悬索结构-兰州理工大学

3.4悬索结构构3.4.1悬索结构构的形式式3.4.2悬索结构构的计算算要点3.4.3悬索结构构基本设设计3.4.3钢索材材料、、锚固固及连连接构构件11.悬索结结构的的概念念悬索结结构由由受拉拉索、、边缘缘构件件和下下部支支承构构件所所组成成，如如图3-1所示。。拉索索按一一定的的规律律布置置可形形成各各种不不同的的体系系，边边缘构构件和和下部部支承承构件件的布布置则则必须须与拉拉索的的形式式相协协调，，有效效地承承受或或传递递拉索索的拉拉力。。拉索索一般般采用用由高高强钢钢丝组组成的的钢绞绞线、、钢丝丝绳或或钢丝丝束，，边缘缘构件件和下下部支支承构构件则则常常常为钢钢筋混混凝土土结构构。3.4.1悬索结结构的的形式式悬索结结构的的组成成22悬索结结构具具有以以下特特点：：1、悬索索结构构通过过索的的轴向向受拉拉来抵抵抗外外荷载载的作作用，，可以以最充充分地地利用用钢材材的强强度。。索一一般都都是采采用高高强度度材料料制成成的，，更可可大大大减少少材料料用量量并可可减轻轻结构构自重重。因因而，，悬索索结构构适用用于大大跨度度的建建筑物物，如如：体体育馆馆、展展览馆馆等。。跨度度越大大，经经济效效果越越好。。2、悬索索结构构便于于建筑筑造型型，容容易适适应各各种建建筑平平面，，因而而能较较自由由地满满足各各种建建筑功功能和和表达达形式式的要要求。。钢索索线条条柔和和，便便于协协调，，有利利于创创作各各种新新颖的的富有有动感感的建建筑体体型。。3、悬索索结构构施工工比较较方便便。钢钢索自自重很很小，，屋面面构件件—般也较较轻，，安装装屋盖盖时不不需要要大型型起重重设备备。施施工时时不需需要大大量脚脚手架架，也也不需需要模模板。。因而而，与与其他他结构构型式式比较较，施施工费费用相相对较较低。。34、可以以创造造具有有良好好物理理性能能的建建筑空空间。。双曲曲下凹凹碟形形悬索索屋盖盖具有有极好好的音音响性性能。。因而而可以以用来来遮盖盖对声声学要要求较较高的的公共共建筑筑。悬悬索屋屋盖对对室内内采光光也极极易处处理，，故用用于采采光要要求高高的建建筑物物也很很适宜宜。5、悬索索屋盖盖结构构的稳稳定性性较差差。单单根的的悬索索是一一种几几何可可变结结构，，其平平衡形形式随随荷载载分布布方式式而变变，特特别是是当荷荷载作作用方方向与与垂度度方向向相反反时，，悬索索就丧丧失了了承载载能力力。因因此，，常常常需要要附加加布置置一些些索系系或结结构来来提高高屋盖盖结构构的稳稳定性性。6、悬索索结构构的边边缘构构件和和下部部支承承必须须具有有一定定的刚刚度和和合理理的形形式，，以承承受索索端巨巨大的的水平平拉力力。因因此悬悬索体体系的的支承承结构构往往往需要要耗费费较多多的材材料，，无论论是设设汁成成钢筋筋混凝凝土结结构或或钢结结构，，其用用钢量量均超超过钢钢索部部分。。当跨跨度小小时，，由于于钢索索锚固固构造造和支支座结结构的的处理理与跨跨度大大时一一样复复杂，，往往往并不不经济济4悬索结结构分分为单单层悬悬索体体系、、预应应力双双层悬悬索体体系、、预应应力鞍鞍形索索网、、预应应力横横向加加劲单单层索索系、、预应应力索索拱及及张张弦结结构、、悬挂挂薄壳壳、张张拉整整体结结构、、索膜膜结构构及混混合悬悬挂结结构等等形式式（1）单层层悬索索体系系：单单层悬悬索体体系是是由按按一定定规律律布置置得单单根悬悬索组组成，，悬索索两端端锚挂挂在支支撑结结构上上。索索系布布置有有平行行式、、辐射射式、、网格格式三三种。。（2）预应应力双双层悬悬索体体系（（索桁桁架））：双双层悬悬索体体系是是由一一系列列下凹凹的承承重索索、上上凸的的稳定定索及及两者者之间间的连连系杆杆（拉拉杆活活压杆杆组成成）2.悬索结结构分分类5（3）预应应力鞍鞍形索索网：：鞍形形索网网是由由曲率率相反反的两两组钢钢索相相互正正交做做成的的负高高斯曲曲率的的曲面面悬索索结构构，索索网周周边悬悬挂在在边缘缘构件件上。。下凹凹的承承重索索在下下，上上凸的的稳定定索在在上，，两组组索在在交点点处连连接。。（4）预应应力横横向加加劲单单层索索系：：在平平行布布置的的单层层悬索索上敷敷设与与索方方向垂垂直的的实腹腹梁或或桁架架等劲劲性构构件，，通过过下压压这些些横向向构件件的两两端并并加以以固定定，在在索与与横向向构件件组成成的体体系中中建立立起预预应力力，形形成横横向加加劲单单层索索系屋屋盖结结构也也称索索梁体体系。。（5）预应应力索索拱及及张弦弦结构构在鞍行行索网网中，，以实实腹式式或格格构式式进行行构件件代替替上凸凸的稳稳定索索，张张拉承承重索索或下下压拱拱的两两端，，使索索与拱拱互相相压紧紧，形形成预预应力力索拱拱体系系。6（6）预应应力悬悬挂薄薄壳：：为改改善索索体系系的工工作性性能，，在单单层索索系、、双层层索系系和鞍鞍形索索网中中采用用预制制钢筋筋混凝凝土屋屋面时时，可可做成成预应应力混混凝土土悬挂挂薄壳壳。（7）张拉拉整体体结构构：张张拉整整体结结构是是由分分散的的压杆杆与连连续的的索网网构成成的自自平衡衡体系系，通通过施施加预预拉力力使体体系成成形，，他的的刚度度与体体系内内部的的预应应力大大小有有关。。张拉拉整体体结构构可以以设称称有劲劲可能能多的的受拉拉索构构成，，以便便最大大限度度地利利用材材料性性能。。（8）索膜膜结构构：索索膜结结构是是利用用刚性性构件件提供供支点点，将将钢索索和膜膜悬挂挂起来来，利利用拉拉索对对膜面面施加加足够够预拉拉力将将膜材材料绷绷紧形形成具具有一一定形形状和和刚度度的构构件钢钢索被被用来来加强强薄膜膜并作作为薄薄膜的的边缘缘构件件。膜膜材兼兼具围围护和和承重重两种种功能能。薄薄膜材材了由由柔性性织物物和涂涂层复复合而而成，，具有有较高高的抗抗拉强强度和和弹性性模量量，良良好的的耐久久性能能。71.设计基基本规规定（1）对单单层悬悬索体体系，，当平平面为为矩形形时，，悬索索两端端支点点可设设计为为等高高或不不等高高，索索的垂垂度可可取跨跨度的的1/10~l/20；当平平面为为圆形形时，，中心心受拉拉环与与结构构外环环直径径之比比可取取1/8~1/17，索的的垂度度可取取跨度度的1/10~l/20。对双双层悬悬索体体系，，当平平面为为矩形形时，，承重重索的的垂度度可取取跨度度的1/15~l/20，稳定定索的的拱度度可取取跨度度的1/15~l/25；当平平面为为圆形形时，，中心心受拉拉环与与结构构外环环直径径之比比可取取1/5~l/12，承重重索的的垂度度可取取跨度度的1/17~l/22，稳定定索的的拱度度可取取跨度度的1/16~l/26。对索索网结结构，，承重重索的的垂度度可取取跨度度的1/10~l/20，稳定定索的的拱度度可取取跨度度的1/15~l/30。（2）悬索索结构构的承承重索索挠度度与其其跨度度之比比及承承重索索跨中中竖向向位移移与其其跨度度之比比不应应大于于下列列数值值：单单层悬悬索体体系-1/200（自初初始几几何态态算起起），，双层层悬索索体系系、索索网结结构-1/250（自预预应力力态算算起））。3.4.2悬索结结构的的计算算要点点8（3）钢索索宜采采用钢钢丝、、钢绞绞线、、热处处理钢钢筋，，质量量要求求应分分别符符合国国家现现行有有关标标准，，即《预应力力混凝凝土用用钢丝丝》（GB5223）、《预应力力混凝凝土用用钢绞绞线》（GB5224）、《预应力力混凝凝土用用热处处理钢钢筋》（GB4453）。钢丝丝、钢钢绞线线、热热处理理钢筋筋的强强度标标准值值、强强度设设计值值、弹弹性模模量应应按表表4-3采用。。表1钢索的的抗拉拉强度度标准准值、、设计计值和和弹性性模量量9（4）悬索索结构构的计计算应应按初初始几几何状状态、、预应应力状状态和和荷载载状态态进行行，并并充分分考虑虑几何何非线线性的的影响响。（5）在确确定预预应力力状态态后，，应对对悬索索结构构在各各种情情况下下的永永久荷荷载与与可变变荷载载下进进行内内力、、位移移计算算；并并根据据具体体情况况，分分别对对施工工安装装荷载载、地地震和和温度度变化化等作作用下下的内内力、、位移移进行行验算算。在在计算算各个个阶段段各种种荷载载情况况的效效应时时应考考虑加加载次次序的的影响响。悬悬索结结构内内力和和位移移可按按弹性性阶段段进行行计算算。（6）作为为悬索索结构构主要要受力力构件件的柔柔性索索只能能承受受拉力力，设设计时时应防防止各各种情情况下下引起起的索索松弛弛而导导致不不能保保持受受拉情情况的的发生生。（7）设计计悬索索结构构应采采取措措施防防止支支承结结构产产生过过大的的变形形，计计算时时应考考虑支支承结结构变变形的的影响响。（8）当悬悬索结结构的的跨度度超过过100m且基本本风压压超过过0.7kN/m2时，应应进行行风的的动力力响应应分析析，分分析方方法宜宜采用用时程程分析析法或或随机机振动动法。。10（9）对位位于抗抗震设设防烈烈度为为8度或8度以上上地区区的悬悬索结结构应应进行行地震震反应应验算算。2荷载悬索结结构设设计时时除索索中预预应力力外，，所考考虑的的荷载载与一一般结结构相相同，，主要要有：：（1）恒载载：包包括覆覆盖层层、保保温层层、吊吊顶、、索等等自重重。按按现行行国家家标椎椎《建筑结结构荷荷载规规范》GB50009-2001进行计计算。。（2）活载载：包包括保保养、、维修修时的的施工工荷载载。按按《建筑结结构荷荷载规规范》GB50009-2001取用。。对于于悬索索结构构，一一般取取0.3kN/mm2，不与与雪荷荷载同同时考考虑。。（3）雪载载：基基本雪雪压值值按《建筑结结构荷荷载规规范》GB50009-2001取用，，在悬悬索结结构中中应根根据屋屋盖的的外形形轮廓廓考虑虑雪荷荷载不不均匀匀分布布所产产生的的不利利影响响，并并应按按多种种荷载载情况况进行行静力力分析析。当当平面面为矩矩形、、圆形形或椭椭圆形形时，，不同同形状状屋面面上需需考虑虑的雪雪荷载载情况况及积积雪分分布系系数可可参考考图4-15采用。。复杂杂形状状的悬悬索结结构屋屋面上上的雪雪荷载载分布布情况况应按按当地地实际际情况况确定定。11（4）风载载：基基本风风压值值按《建筑结结构荷荷载规规范》GB50009-2001取用，，风荷荷载的的体型型系数数宜进进行风风洞试试验确确定，，对矩矩形、、菱形形、圆圆形及及椭圆圆形等等规则则曲面面的风风荷载载的体体型系系数可可参考考表4-4采用。。对轻轻型屋屋面应应考虑虑风压压脉动动影响响。（5）动荷荷载：：考虑虑风力力、地地震作作用等等对屋屋盖的的动力力影响响。（6）预应应力：：为了了在荷荷载作作用下下不使使钢索索发生生松弛弛和产产生过过大的的变形形，需需将钢钢索的的变形形控制制在一一定的的范围围之内内；为为了避避兔发发生共共振现现象，，需将将体系系的固固有频频率控控制在在一定定的范范围之之内。。这要要求屋屋盖具具有一一定的的刚度度，因因此，，必须须在索索中施施加预预应力力，预预应力力的取取值一一般应应根据据结构构形式式、活活载与与恒载载比值值以及及结构构最大大位移移的控控制值值等因因素通通过多多次试试算确确定。。（7）安装荷载载：应分别别考虑每一一安装过程程中安装荷荷载对结构构的影响，，在边缘构构件和支承承结构中常常常会出现现较大的安安装应力。。结构的蠕变变和温度变变化将导致致钢索和结结构刚度减减小，在结结构设计中中还应考虑虑它们的影影响12对非抗震设设计，荷载载效应组合合应按《建筑结构荷荷载规范》GB50009-2001计算。在截截面及节点点设计中，，应按荷载载的基本组组合确定内内力设计值值，在位移移计算中应应按荷载短短期效应组组合确定其其挠度。对对抗震设计计，应按《建筑抗震设设计规范》GB0011-2001确定屋盖重重力荷载代代表值。3钢索设计悬索结构中中的钢索可可根据结构构跨度、荷荷载、施工工方法和使使用条件等等因素，分分别采用有有高强钢丝丝组成的钢钢绞线、钢钢丝绳或平平行钢丝束束，其中钢钢绞线和平平行钢丝束束最为常用用。但也可可采用圆钢钢筋或带状状薄钢板。。平平行钢丝丝束中各钢钢丝不经缠缠绕，受力力均匀，能能充分发挥挥钢材的力力学性能，，其承载能能力和弹性性模量均较较钢绞线或或钢丝绳为为高，造价价也较低，，应用广泛泛，在悬索索拉力较大大时宜优先先采用；在在相同直径径下，钢绞绞线的强度度和弹性模模量高于钢钢丝绳，但但由于钢丝丝绳比较柔柔软，在需需要弯曲且且曲率较大大的悬索结结构中宜采采用。13单索索截截面面根根据据承承载载力力按按下下式式验验算算：：式中中———结构构重重要要性性系系数数，，取取=1.1或1.2；———单索索最最大大轴轴向向拉拉力力设设计计值值；；———单索索材材料料抗抗拉拉强强度度设设计计值值，，由由表表4-1查得得；；———单索索截截面面面面积积。。143.4.3悬索索结结构构基基本本设设计计（1）对对单单层层悬悬索索体体系系，，当当平平面面为为矩矩形形时时，，悬悬索索两两端端支支点点可可设设计计为为等等高高或或不不等等高高，，索索的的垂垂度度可可取取跨跨度度的的1/10~l/20；当当平平面面为为圆圆形形时时，，中中心心受受拉拉环环与与结结构构外外环环直直径径之之比比可可取取1/8~1/17，索索的的垂垂度度可可取取跨跨度度的的1/10~l/20。对对双双层层悬悬索索体体系系，，当当平平面面为为矩矩形形时时，，承承重重索索的的垂垂度度可可取取跨跨度度的的1/15~l/20，稳稳定定索索的的拱拱度度可可取取跨跨度度的的1/15~l/25；当当平平面面为为圆圆形形时时，，中中心心受受拉拉环环与与结结构构外外环环直直径径之之比比可可取取1/5~l/12，承承重重索索的的垂垂度度可可取取跨跨度度的的1/17~l/22，稳稳定定索索的的拱拱度度可可取取跨跨度度的的1/16~l/26。对对索索网网结结构构，，承承重重索索的的垂垂度度可可取取跨跨度度的的1/10~l/20，稳稳定定索索的的拱拱度度可可取取跨跨度度的的1/15~l/30。（2）悬悬索索结结构构的的承承重重索索挠挠度度与与其其跨跨度度之之比比及及承承重重索索跨跨中中竖竖向向位位移移与与其其跨跨度度之之比比不不应应大大于于下下列列数数值值：：单单层层悬悬索索体体系系-1/200（自自初初始始几几何何态态算算起起）），，双双层层悬悬索索体体系系、、索索网网结结构构-1/250（自自预预应应力力态态算算起起））。。（3）钢钢索索宜宜采采用用钢钢丝丝、、钢钢绞绞线线、、热热处处理理钢钢筋筋，，质质量量要要求求应应分分别别符符合合国国家家现现行行有有关关标标准准，，即即《预应应力力混混凝凝土土用用钢钢丝丝》（GB5223）、、《预应应力力混混凝凝土土用用钢钢绞绞线线》（GB5224）、、《预应应力力混混凝凝土土用用热热处处理理钢钢筋筋》（GB4453）。。钢钢丝丝、、钢钢绞绞线线、、热热处处理理钢钢筋筋的的强强度度标标准准值值、、强强度度设设计计值值、、弹弹性性模模量量应应按按表表4-3采用用。。15表4-1钢索索的的抗抗拉拉强强度度标标准准值值、、设设计计值值和和弹弹性性模模量量（4）悬悬索索结结构构的的计计算算应应按按初初始始几几何何状状态态、、预预应应力力状状态态和和荷荷载载状状态态进进行行，，并并充充分分考考虑虑几几何何非非线线性性的的影影响响。。16（5）在在确确定定预预应应力力状状态态后后，，应应对对悬悬索索结结构构在在各各种种情情况况下下的的永永久久荷荷载载与与可可变变荷荷载载下下进进行行内内力力、、位位移移计计算算；；并并根根据据具具体体情情况况，，分分别别对对施施工工安安装装荷荷载载、、地地震震和和温温度度变变化化等等作作用用下下的的内内力力、、位位移移进进行行验验算算。。在在计计算算各各个个阶阶段段各各种种荷荷载载情情况况的的效效应应时时应应考考虑虑加加载载次次序序的的影影响响。。悬悬索索结结构构内内力力和和位位移移可可按按弹弹性性阶阶段段进进行行计计算算。。（6）作作为为悬悬索索结结构构主主要要受受力力构构件件的的柔柔性性索索只只能能承承受受拉拉力力，，设设计计时时应应防防止止各各种种情情况况下下引引起起的的索索松松弛弛而而导导致致不不能能保保持持受受拉拉情情况况的的发发生生。。（7）设设计计悬悬索索结结构构应应采采取取措措施施防防止止支支承承结结构构产产生生过过大大的的变变形形，，计计算算时时应应考考虑虑支支承承结结构构变变形形的的影影响响。。（8）当当悬悬索索结结构构的的跨跨度度超超过过100m且基基本本风风压压超超过过0.7kN/m2时，，应应进进行行风风的的动动力力响响应应分分析析，，分分析析方方法法宜宜采采用用时时程程分分析析法法或或随随机机振振动动法法。。（9）对对位位于于抗抗震震设设防防烈烈度度为为8度或或8度以以上上地地区区的的悬悬索索结结构构应应进进行行地地震震反反应应验验算算。。17节点点的的构构造造应应符符合合结结构构分分析析中中的的计计算算假假定定。。其其所所选选用用的的钢钢材材及及节节点点中中连连接接的的材材料料应应按按国国家家标标准准《钢结结构构设设计计规规范范》GB50017——2003、《混凝凝土土结结构构设设计计规规范范》GB50010-2002及《碳素素结结构构钢钢》GB700的规规定定。。节节点点采采用用铸铸造造，，锻锻压压或或其其它它加加工工方方