斜或交叉的双拱两侧悬挂两片索网的形式;北京朝阳体育馆则采用了索拱组合体系作为索网屋盖的中间支承;淄博化纤厂餐厅采用的正方形对角线支承索网（30mx3om）等等。

此外,伞形悬索、斜拉屋盖结构在我国也得到了应用与发展。

吉林冰球馆浙江省体育馆

如此众多的悬索结构工程的建成,不仅大大丰富了我国建筑结构的形式,而且也为悬索结构的进一步应用与发展,积累了可贵的经验。

可以预料,随着我国建设事业的发展,大跨度空间建筑的社会需要不断增加,悬索结构必将会有更为广阔的应用前景。

2．悬索结构的形式

悬索结构的形式很多,根据索网、边缘构件和下部支承结构的不同配置,可以构成一系列形式各异的悬索结构。

如果将悬索结构和其它结构形式结合,又可以进一步派生出许多形式新颖的结构体系。

例如,按悬索结构的表面形状和不同结构特征,可以组合成以下几种基本形式:

若按不同的索网布置方式,则可以分为平行拉牢体系、拉索析架体系、幅射式拉索体系以及交叉索网体系等。

2.1单曲面单层悬索结构

单曲面单层悬索结构是由许多单根拉索平行构成的一种平行拉索体系。

它的表面呈圆筒形,拉索两端支点可以等高,为了排水也可做成不等高。

达种结构形式一般用于矩形平面的单跨建筑。

平行拉索体系常呈平面受力状态,索中拉力放与跨中垂度成反比。

对于一定跨度的悬索结构,如垂度太小则曲面扁平,索中拉为将过大;如垂度太大则索中拉力减少,但支派结构的高度将随之增大。

因此适宜的垂跨比一般取1/10~1/20。

这种拉索体系,构造简单,排水方便。

但是屋面结构的稳定性不好,在不对称荷载或局部荷载作用下,有可能改变悬索屋盖的曲面形式;同时它的抗风能力也差,因此有必要采取有效措施来保证屋而的稳定性。

通常的做法是采用重屋盖,即在索间铺设预制钢筋流凝土板,使悬索在较大的均布恒软作用下始终保持张紧状态,既可增强屋面保持原来状态的能力,又有利于克服风力的卸载作用。

近年来我国在安徽体育馆、上海杨浦体育馆等工程中则进一步采用了横向加劲式单曲悬索屋盖（图3）,即在平行拉索的基础上,增设了与之正交的横向加劲构件（梁或桁架）,通过强迫其端支座的下压,而使结构建立预应力（图3（C））。

增设横向加劲构件不仅可以增强平行拉索屋盖的刚度,而且可使原来单独工作的索系形成整体,提高屋盖承受集中力和不均匀荷载的能力。

对于纵向两端支撑结构水平刚度较大,而横向两端支撑较弱的矩形平面建筑物,采用横向加劲式单曲悬索屋盖尤其相宜。

国外应用单曲面单层悬索结构最大跨度的工程实例是德国法兰克福机场的5号双跨机库（图4）,每跨由10个长135m、宽7.5M，厚8.c6m的预应力混凝土悬索带组成,每带净距3m,其间设置采光带。

索带两端悬挂在34m高的钢筋混凝土格构式墩座丰,中间则支承在跨度为78m的箱形截面J大梁一上。

在跨中最低处,将.22m宽的悬索带连成整体,做成有组织排水·为控制屋面的竖向变形,在板带中还设置了水平拉索。

2.2双曲面单层瓜索结构

双曲面单层悬索结构,常用于圆形平面的建筑,钢索由圆心向四周按幅射状布置,屋面形成一个下凹的旋转面（图5（a））。

钢索两端分别锚固于周边外环和中央内环上。

由于在钢索拉力作用下外环受压,内环受拉,因此,外环与内环分别采用钢筋混凝土和钢材,以适应它们的受力需要;也有的工程是将内环支承于建筑物中央的单根或多根支柱上的,形成了伞形悬索结构（图5（b））,如淄博市长途汽车站候车厅（D=50。

）。

柳州水泥厂熟料库（D二80m）等都采用了这种伞形悬索结构（图6）。

在均布荷载作用下,、在圆形平面内呈幅射状布置的各条拉索内力相等,内力值随垂度的增加而减小。

但是在椭圆形的平面上,由于各条拉索内力不等,同时在受压外环上将存在较大的弯矩,因此椭圆形平面的双曲面单层悬索结构很少采用。

国外应用双曲面单层悬索结构最大跨度的工程实例有:

美国阿拉美达郡体育馆（D=13Om,它的钢筋混凝土外环是支承在32根X形的钢筋混凝土支柱上,钢内环直径为13.8m,内、外环间按幅射状设置了96功56钢铰线,钢索用钢量仅为6.6kg/m“;此外乌拉圭蒙地维多体育馆（D二94m）也采用了这种形式的悬索屋盖结构。

这种悬索结构因为是单层索,因此都采用了重屋盖来增强屋盖刚度,并且还施加了预应力

2.3一单曲面双层雄卑结构

单曲面双层悬索结构是在平行拉索体系的墓础上增设一层反向曲率的钢索构成的。

下凹一曲面为承重索,上凸曲面为稳定索,上下两层索间设有系杆（圆钢或钢索）。

通过这些系杆对上、下层索施加预应力,以增强双层悬索结构的刚度和稳定性。

这种形式的悬索结构大都做成轻屋盖,且抗震性能也较好,它多用于矩形平面的单跨建筑。

上承重索的垂度一般取跨度的l/17~1/20,下稳定索的拱度则取跨度的1/20一1/25。

我国江苏无锡市体育馆（43mx40m）就采用了单曲面双层悬索结构屋盖（图7（a））。

该设计的特点是将位于同一平面的承重索与稳定索在中点交接,可以提高结构抵抗不对称变形的能力和屋盖刚度。

这种承重索和稳定索组成的双层悬索结构,因双索均位于同一竖向平面内,索与系杆构成了类似索梁或索析架体系,属受力平面体系,因此也称此为拉索析架。

吉林冰球馆屋盖是在单面双层悬索结构形式基础上,采用了双层预应力悬索结构（67.4mx76.8m）（图7（。

））,与无锡县体育馆不同之处是承重索和稳定索不在一个平面内,而是相互错开半个柱距,形成立体拉索析架。

国外瑞典的斯德哥尔摩冰球馆屋盖工程（见图8）也是采用了上述这种形式的悬索结构,它的平面尺寸为83mx118m,这是国外具有代表性的单曲面双层悬索结构形式。

2.4双曲面双层瓜索结构

双曲面双层悬索结构是在双曲面单层悬索结构的基础上增设了一层按辐射状布置的稳定索而形成的。

由于增设了一层稳定索,屋面刚度进一步有所提高,抗凤、抗震性能有所增强,这为悬索屋盖结构采用轻型屋面提供了条件。

这也是目前在圆形平面建筑中应用较多的一种悬索结构。

双曲面双层悬索结构的稳定索,可置于承重索之上,也可置于承重索之下,或使两层索相互交叉。

屋面形状也随之变化,或呈凸形、凹形或波形。

在索拉力作用下,受拉的中心内环多用钢材制作,受压的外环则根据索的布置情况,设置一道或两道钢筋混凝土圈梁。

在轴对称荷载作用下,上、下层索受力分别相等,亦呈平面受力状态。

2.5交叉索网体系

交叉索网体系是由两组相互正交而曲率相反的钢索直接交叉而成的。

这种索网分布在由正、负高斯曲率构成的双曲抛物面上,常称之为马鞍形索网。

其中下凹的是承重索,上凸的是稳定索。

通过对稳定索施加预应力,即可使承重索张紧,从而增强屋面刚度。

它可以适用于各种形状的建筑平面,如矩形、圆形、椭圆形、三角形、六边形等（图9）。

索网锚固在沿屋盖周边设置的边缘构件上。

边缘构件除用以锚固索网,承受索网轴力引起的压力和弯矩的作用外,还可以通过调整边缘构件的结构形式,获得建筑造型多样化的效果。

交叉索网体系的屋盖刚度大,易于排水,可用于轻型屋面。

由于这种形式的建筑设计灵活性大,;亦是目前应用较广的一种结构形式。

我国60年代建成的浙江体育馆就采用了这种呈马鞍形的交叉索网体系（椭圆形平面,SOmx60m）。

整个屋盖结构的用钢量仅为17.3kgZm么,在各类悬索结构中是比较经济的。

它的设计合理性主要表现在布置索网时,充分考虑到了索网与圈梁的受力特点,并沿稳定索永平投影方向设置水平拉杆,可以有效地增强圈梁在水平面内的刚度;同时可使索网在施加预应力和加载过程中对圈梁产生相反方向的弯矩,以减小圈梁在施工和使用阶段中的弯矩值。

在跨中范围内设置一对

交叉索,对增强整体屋盖刚度有较好的作用。

国外美国雷里体育馆（图10）的马鞍形交叉索网屋盖（glmx91m）,是将索网锚固在两个呈抛物线的钢筋混凝土交叉拱上,这是一座设计新颖、结构受力合理而颇有影响的交叉悬索结构工程。

加拿大卡尔加里冬季奥运会体育馆是一座近年兴建的造型新颖的索网结构。

它的屋盖是以一个圆球与双曲抛物面相截形成,而底面又以圆球与平面相截形成，以减少体育馆的总体积。

该体育馆底面直径为120亩,周边空间曲梁的截面为4.2m*1.5m。

3悬索结构的选型

悬索结构的形式多种多样,如何根据工程具体情况合理选型是关系到建筑结构设计效果的重要课题。

悬索结构通常多用于较大跨度的公共建筑,因此,其建筑造型首先必须保证建筑使用功能的要求;其次还必须考虑其受力性能、屋盖刚度,材料和施工安装等条件,并结合边缘构件和支承结构作深入分析,以取得较好的综合技术经济效果。

下面就浅谈一下设计选型中的几个问题。

（1）要结合建筑平面选型

各种形式的悬索结构,对于不同建筑平面的适应性是不尽相同的,因此设计选型时应根据具体的平面形状选用恰当形式的悬索结构。

例如,建筑平面为矩形尤其是窄长矩形时,宜选用单层或双层的单曲面悬索结构,因为平行布置的拉索可与矩形平面协调;而当建筑物为圆形平面时,则以呈辐射状布置的拉索与圆形平面相协调,因此宜选用单层或双层的双曲面悬索结构或交叉索网体系;交叉索网体系的布索则可适应矩形、圆形、椭圆形、菱形等不同建筑平面。

（2）要考虑索与网索的适宜跨度

在没有采取更有效措施的情况下,单层索只宜用于中小跨度的建筑结构。

双层索和交叉索网的刚度较大,可以采用轻屋盖,则可在大、中跨度的建筑中采用。

随着结构跨度的增加,索中内力及其支座水平反力均相应增加,因而也增加了边缘构件处理的复杂性。

对于大跨度的悬索结构可在建筑物平面的中部设置强劲的中间构架作为支点,以便减少索或索网的结构跨度。

常用的中间构架有拱、刚架、曲梁等刚性构件,也可采用柔性钢索或将索与拱组合为索一拱体系。

（3）要重视悬索结构的刚度和稳定性

在进行结构设计选型时必须采取有效拾施,确保悬索结构的刚度和稳定性,提高悬索结构屋盖刚度和稳定性有效措施之一足对索施加预应力,使索张紧而始终保持在设计状态下工作。

其手段有:

对于单层索系一般是通过重屋盖施加临时荷载而使索获得预应力,这种方法不流复杂的技术设备,因而比较经济。

对于单,曲悬索则可增设横向加劲构件,并调整其端支座的位移,而使整个体系建立预应力。

（4）要处理好边缘构件和支承结构的设计

（5）要选好屋面材料组织好屋面排水

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