浅谈悬索结构的形式及应用

浅谈悬索结构的形式及应用

一、悬索结构的概念随着生产的发展和人民生活水平的提高，建筑事业也得到了扩展。作为建筑结构中的重要分支——钢筋混凝土结构在各个方面都发展得越来越完善,而具有经济指标低、施工快、便于建筑造型等优点,在国外应用很广的悬索结构,在我国却因实践和理论研究上的不足,均处于相对落后的地位。土木建筑结构所指的悬索结构,就是指以一系列受拉的索作为主要承重构件,这些索按一定规律组成各种不同形式的体系,并悬挂在相应的支承结构体系边缘构件上的结构。正是因为索主要承受轴向拉力,所以可以最充分地利用钢材的强度,如果再采用高强度材料时,更可大大减轻结构自重,因而,悬索结构可以较经济地跨越很大的跨度,是目前大跨建筑的主要结构形式之一。二、悬索结构的特点(一)钢索的力臂和自力的面积悬索结构是一种受力比较合理的建筑结构形式,将悬索结构与简支梁两者的受力情况进行对比,就可以看出这种合理性。如图1所示,简支梁在竖向荷载作用下,上纤维压应力的合力与下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。由于钢索自重很小,屋面构件一般也较轻,因而给施工架设带来了很大的方便。安装时不需要大型起重设备,施工时不需要脚手架,也不需要模板。这些都有利于加快施工进度,降低工程造价。因而,与其它结构形式比较,施工费用相对较低。(三)建筑与结构的多样性悬索结构由于索网布置灵活,便于建筑造型,能适应多种多样的平面形状和外形轮廓,因而能较自由地满足各种建筑功能和表达形式的要求,使建筑与结构可以得到较完善的结合。这也是建筑师们乐于采用这种结构形式的重要原因。三、部ld-ld-l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。(一)两端锚挂组成单层悬索结构由一系列按一定规律布置的单根悬索组成,悬索两端锚挂在稳固的支承结构上。单层悬索结构又根据所适用的建筑平面的不同,分为单曲面单层悬索结构和双曲面单层悬索结构。1、平行拉索结构单曲面单层悬索结构形成下凹的单曲率曲面,一般用于矩形平面的单跨建筑,有时也可用于多跨建筑或非矩形平面的个别工程中。它是由许多平行的单根拉索组成,拉索两端悬挂在稳定的支承结构上,也可设置专门的锚索或端部水平结构来承受悬索的拉力,如图2所示。这种悬索结构的表面呈圆筒形,拉索两端支点可以等高,为了排水也可做成不等高。这种平行拉索体系常呈平面受力状态,索中拉力值与跨中垂度成反比。对于一定跨度的悬索结构,如垂度太小则曲面扁平,索中拉力将过大;如垂度太大则索中拉力减少,但支承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。2、单层悬索体系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辐射状布置,屋面形成一个下凹的旋转面。悬索支承在周边构件——受压圈梁上,中心可设置受拉的内环。显然,下凹的屋面不便于排水。所以,当房屋的中央容许设置支柱时,可利用支柱升起为悬索提供中间支承,形成伞形悬索结构,如图3所示。在这一体系中,受拉内环采用钢制,充分发挥钢材的抗拉强度;受压的外环一般采用钢筋混凝土结构,充分利用混凝土的抗压强度,材尽其用,经济合理,因而双曲面单层悬索结构可比单曲面单层悬索结构做到较大跨度。但是,单层悬索结构有一个比较大的缺点就是稳定性不好。所谓稳定性不好,有相互联系的两层含义:(1)悬索是一种可变体系,其平衡形式随荷载分布方式而变。(2)抗风能力差。为使单层悬索体系屋盖具有必要的稳定性,一般须采用重屋面。利用较大的均布恒载使悬索始终保持较大的张紧力,以加强维持其原始形状的能力,同时较大的恒载也能较好地克服风力的卸载作用。但与此同时,重屋面使悬索的截面增大,支承结构的受力也相应增大,从而影响经济效果。(二)双悬索结构解决悬索屋盖稳定性问题更有效的办法就是采用双层索系,与单层悬索结构一样,双层悬索结构也分为单曲面双层悬索结构和双曲面双层悬索结构。1、双侧索桁架结构单曲面双层悬索结构是在平行拉索体系的基础上增设一层反向曲率的钢索构成的。下凹曲面为承重索,上凸曲面为稳定索,每对承重索和稳定索一般位于同一竖平面内,二者之间通过受拉钢索或受压撑杆连系,构成犹如屋架形式的平面体系,常称为索桁架。图4表示单曲面双层悬索结构的一些可能形式。设置稳定索不只是为了抵抗风吸力的作用。由于设置相反曲率的稳定索和相应的系杆,就有可能对体系施加预应力,使承重索和稳定索内始终保持足够大的拉紧力,提高了整个体系的稳定性。此外,由于存在预张力,稳定索能同承重索一起抵抗竖向荷载的作用,从而提高整个体系的刚度。它多用于矩形平面的单跨建筑。2、增加了大量稳定性索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,其周围支承在周边构件(一道或两道受压圈梁)上,中心则设置受拉内环。由于增设了一层稳定索,屋面刚度进一步有所提高,抗风、抗震性能有所增强,这为悬索结构采用轻型屋面提供了条件。这也是在圆形平面建筑中应用较多的一种悬索结构。(三)调整边缘构件索网结构通常是由两组相互正交、曲率相反的钢索直接交叉组成的,这种索网形成由正、负高斯曲率构成的双曲抛物面,所以也常被称之为鞍形索网。两组钢索中,下凹者为承重索(主索),上凸者为稳定索(副索),两组钢索在交点处相互连接。索网的周边构件受力较大,即使做成曲线形状,也常产生相当大的弯矩,因而需要有强大的截面。其实,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。对索网结构必须施加预应力,以提高体系的稳定性和刚度。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,均可实现预应力。不难看出,索网结构的工作原理同双层索系极