悬索结构简介

第八章悬悬索索结构柔性的悬悬索在自自然状态态下不仅仅没有刚刚度，其其形状也也是不确确定的。。必须采采用敷设设重屋面面或施加加预应力力等措施施，才能能赋予一一定的形形状，成成为在外外荷作用用下具有必要刚度度和形状状稳定性性的结构。。因此也也称其为为张力结构构。第一节概概述述悬索结构构由受拉拉索、边边缘构件件和下部部支承构构件所组组成。拉索：钢绞线线、钢丝丝绳或钢钢丝束、、边缘构件件和下部部支承构构件：钢筋混混凝土。。韩国永宗大桥桥第一个现代悬索索屋盖是是美国于于1953年建成的的雷里竞技技馆，采用以以两个斜斜置的抛抛物线拱拱为边缘缘构件的的悬索屋屋盖，主要用于于飞机库库、体育育馆、展展览馆、、杂技场场等大跨跨度公共共建筑和和某些大大跨度工工业厂房房中，跨跨度最大大达160m。北京工人人体育馆馆、浙江江人民体体育馆，达到了了当时国国际上较较先进的的水平，，在以后后的几十十年间，，成都城北北体育馆馆、吉林林滑冰场场、安徽徽省体育育馆、丹丹东体育育馆、亚亚运会朝朝阳体育育馆等建筑中中，采用用了各种种形式的的悬索屋屋盖结构构，但在在设计理理论和工工程规模模上，并并没有很很大的突突破。特点：1）通过索索的轴向向拉伸抵抵抗外荷荷作用，，充分利利用钢材材强度，，自重低低。跨度度越大，，经济性性越好。。2）施工方方便，费费用低3）便于建建筑造型型，容易易适应各各种建筑筑平面4）可创造造具有良良好物理理性能的的建筑空空间5）稳定性性差6）边缘构构件和下下部支承承必须具具有一定定的刚度度和合理理的形式式，以承承受索端端巨大的的水平拉拉力。第二节悬悬索的的受力与与变形特特点单根悬索索的受力力与拱受受力相似似，为轴轴心受力力构件。。悬索是是轴心心受拉拉构件，，对于于钢材材而言言，悬悬索是是一种种理想想结构构形式式。一、索索的支支座反反力由于钢钢拉索索是柔柔性的的，不不能受受弯，，索端端可认认为是是固定定铰支支座。。在竖竖向荷荷载下下，悬悬索呈呈抛物物线形形，跨跨中的的下垂垂度为为f，计算算跨度度为l。Va=VB=0.5qL索中任任意截截M=0，对跨跨中截截面取取矩f=M0/H由上式式知，，在竖竖向荷荷载下下，悬悬索支支座受受到水水平拉拉力作作用，，该水水平拉拉力的的大小小等于于相同同跨度度简支支梁在在相同同荷载载作用用下的的跨中中弯矩矩除以以悬索索的垂垂度。。f与H是反比比关系系，因此找找到合合理垂垂度，，处理理好拉拉索水水平力力的传传递和和平衡衡是结构构设计计中的的重点点。二、索索的拉拉力N=H/cos@当索方方程确确定后后，按按上式式就可可求出出索的的各个个截面面内的的轴力力。索索的轴轴力在在支座座处最最大;在跨中中最小小,最小为为N=ql2/8f.三、索索的变变形悬索是是轴拉拉构件件，既既无弯弯矩又又无剪剪力。。由于于索本本身是是柔性性构件件，其其抗弯弯刚度度可忽忽略，，因此此索的的形状状会随随荷载载的不不同而而改变变。见书P145.第三节节悬悬索结结构形形式按按拉索布布置方方式分三类类：一、单单层悬索结结构优点：：传力力明确确，构构造简简单；；缺点：：稳定定性差差，抗抗风能能力小小。平行行布置置形式式(跨度可可达80m）水平梁梁和框框架一一起承受悬悬索拉拉力水平梁梁承受悬悬索拉拉力悬索直直接锚挂于于框架架斜拉索索将悬索拉拉力拉向地地锚幅射式式布置置形式式(适用于于圆形形，椭圆形形平面面)下凹双双曲率率碟形形屋面面不便于于排水水，最最大的的碟形屋屋面：：美国阿阿拉美达比比赛馆馆，跨跨径128m(1967)伞形屋屋面最大的的伞形形屋面面：前苏联联伊利利姆斯斯克汽车库库，跨跨径206m受拉内内环采采用钢钢制，，受压压外环环采用用钢筋筋混凝凝土制制作。。可比比平行行布置置做到到较大大跨度度。网状状布置置形式式(适用于于圆形形，矩形等等各种种平面面)设计要要点单层悬悬索体体系垂垂跨比比经验验取值值：1/201/10加强形形状稳稳定性性的措措施：：采用重重屋面面采用预预应力力钢筋筋混凝凝土悬悬挂薄薄壳采用横横向加加劲构构件两向索索正交交布置置屋面板板规格格统一一边缘构构件弯弯矩大大于幅射射式布布置1、单曲曲面单单层拉拉索体体系（（单层层平行行索系系）由许多多平行行的单单根拉拉索组组成。。屋盖盖表面面为筒筒状凹凹面，，需从从两端端山墙墙排水水。拉拉索两两端可可以等等高，，也可可不等等高。。拉索索可以以是单单跨，，也可可以是是多跨跨。索的水水平拉拉力不不能在在上部部结构构实现现自平平衡，，必须须通过过适当当的形形式传传至基基础。。拉索水水平力力传递递一般般有三三种形形式：：1）通过过竖向向承重重构件件传至至基础础2）通过过拉锚传至基基础3）通过过刚性性水平平构件件集中中传至至抗侧侧力墙墙。2、双曲曲面单单层拉拉索体体系（（单层层辐射射索系系）常见圆圆形，，其拉拉索按按辐射射状布布置。。蝶形：拉索索一端端支承承在周周边柱柱顶环环梁上上，另另一端端支承承在中中心内内环梁梁上。。伞形：一端端支承承在周周边柱柱顶环环梁上上，另另一端端支承承在中中心立立柱上上。二、双层悬索结结构优点：：稳定定性好好，整整体刚刚度大大，（平行布布置形形式））1、单曲曲面双双层拉拉索体体系由下凹凹的承承重索索，上上凸的的稳定定索及及它们们之间间的连连系杆杆组成成承重重索垂垂跨比比一般般取1/201/15，稳定定索拱拱跨比比一般般取1/201/25。双层层索系系两端端也必必须锚锚固在在侧边边构件件上，，或通通过锚锚索固固定在在基础础上，，2、双曲曲面双双层拉拉索体体系（（幅射射式及及网状状布置置形式式）承重索索和稳稳定索索均沿沿辐射射方向向布置置，周周围支支承在在周边边柱顶顶的受受压环环梁上上，中中心则则设置置受拉拉内环环梁。。整个个屋盖盖支承承于外外墙或或周边边柱上上，根根据承承重索索和受受拉索索的关关系所所形成成的屋屋面可可为上凸下下凹或或交叉叉形，相应应在周周边柱柱顶设设置一一道或或两道道受压压环梁梁。上索既既是稳稳定索索，又又直接接承载载a)双层内内环梁梁b)双层外外环梁梁c)双层内内外环环梁d)单层外外环梁梁网状状布置置e)双层外外环梁梁网状状布置置三、交交叉索索网体体系由两组相相互正正交的的、曲曲率相相反的的拉索索直接交交叠组组成，，形成成负高高斯曲曲率的的双曲曲抛物物面。。两组组拉索索中，，上凸凸为稳稳定索索，下下凹为为承重重索。。该结结构通通常施施加预预应力力，以以增强强屋盖盖的稳稳定性性和刚刚度。。优点：：刚度度大，，变形形小稳稳定性性好。。适用用大跨跨度。。鞍形索索网布布置形形式交叉索索网体体系需需设置置强大大的边边缘构构件，，以锚锚固不不同方方向的的两组组拉索索。（（拉索索内常常产生生相当当大的的弯矩矩、扭扭矩））边缘构构件形形式很很多，，根据据建筑筑造型型一般般有以以下几几种布布置方方式：：1、边缘缘构件件为闭闭合曲曲线环环梁2、边缘缘构件件为落落地交交叉拱拱3、边缘缘构件件为不不落地地交叉叉拱4、边缘缘构件件为一一对不不相交交的落落地拱拱5、边缘缘构件件为拉拉索结结构第四节节悬悬索结结构的的稳定定主要表表现在在两个个方面面：一是适适应荷荷载变变化的的能力力低；；二是是抗风风吸、、风振振能力力差。在索自自重作作用下下，呈呈悬链链线形形式，，此时时若施施加荷荷载，，则原原来的的悬链链形式式就不不能保保持平平衡，，会产产生很很大的的位移移，形形成与与新荷荷载分分布相相适应应的平平衡形形式。。会造造成屋屋面防防水层层的损损坏，，该位位移为为机构性性位移移。机构性性位移移与由由弹性性变形形引起起的位位移不不同。。索抵抵抗机机构性性位移移的能能力就就是索索的稳稳定性性。它它与索索的张张紧程程度有有关。。为使单单层索索屋盖盖结构构具有有稳定定性，，一般般可采采取：：1、增加加悬索索结构构上的的荷载载通过在在索上上加重重荷载载，或或在索索下吊吊挂重重荷载载等，，增加加屋盖盖自重重。书书P152图8-4-2.缺点：：使悬悬索截截面增增大，，支撑撑结构构受力力也增增大。。2、形成成预应应力索索-壳组合合结构构对屋面面施加加预应应力，，使之之形成成一倒倒挂的的薄壳壳与悬悬索共共同受受力、、整体体工作作。常用施施工方方法：在悬悬索上上铺好好预制制屋面面板，，在板板上加加额外外的临临时荷荷载，，使索索进一一步伸伸长，，板缝缝增大大，然然后浇浇灌混混凝土土，达达到足足够强强度后后，卸卸去临临时荷荷载，，悬索索缩短短，屋屋面回回弹，，产生生预应应力。。使屋屋面形形成预预应力力混凝凝土薄薄壳。。3、形成成索-梁或索索-桁架组组合结结构可在索索上搁搁置横向加加劲梁梁或横横向加加劲桁桁架，形成成索-梁体系系。横向加加劲梁梁具有有一定定的抗抗弯刚刚度，，在两两端与与山墙墙处的的结构构相连连，并并与各各悬索索在相相交处处互相相连接接。梁梁-索构成成整体体，共共同受受力。。4、增设设相反反曲率率的稳稳定索索即为双双层拉拉索体体系或或交叉叉索网网体系系。通通过调调整受受拉钢钢索或或受压压撑杆杆的长长度，，可对对悬索索体系系施加加预应应力，，是承承重索索与稳稳定索索内始始终保保持足足够大大的拉拉紧力力，提提高整整体稳稳定性性和抗抗震能能力。。一些典典型建建筑单层层悬索索德国乌乌柏特特市游游泳馆馆德国多多特蒙蒙特展展览大大厅前苏联联克达达斯若若牙尔尔斯克克车库库日本古古川市市民会会馆双层层悬索索瑞典斯斯德哥哥尔摩摩约翰翰尼绍绍夫滑滑冰场场芬兰赫赫尔辛辛基冰冰上运运动场场德国法法兰克克福机机动车车检修修场罗马尼尼亚布布加勒勒斯特特文体体宫鞍形形索网网前南斯斯拉夫夫莱士士科瓦瓦克纺纺织博博览馆馆加拿大大卡尔尔加里里滑冰冰馆第九章章大大跨度度建筑筑结构构的其其他形形式大跨度度建筑筑是人人类社社会发发展与与进步步的产产物，，它能能够最最大限限度地地满足足体育育、文文化、、商贸贸社交交活动动的需需要，，体现现了一一个城城市甚甚至一一个国国家建建筑技技术的的发展展水平平，同同时，，大跨跨度建建筑对对改善善城市市景观观、调调节市市民的的生活活环境境起着着重要要的作作用。。传统的的大跨跨度建建筑的的结构构形式式有刚刚架结结构、、桁架架结构构、拱拱式结结构、、薄壳壳结构构、平平板网网架结结构、、网壳壳结构构、悬悬索结结构等等。这这些结结构形形式在在大跨跨度的的工业业与民民用建建筑中中都得得到了了广泛泛的应应用。。它们们在结结构上上具有有不同同的受受力特特点，，在建建筑上上具有有不同同的造造型特特色，，然而随着时时代的发展展，人们对对建筑的要要求已经不不再仅仅是是满足物质质功能的需需要，而是是越来越高高地提出了了对建筑精精神功能的的要求，因因此，可以以预言，随随着高强度度材料的推推广应用，，随着建筑筑施工技术术的完善，，随着各种种新型屋面面材料的出出现，随着着人们对建建筑精神功功能要求的的提高，大大跨度建筑筑结构的形形式将会越越来越丰富富多彩。薄膜结构是是张拉结构构中最近发发展起来的的一种形式式，它以性性能优良的的柔软织物物为材料，，可以向膜膜内充气，，由空气压压力支撑膜膜面，也可可以利用柔柔软性的拉拉索结构或或刚性的支支撑结构将将薄膜绷紧紧或撑起，，从而形成成具有一定定刚度、能能够覆盖大大跨度空间间的结构体体系。薄膜结构由由于其轻质质、柔软、、不透气、、不透水、、耐火性好好、有一定定的透光率率、有中够够的受拉承承截力，加加上新近研研制的膜材材耐久性有有了明显的的提高，因因此，薄膜膜结构在最最近几年得得到了较大大的发展，，在国内外外已被较多多地应用于于体育建筑筑、展览中中心、商场场、仓库、、交通服务务设施等大大跨度建筑筑中。第一节薄薄膜结构的的特点薄膜结构是是一种古老老的结构刑刑式，其造造型在自然然界中十分分常见，如如肥皂泡、、蝙蝠翼、、蜘蛛网等等。在日常常生活中也也有许多应应用薄膜结结构的实例例，如：气气球、游泳泳救生圈、、伞、帆、、风筝、帐帐篷等，受受力性能是是十分明确确的。作为建筑物物屋盖结构构，帐篷是是最为古老老的空间张张力结构，，最早的帐帐篷是用兽兽皮或由羊羊毛织成，，后来则是是用棉或其其他天然织织物制作而而成，薄壳壳结构建筑筑与薄膜结结构与我们们传统的建建筑结构体体系是完全全不同的。。薄膜结构是是建筑与结结构中一种种结构体系系，薄膜既既承受膜面面的内力，，作为结构构的一部分分，又可防防雨、挡风风，起维护护作用，同同时还可采采光以节省省室内照明明的能源，，膜材本身身的受弯刚刚度几乎为为零，但通通过不同的的支撑体