第8章悬索结构

1、第8章 悬索结构8.1 8.1 概述概述8.2 8.2 悬索的受力与变形特点悬索的受力与变形特点8.3 8.3 悬索结构的形式悬索结构的形式8.4 8.4 悬索结构的稳定悬索结构的稳定8.5 8.5 悬索结构的工程实例悬索结构的工程实例第8章 悬索结构8.1 概述 8.1.1 悬索结构的形成 蜘蛛网也许是世界上最有效的张拉索结构。它个充分利用了蜘蛛丝很高的抗拉强度，结构合理、自重轻、承载力大。 猎物的挣扎以及冷凝雾水的重力等一般都不能把它扯坏。 自然界的许多结构是很值得我们学习的。这就是仿生学。第8章 悬索结构8.1 概述 8.1.1 悬索结构的形成n 定义定义n 悬索结构基本组成悬索结构基本

2、组成 悬索结构由受拉索、边缘构件和下部支承构件所组成。悬索结构由受拉索、边缘构件和下部支承构件所组成。拉索一般采用高强钢丝组成的钢铰线、钢丝绳或钢丝束；拉索一般采用高强钢丝组成的钢铰线、钢丝绳或钢丝束；边缘构件和下部支承构件则常为钢筋混凝土结构。边缘构件和下部支承构件则常为钢筋混凝土结构。悬索结悬索结构构现存最早的悬索桥现存最早的悬索桥四川泸定桥世界最长的悬索桥世界最长的悬索桥日本的名石大桥日本的名石大桥n 日本明石海峡大桥位于本州岛与四国岛之间，主跨1991米（960+1991+960），全长3911米，抗震强度按1/150的频率，承受8.5级强烈地震和抗150年一遇的80m/s的暴风设计，

3、为目前世界上跨度最大的悬索桥，也是世界上最长的双层桥，是联结内陆工业中的重要纽带。n 金门大桥包括从钢塔两端延伸出去的部分，全长达2000米，为此，又分别在两侧修建了两座辅助钢塔，使桥形更加壮观。大桥的桥面宽27.4米，有6条车行道和两条宽敞的人行道。钢塔之间的大桥跨度达1280米，为世界所建大桥中罕见的单孔长跨距大吊桥之一。n 奥克兰海港大奥克兰海港大桥桥是奥克兰极富代表性的一处景致。大桥连接奥克兰最繁忙的港口怀提玛塔海港南北两岸，全长1020米。 江阴长江公路大桥是我国首座跨径超千米的特大型钢箱梁悬索桥梁，也是20世纪“中国第一、世界第四”大钢箱梁悬索桥 游牧民族的帐篷游牧民族的帐篷第8章

4、 悬索结构8.1 概述8.1.2 悬索结构的特点n 索轴向受拉n 便于建筑造型，容易适应各种平面;n 施工较方便。自重小（10kg/m2），屋面构件也较轻。n 可创造良好物理性能的建筑空间。n 稳定性较差。n 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。最早应用于桥梁工程中最早应用于桥梁工程中房屋建筑中，蒙古包、帐篷可看做悬索结构的雏形房屋建筑中，蒙古包、帐篷可看做悬索结构的雏形第8章 悬索结构8.1 概述8.1.2 悬索结构的特点第8章 悬索结构8.1 概述8.1.3 悬索结构的发展n 现代大跨度悬索屋盖结构的广泛应用，则只有半个世纪的历史。第一个现代悬索屋盖

5、是1953年建成的雷里竞技馆，采用以两个斜置的抛物线拱作为边缘构件的鞍形正交索网。Central South University of Forestry & Technology 第8章 悬索结构8.1 概述8.1.3 悬索结构的发展n 我国现代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。n 北京工人体育馆：建于1961年，其屋盖为圆形平面，直径94m，采用车辐式双层悬索体系，由截面为2m X2m的钢筋混凝土圈梁、中央钢环，以及辐射布置的两端分别锚定于圈梁和中央钢环的上索和下索组成。中央钢环直径16m，高11m，由钢板和型钢焊成

6、，承受由于索力作用而产生的环向拉力，并在上、下索之间起撑杆的作用。 第8章 悬索结构8.1 概述8.1.3 悬索结构的发展第8章 悬索结构8.2 悬索的受力与变形特点8.2.1 索的支座反力图图8-2-1 悬索结构的受力分析悬索结构的受力分析qlVVBA21 0812 HfqlfMfqlH028 2081qlM 由由 ，支座反力为支座反力为 索中任一截面的弯矩为零，索中任一截面的弯矩为零，以跨中截面为矩心，则有：以跨中截面为矩心，则有： 式中，式中， 0Y第8章 悬索结构8.2 悬索的受力与变形特点8.2.2 索的拉力 0XHNcoscosHN 0 将索在计算截面切断，如图所示，由将索在计算截

7、面切断，如图所示，由，可得，可得索的轴力在支座截面（索的轴力在支座截面（值最大）为最大，）值最大）为最大，）在跨中截面（在跨中截面（ ）时为最小。时为最小。第8章 悬索结构8.2 悬索的受力与变形特点8.2.3 索的变形图图8-2-2 悬索结构的变形悬索结构的变形悬索是一个轴心悬索是一个轴心受拉构件，既无弯受拉构件，既无弯矩也无剪力。矩也无剪力。悬索承受单个集悬索承受单个集中荷载，形成三角中荷载，形成三角形；形；悬索承受多个集悬索承受多个集中荷载，形成索多中荷载，形成索多边形；边形；悬索自重作用时，悬索自重作用时，处于自然悬垂状态，处于自然悬垂状态，为悬链线；为悬链线； 悬索承受均布竖向荷载，

8、形成抛物线；悬索承受均布竖向荷载，形成抛物线； 悬索承受的竖向荷载自跨中向两侧增加时，悬索承受的竖向荷载自跨中向两侧增加时，形成椭圆。形成椭圆。第8章 悬索结构8.3 悬索结构的型式8.3.1 单层悬索体系n 1）单曲面单层拉索体系(跨度可达80m，德国多特蒙特一展览厅，1956)水平梁和框架一起水平梁和框架一起承受悬索拉力承受悬索拉力水平梁水平梁承受悬索拉力承受悬索拉力悬索直接悬索直接锚挂于框架锚挂于框架斜拉索将斜拉索将悬索拉力悬索拉力拉向地锚拉向地锚第8章 悬索结构8.3 悬索结构的型式8.3.1 单层悬索体系1) 1) 单曲面单层拉索体系单曲面单层拉索体系n 单曲面单层拉索体系也称单层平

9、行索系。它由许多平行的单根拉索组成。n 屋盖表面为筒状凹面，需从两端山墙排水，如图所示。n 拉索两端的支点可以是等高的也可以是不等高的；拉索可以是单跨的，也可以是多跨连续的，n 曲面单层拉索体系的优点是传力明确，构造简单；缺点是屋面稳定性差，抗风（上吸力）能力小，索的水平拉力不能在上部结构实现自平衡。必须通过适当的形式传至基础。第8章 悬索结构8.3 悬索结构的型式8.3.1 单层悬索体系n 拉索水平力的传递的拉索水平力的传递的三种方式：三种方式： 1）通过竖向承重结构）通过竖向承重结构传至基础；传至基础； 2）通过拉锚传至基础；）通过拉锚传至基础； 3）通过刚性水平构件）通过刚性水平构件集中

10、传至抗侧力墙。集中传至抗侧力墙。图图8-3-1 单曲面单层拉索水平力的平衡单曲面单层拉索水平力的平衡第8章 悬索结构8.3 悬索结构的型式8.3.1 单层悬索体系 图图8-3-2 8-3-2 丹东体育馆结构丹东体育馆结构 (a)(a)体育馆主体结构示意图；体育馆主体结构示意图；(b)(b)看台斜框架结构简图看台斜框架结构简图 图a为丹东体育馆的主体结构示意图。该体育馆为两悬索结构，悬索一端锚固在中间的刚架横梁上，另一端即锚固再看台斜柱框架的柱顶，b为看台斜框架的结构计算简图。第8章 悬索结构8.3 悬索结构的型式8.3.1 单层悬索体系图图8-3-3 德国乌柏特市游泳馆德国乌柏特市游泳馆 图为

11、德国乌柏特市游图为德国乌柏特市游泳馆，可容纳观众泳馆，可容纳观众20002000人，比赛大厅平面面积人，比赛大厅平面面积为为656540m40m，屋盖设计成，屋盖设计成纵向单曲单层悬索，悬纵向单曲单层悬索，悬索拉力通过看台斜梁传索拉力通过看台斜梁传至游泳池底部，两侧对至游泳池底部，两侧对称平衡，使地基仅承受称平衡，使地基仅承受压力。该建筑结构形式压力。该建筑结构形式与建筑使用空间协调一与建筑使用空间协调一致，非常合理。采用浮致，非常合理。采用浮石混凝土和普通混凝土石混凝土和普通混凝土晤面，以保证悬索的稳晤面，以保证悬索的稳定性。定性。第8章 悬索结构8.3 悬索结构的型式8.3.1 单层悬索体

12、系图图8-3-4 拉锚的锚固拉锚的锚固图图8-3-5 德国多特蒙德展览大厅德国多特蒙德展览大厅1 1）锚固在足够重的大体积混凝土图）锚固在足够重的大体积混凝土图a a；2 2）利用底板及回填土自重抵抗拉力图）利用底板及回填土自重抵抗拉力图b b；3 3）锚固于受拉摩擦桩或受弯摩擦桩上图）锚固于受拉摩擦桩或受弯摩擦桩上图c c；4 4）锚固在岩石层的钻孔中。）锚固在岩石层的钻孔中。 图为德国多特蒙的展览大厅，屋盖跨度为80m，单曲单层悬索结构，悬索拉力通过斜柱拉锚至地下基础。屋盖采用普通混凝土肋加浮石混凝土屋面板，以保证悬索的稳定性。第8章 悬索结构8.3 悬索结构的型式8.3.1 单层悬索体系

13、n 2）单层双曲面拉索体系单层双曲面拉索体系n 双曲面单层拉索体系也称单层辐射索系。这种索系常见于圆形的建筑平面，其各拉索按辐射状布置，整个屋面形成一个旋转曲面（图）。n 双曲面单层拉索体系又碟形和伞形两种。碟形悬索结构的拉索一端支承在周边柱顶环梁上，另一端支承在中心内环梁上，见图b，其特点是雨水集中于屋盖中部，屋面排水处理较为复杂。伞形悬索结构的拉索一端支承在周边柱顶环梁上，另一端支承在中心柱上，见图c，其圆锥状屋顶排水通畅，但中间有立柱限制了建筑的使用功能。第8章 悬索结构8.3 悬索结构的型式8.3.1 单层悬索体系图图8-3-6 双曲面单层拉索体系双曲面单层拉索体系 （a）拉索平面布置

14、；）拉索平面布置；(b)碟形方案布置；碟形方案布置；(c)伞形方案布置伞形方案布置第8章 悬索结构8.3 悬索结构的型式8.3.1 单层悬索体系n 2）双曲面单层拉索体系n 单层辐射索体也可用于椭圆形建筑平面。其缺点是在竖向均布荷载作用下，各拉索的内力都不相同，从而会在受压外环梁中产生弯矩。n 在圆形平面中，在竖向均布荷载作用下，各拉索的内力相等，且与垂度成反比。第8章 悬索结构8.3 悬索结构的型式8.3.1 单层悬索体系n 2）双曲面单层拉索体系图图8-3-7 乌拉圭蒙特维多体育馆碟形悬索结构乌拉圭蒙特维多体育馆碟形悬索结构图图8-3-8 淄博长途汽车站伞形悬索结构淄博长途汽车站伞形悬索结

15、构第8章 悬索结构8.3 悬索结构的型式8.3.2 双层悬索体系n 双层悬索体系是由一系列承重索和相反曲率的稳定索所组双层悬索体系是由一系列承重索和相反曲率的稳定索所组成成。每对承重索和稳定索一般位于同一竖向平面内，二者之间通过受拉钢索或受压撑杆连系，连系杆可以斜向布置，构成犹如屋架的结构体系，故常称为索桁架；连杆也可以布成竖腹杆的形式，当为圆形建筑平面时，常设中心内环梁。n 双层悬索体系的特点是稳定性好，整体刚度大双层悬索体系的特点是稳定性好，整体刚度大，反向曲率的索系可以承受不同方向的荷载作用，通过调整承重索、稳定索或腹杆的长度，可以对整个屋盖体系施加预应力，增加了屋盖的整体性。n 双层悬

16、索体系按屋面几何形状的不同也有单曲面双层拉索单曲面双层拉索体系体系和双曲面双层拉索体系双曲面双层拉索体系两类。第8章 悬索结构8.3 悬索结构的型式8.3.2 双层悬索体系n 一般形式：由下凹的承重索，上凸的稳定索及它们之间的连系杆组成。 承重索垂跨比一般取1/201/15 ， 稳定索拱跨比一般取1/201/25 图图8-3-9 8-3-9 双层悬索体系双层悬索体系第8章 悬索结构8.3 悬索结构的型式8.3.2 双层悬索体系1）单曲面双层拉索体系n 平行索系：优点：稳定性好，整体刚度大。适宜于采用轻屋面；对于平行索系，承重索和稳定索可在同一平面内，也可错开布置，构成波形屋面。图图8-3-10

17、 单曲面双层拉索体系单曲面双层拉索体系第8章 悬索结构8.3 悬索结构的型式8.3.2 双层悬索体系n 1）单曲面双层拉索体系图图8-3-11 承重索和稳定索不在同一竖平面内承重索和稳定索不在同一竖平面内 单曲面双层拉索体系中的承重索或稳定索也可以不在同一竖向平面内，而是相互错开布置，构成波形晤面可有效地解决屋面排水解决屋面排水问题问题。承重索与稳定索之间靠波形的波形的系杆连接系杆连接，并借以施加预应力施加预应力。第8章 悬索结构8.3 悬索结构的型式8.3.2 双层悬索体系图图8-3-12 吉林滑冰馆屋盖结构的形式吉林滑冰馆屋盖结构的形式吉林省速滑馆结构布置示意图吉林省速滑馆结构布置示意图第

18、8章 悬索结构8.3 悬索结构的型式8.3.2 双层悬索体系吉林速滑馆吉林速滑馆第8章 悬索结构8.3 悬索结构的型式8.3.2 双层悬索体系第8章 悬索结构8.3 悬索结构的型式8.3.2 双层悬索体系n 2）双曲面双层拉索体系图图8-3-14 双曲面双层拉索体系双曲面双层拉索体系 承重索和稳定索均沿辐射方向布置，周围支承在周边柱顶的受压环梁上，中心则设置受拉内环梁。整个屋盖支承于外墙或周边的柱上。根据承重索或稳定索的关系所形成的屋面可为上凸、下凹或交叉形，相应地在周边柱顶应设置一道或两道受压环梁。 通过调整承重索、稳定索或腹杆的长度并利用中心环受拉或受压，也可以对拉索体系施加预应力。双曲面

19、、单曲面双层索模型双曲面、单曲面双层索模型第8章 悬索结构8.3 悬索结构的型式8.3.2 双层悬索体系上索既是稳定索，又直接承载a)双层内环梁 b)双层外环梁c)双层内外环梁d)单层外环梁网状布置e)双层外环梁网状布置第8章 悬索结构8.3 悬索结构的型式8.3.3 交叉索网体系n 图图8-3-158-3-15成都市城北体育馆钢索布置成都市城北体育馆钢索布置 交叉索网体系也交叉索网体系也称为鞍形索网，由称为鞍形索网，由两组相互正交的、两组相互正交的、曲率相反的拉索直曲率相反的拉索直接交叠组成，形成接交叠组成，形成负高斯曲率的双曲负高斯曲率的双曲抛物面。抛物面。 两组拉索中，下两组拉索中，下凹

20、者为承重索，上凹者为承重索，上凸者稳定索，稳定凸者稳定索，稳定索应在承重索之上。索应在承重索之上。第8章 悬索结构8.3 悬索结构的型式8.3.3 交叉索网体系图图8-3-15 交叉索网体系及其边缘构件交叉索网体系及其边缘构件 交叉索网结构通常是假预应力，以增强屋盖结构的稳定性和刚度。由于存在曲率相反的两组索，对其中任意一组或同时对两组进行张拉，均可实现预应。1边缘构件为闭合曲线形环梁图a；2边缘构件为落地交叉拱图b；3边缘构件为不落地交叉拱图c、d；4边缘构件为一对不相交的落地拱图e；5边缘构件为拉索结构图f。 交叉索网体系刚度大、变形小、具有反向受力能力，结构稳定性好，适用大跨度建筑的屋盖

21、。交叉索网体系适用于圆形、椭圆形、菱形等建筑平面，边缘构件形式丰富多变，造型优美，屋面排水容易处理，因而应用广泛。第8章 悬索结构8.4 悬索结构的稳定8.4.0 概述n 悬索屋盖结构的稳定性差，表现在两个方面，一是适应荷载变化的能力差，二是抗风吸、风振能力差。 图图8-4-1 悬索屋盖结构稳定性悬索屋盖结构稳定性 （a）集中荷载的影响；）集中荷载的影响； (b)风荷载的影响风荷载的影响第8章 悬索结构8.4 悬索结构的稳定8.4.0 概述n 为使单层悬索屋盖结构具有必要的稳定性，一般可采取以下几种措施： 形成预应力所壳组合结构形成预应力所壳组合结构 形成索梁或索桁架组合结构形成索梁或索桁架组

22、合结构 增设相反曲率的稳定索增设相反曲率的稳定索 第8章 悬索结构8.4 悬索结构的稳定8.4.1 增加悬索结构上的荷载n 一般认为，当屋盖自重超过最大风吸力的1.11.3倍，即可认为是安全的。圈圈8-4-2 8-4-2 增加悬索结构上的荷载增加悬索结构上的荷载 （a a）赝面加重量；）赝面加重量；(b)(b)吊挂地板重量；吊挂地板重量；(c)(c)顶棚加重量顶棚加重量第8章 悬索结构8.4 悬索结构的稳定8.4.2 形成预应力索-壳组合结构n 对钢筋混凝土屋面施加预应力，使之形成一倒挂的薄壳与悬索共同受力、整体工作。图图8 -4 -3预应力索一壳组合结构预应力索一壳组合结构 （a）临时加载使板缝扩大；）临时加载使板缝扩大；(b)卸载后形成预应力壳卸载后形成预应力壳第8章 悬索结构8.4 悬索结构的稳定8.4.3 形成索梁或索桁架组合结构n 对于单曲面单层拉索结构体系（单层平行索系）可在索上搁置横向加劲梁或加劲桁架形成索梁或索桁架。图图8-4-4 8-4-4 单层平行索系与横向加劲桁架单层平行索系与横向加劲桁架第8章 悬索结构8.4 悬索结构的稳定 8.4.3 形成索梁或索桁架组合结构图图8-4-5 8-4-5 安徽省体育馆的索一桁架组合屋盖结构安徽省体育馆的索一桁架组合屋盖结构(a)屋盖平面结构；（