第8章_懸索結構

1、System and Selection of Building Structures土木建筑與力學學院第8章 懸索結構第8章 懸索結構8.1 概述 8.1.1 懸索結構的形成 蜘蛛網也許是世界上最有效的張拉索結構。它個充分利用了蜘蛛絲很高的抗拉強度，結構合理、自重輕、承載力大。 獵物的掙扎以及冷凝霧水的重力等一般都不能把它扯壞。 自然界的許多結構是很值得我們學習的。這就是仿生學。Central South University of Forestry & Technology 第8章 懸索結構8.1 概述 8.1.1 懸索結構的形成n 定義定義n 懸索結構基本組成懸索結構基本組成 懸

2、索結構由受拉索、邊緣構件和下部支承構件所組成。懸索結構由受拉索、邊緣構件和下部支承構件所組成。拉索一般采用高強鋼絲組成的鋼鉸線、鋼絲繩或鋼絲束；拉索一般采用高強鋼絲組成的鋼鉸線、鋼絲繩或鋼絲束；邊緣構件和下部支承構件則常為鋼筋混凝土結構。邊緣構件和下部支承構件則常為鋼筋混凝土結構。Central South University of Forestry & Technology 第8章 懸索結構8.1 概述8.1.2 懸索結構的特點n 索軸向受拉n 便于建筑造型，容易適應各種平面;n 施工較方便。自重?。?0kg/m2），屋面構件也較輕。n 可創(chuàng)造良好物理性能的建筑空間。n 穩(wěn)定性較差

3、。n 邊緣構件和下部支承必須具有一定的剛度和合理的形式，以承受索端巨大的水平拉力。最早應用于橋梁工程中最早應用于橋梁工程中房屋建筑中，蒙古包、帳篷可看做懸索結構的雛形房屋建筑中，蒙古包、帳篷可看做懸索結構的雛形Central South University of Forestry & Technology 第8章 懸索結構8.1 概述8.1.2 懸索結構的特點Central South University of Forestry & Technology 第8章 懸索結構8.1 概述8.1.3 懸索結構的發(fā)展n 現代大跨度懸索屋蓋結構的廣泛應用，則只有半個世紀的歷史。第一個

4、現代懸索屋蓋是1953年建成的雷里競技館，采用以兩個斜置的拋物線拱作為邊緣構件的鞍形正交索網。Central South University of Forestry & Technology 第8章 懸索結構8.1 概述8.1.3 懸索結構的發(fā)展n 我國現代懸索結構之發(fā)展始于50年代后期和80年代。北京的工人體育館和杭州的浙江人民體育館是當時的兩個代表作。n 北京工人體育館：建于1961年，其屋蓋為圓形平面，直徑94m，采用車輻式雙層懸索體系，由截面為2m X2m的鋼筋混凝土圈梁、中央鋼環(huán)，以及輻射布置的兩端分別錨定于圈梁和中央鋼環(huán)的上索和下索組成。中央鋼環(huán)直徑16m，高11m，由鋼

5、板和型鋼焊成，承受由于索力作用而產生的環(huán)向拉力，并在上、下索之間起撐桿的作用。 Central South University of Forestry & Technology 第8章 懸索結構8.1 概述8.1.3 懸索結構的發(fā)展Central South University of Forestry & Technology 第8章 懸索結構8.2 懸索的受力與變形特點8.2.1 索的支座反力圖圖8-2-1 懸索結構的受力分析懸索結構的受力分析qlVVBA21 0812 HfqlfMfqlH028 2081qlM 由由 ，支座反力為支座反力為 索中任一截面的彎矩為零，索中

6、任一截面的彎矩為零，以跨中截面為矩心，則有：以跨中截面為矩心，則有： 式中，式中， 0YCentral South University of Forestry & Technology 第8章 懸索結構8.2 懸索的受力與變形特點8.2.2 索的拉力 0XHNcoscosHN 0 將索在計算截面切斷，如圖所示，由將索在計算截面切斷，如圖所示，由，可得，可得索的軸力在支座截面（索的軸力在支座截面（值最大）為最大，）值最大）為最大，）在跨中截面（在跨中截面（ ）時為最小。時為最小。Central South University of Forestry & Technology

7、第8章 懸索結構8.2 懸索的受力與變形特點8.2.3 索的變形圖圖8-2-2 懸索結構的變形懸索結構的變形懸索是一個軸心懸索是一個軸心受拉構件，既無彎受拉構件，既無彎矩也無剪力。矩也無剪力。懸索承受單個集懸索承受單個集中荷載，形成三角中荷載，形成三角形；形；懸索承受多個集懸索承受多個集中荷載，形成索多中荷載，形成索多邊形；邊形；懸索自重作用時，懸索自重作用時，處于自然懸垂狀態(tài)，處于自然懸垂狀態(tài)，為懸鏈線；為懸鏈線； 懸索承受均布豎向荷載，形成拋物線；懸索承受均布豎向荷載，形成拋物線； 懸索承受的豎向荷載自跨中向兩側增加時，懸索承受的豎向荷載自跨中向兩側增加時，形成橢圓。形成橢圓。Centra

8、l South University of Forestry & Technology 第8章 懸索結構8.3 懸索結構的型式8.3.1 單層懸索體系n 1）單曲面單層拉索體系(跨度可達80m，德國多特蒙特一展覽廳，1956)水平梁和框架一起水平梁和框架一起承受懸索拉力承受懸索拉力水平梁水平梁承受懸索拉力承受懸索拉力懸索直接懸索直接錨掛于框架錨掛于框架斜拉索將斜拉索將懸索拉力懸索拉力拉向地錨拉向地錨Central South University of Forestry & Technology 第8章 懸索結構8.3 懸索結構的型式8.3.1 單層懸索體系n 單曲面單層拉索體

9、系也稱單層平衡索系。它由許多平行的單根拉索組成。n 屋蓋表面為筒狀凹面，需從兩端山墻排水，如圖所示。n 拉索兩端的支點可以是等高的也可以是不等高的；拉索可以是單跨的，也可以是多跨連續(xù)的，n 但曲面單層拉索體系的優(yōu)點是傳力明確，構造簡單；缺點是屋面穩(wěn)定性差，抗風（上吸力）能力小，索的水平拉力不能在上部結構實現自平衡。必須通過適當的形式傳至基礎。Central South University of Forestry & Technology 第8章 懸索結構8.3 懸索結構的型式8.3.1 單層懸索體系n 拉索水平力的傳遞的拉索水平力的傳遞的三種方式：三種方式： 1）通過豎向承重結構）通

10、過豎向承重結構傳至基礎；傳至基礎； 2）通過拉錨傳至基礎；）通過拉錨傳至基礎； 3）通過剛性水平構件）通過剛性水平構件集中傳至抗側力墻。集中傳至抗側力墻。圖圖8-3-1 單曲面單層拉索水平力的平衡單曲面單層拉索水平力的平衡Central South University of Forestry & Technology 第8章 懸索結構8.3 懸索結構的型式8.3.1 單層懸索體系 圖圖8-3-2 8-3-2 丹東體育館結構丹東體育館結構 (a)(a)體育館主體結構示意圖；體育館主體結構示意圖；(b)(b)看臺斜框架結構簡圖看臺斜框架結構簡圖 圖a為丹東體育館的主體結構示意圖。該體育館

11、為兩懸索結構，懸索一端錨固在中間的剛架橫梁上，另一端即錨固再看臺斜柱框架的柱頂，b為看臺斜框架的結構計算簡圖。Central South University of Forestry & Technology 第8章 懸索結構8.3 懸索結構的型式8.3.1 單層懸索體系圖圖8-3-3 德國烏柏特市游泳館德國烏柏特市游泳館 圖為德國烏柏特市游圖為德國烏柏特市游泳館，可容納觀眾泳館，可容納觀眾20002000人，比賽大廳平面面積人，比賽大廳平面面積為為656540m40m，屋蓋設計成，屋蓋設計成縱向單曲單層懸索，懸縱向單曲單層懸索，懸索拉力通過看臺斜梁傳索拉力通過看臺斜梁傳至游泳池底部，

12、兩側對至游泳池底部，兩側對稱平衡，使地基僅承受稱平衡，使地基僅承受壓力。該建筑結構形式壓力。該建筑結構形式與建筑使用空間協(xié)調一與建筑使用空間協(xié)調一致，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，以保證懸索的穩(wěn)晤面，以保證懸索的穩(wěn)定性。定性。Central South University of Forestry & Technology 第8章 懸索結構8.3 懸索結構的型式8.3.1 單層懸索體系圖圖8-3-4 拉錨的錨固拉錨的錨固圖圖8-3-5 德國多特蒙德展覽大廳德國多特蒙德展覽大廳1 1）錨固在足夠重的大體積混凝土圖）錨固在足夠重的大體積混

13、凝土圖a a；2 2）利用底板及回填土自重抵抗拉力圖）利用底板及回填土自重抵抗拉力圖b b；3 3）錨固于受拉摩擦樁或受彎摩擦樁上圖）錨固于受拉摩擦樁或受彎摩擦樁上圖c c；4 4）錨固在巖石層的鉆孔中。）錨固在巖石層的鉆孔中。 圖為德國多特蒙的展覽大廳，屋蓋跨度為80m，單曲單層懸索結構，懸索拉力通過斜柱拉錨至地下基礎。屋蓋采用普通混凝土肋加浮石混凝土屋面板，以保證懸索的穩(wěn)定性。Central South University of Forestry & Technology 第8章 懸索結構8.3 懸索結構的型式8.3.1 單層懸索體系n 2）雙曲面單層拉索體系圖圖8-3-6 雙曲

14、面單層拉索體系雙曲面單層拉索體系 （a）拉索平面布置；）拉索平面布置；(b)碟形方案布置；碟形方案布置；(c)傘形方案布置傘形方案布置Central South University of Forestry & Technology 第8章 懸索結構8.3 懸索結構的型式8.3.1 單層懸索體系n 2）雙曲面單層拉索體系n 雙曲面單層拉索體系也稱單層輻射索系。這種索系常見于圓形的建筑平面，其各拉索按輻射狀布置，整個屋面形成一個旋轉曲面（圖）。n 雙曲面單層拉索體系又碟形和傘形兩種。碟形懸索結構的拉索一端支承在周邊柱頂環(huán)梁上，另一端支承在中心內環(huán)梁上，見圖b，其特點是雨水集中于屋蓋中部，

15、屋面排水處理較為復雜。傘形懸索結構的拉索一端支承在周邊柱頂環(huán)梁上，另一端支承在中心柱上，見圖c，其圓錐狀屋頂排水通暢，但中間有立柱限制了建筑的使用功能。Central South University of Forestry & Technology 第8章 懸索結構8.3 懸索結構的型式8.3.1 單層懸索體系n 2）雙曲面單層拉索體系n 單層輻射索體也可用于橢圓形建筑平面。n 其缺點是在豎向均布荷載作用下，各拉索的內力都不相同，從而會在受壓外環(huán)梁中產生彎矩。n 在圓形平面中，雜豎向均布荷載作用下，各拉索的內力相等，且與垂度成反比。Central South University o

16、f Forestry & Technology 第8章 懸索結構8.3 懸索結構的型式8.3.1 單層懸索體系n 2）雙曲面單層拉索體系圖圖8-3-7 烏拉圭蒙特維多體育館碟形懸索結構烏拉圭蒙特維多體育館碟形懸索結構圖圖8-3-8 淄博長途汽車站傘形懸索結構淄博長途汽車站傘形懸索結構Central South University of Forestry & Technology 第8章 懸索結構8.3 懸索結構的型式8.3.2 雙層懸索體系n 雙層懸索體系是由一系列承重索和相反曲率的穩(wěn)定索所組雙層懸索體系是由一系列承重索和相反曲率的穩(wěn)定索所組成成。每對承重索和穩(wěn)定索一般位于同

17、一豎向平面內，二者之間通過受拉鋼索或受壓撐桿連系，連系桿可以斜向布置，構成猶如屋架的結構體系，故常稱為索桁架；連桿也可以布成豎腹桿的形式，當為圓形建筑平面時，常設中心內環(huán)梁。n 雙層懸索體系的特點是穩(wěn)定性好，整體剛度大雙層懸索體系的特點是穩(wěn)定性好，整體剛度大，反向曲率的索系可以承受不同方向的荷載作用，通過調整承重索、穩(wěn)定索或腹桿的長度，可以對整個屋蓋體系施加預應力，增加了屋蓋的整體性。n 雙層懸索體系按屋面幾何形狀的不同也有單曲面雙層拉索單曲面雙層拉索體系體系和雙曲面雙層拉索體系雙曲面雙層拉索體系兩類。Central South University of Forestry & Tec

18、hnology 第8章 懸索結構8.3 懸索結構的型式8.3.2 雙層懸索體系n 一般形式：由下凹的承重索，上凸的穩(wěn)定索及它們之間的連系桿組成。 承重索垂跨比一般取1/201/15 ， 穩(wěn)定索拱跨比一般取1/201/25 圖圖8-3-9 8-3-9 雙層懸索體系雙層懸索體系Central South University of Forestry & Technology 第8章 懸索結構8.3 懸索結構的型式8.3.2 雙層懸索體系n 1）單曲面雙層拉索體系n 平行索系：優(yōu)點：穩(wěn)定性好，整體剛度大。適宜于采用輕屋面；對于平行索系，承重索和穩(wěn)定索可在同一平面內，也可錯開布置，構成波形屋面

19、。圖圖8-3-10 單曲面雙層拉索體系單曲面雙層拉索體系Central South University of Forestry & Technology 第8章 懸索結構8.3 懸索結構的型式8.3.2 雙層懸索體系n 1）單曲面雙層拉索體系圖圖8-3-11 承重索和穩(wěn)定索不在同一豎平面內承重索和穩(wěn)定索不在同一豎平面內 單曲面雙層拉索體系中的承重索或穩(wěn)定索也可以不在同一豎向平面內，而是相互錯開布置，構成波形晤面可有效地解決屋面排水解決屋面排水問題問題。承重索與穩(wěn)定索之間靠波形的波形的系桿連接系桿連接，并借以施加預應力施加預應力。Central South University of

20、Forestry & Technology Central South University of Forestry & Technology 第8章 懸索結構8.3 懸索結構的型式8.3.2 雙層懸索體系圖圖8-3-12 吉林滑冰館屋蓋結構的形式吉林滑冰館屋蓋結構的形式吉林省速滑館結構布置示意圖吉林省速滑館結構布置示意圖Central South University of Forestry & Technology 第8章 懸索結構8.3 懸索結構的型式8.3.2 雙層懸索體系Central South University of Forestry & Te

21、chnology 第8章 懸索結構8.3 懸索結構的型式8.3.2 雙層懸索體系Central South University of Forestry & Technology 第8章 懸索結構8.3 懸索結構的型式8.3.2 雙層懸索體系n 2）雙曲面雙層拉索體系圖圖8-3-14 雙曲面雙層拉索體系雙曲面雙層拉索體系 承重索和穩(wěn)定索均沿輻射方向布置，周圍支承在周邊柱頂的受壓環(huán)梁上，中心則設置受拉內環(huán)梁。整個屋蓋支承于外墻或周邊的柱上。根據承重索或穩(wěn)定索的關系所形成的屋面可為上凸、下凹或交叉形，相應地在周邊柱頂應設置一道或兩道受壓環(huán)梁。 通過調整承重索、穩(wěn)定索或腹桿的長度并利用中心環(huán)

22、受拉或受壓，也可以對拉索體系施加預應力。Central South University of Forestry & Technology 第8章 懸索結構8.3 懸索結構的型式8.3.2 雙層懸索體系上索既是穩(wěn)定索，又直接承載a)雙層內環(huán)梁 b)雙層外環(huán)梁c)雙層內外環(huán)梁d)單層外環(huán)梁網狀布置e)雙層外環(huán)梁網狀布置Central South University of Forestry & Technology 第8章 懸索結構8.3 懸索結構的型式8.3.3 交叉索網體系n 圖圖8-3-158-3-15成都市城北體育館鋼索布置成都市城北體育館鋼索布置 交叉索網體系也交叉索網

23、體系也稱為鞍形索網，由稱為鞍形索網，由兩組相互正交的、兩組相互正交的、曲率相反的拉索直曲率相反的拉索直接交疊組成，形成接交疊組成，形成負高斯曲率的雙曲負高斯曲率的雙曲拋物面。拋物面。 兩組拉索中，下兩組拉索中，下凹者為承重索，上凹者為承重索，上凸者穩(wěn)定索，穩(wěn)定凸者穩(wěn)定索，穩(wěn)定索應在承重索之上。索應在承重索之上。Central South University of Forestry & Technology 第8章 懸索結構8.3 懸索結構的型式8.3.3 交叉索網體系Central South University of Forestry & Technology 第8章 懸

24、索結構8.3 懸索結構的型式8.3.3 交叉索網體系圖圖8-3-15 交叉索網體系及其邊緣構件交叉索網體系及其邊緣構件 交叉索網結構通常是假預應力，以增強屋蓋結構的穩(wěn)定性和剛度。由于存在曲率相反的兩組索，對其中任意一組或同時對兩組進行張拉，均可實現預應。1邊緣構件為閉合曲線形環(huán)梁圖a；2邊緣構件為落地交叉拱圖b；3邊緣構件為不落地交叉拱圖c、d；4邊緣構件為一對不相交的落地拱圖e；5邊緣構件為拉索結構圖f。 交叉索網體系剛度大、變形小、具有反向受力能力，結構穩(wěn)定性好，是用大跨度建筑的屋蓋。交叉索網體系適用于圓形、橢圓形、菱形等建筑平面，邊緣構件形式豐富多變，造型優(yōu)美，屋面排水容易處理，因而應用

25、廣泛。Central South University of Forestry & Technology 第8章 懸索結構8.4 懸索結構的穩(wěn)定8.4.0 概述n 懸索屋蓋結構的穩(wěn)定性差，表現在兩個方面，一是適應荷載變化的能力差，二是抗風吸、風振能力差。 圖圖8-4-1 懸索屋蓋結構穩(wěn)定性懸索屋蓋結構穩(wěn)定性 （a）集中荷載的影響；）集中荷載的影響； (b)風荷載的影響風荷載的影響Central South University of Forestry & Technology 第8章 懸索結構8.4 懸索結構的穩(wěn)定8.4.0 概述n 為使單層懸索屋蓋結構具有必要的穩(wěn)定性，一般可

26、采取以下幾種措施： 形成預應力所殼組合結構形成預應力所殼組合結構 形成索梁或索桁架組合結構形成索梁或索桁架組合結構 增設相反曲率的穩(wěn)定索增設相反曲率的穩(wěn)定索 Central South University of Forestry & Technology 第8章 懸索結構8.4 懸索結構的穩(wěn)定8.4.1 增加懸索結構上的荷載n 一般認為，當屋蓋自重超過最大風吸力的1.11.3倍，即可認為是安全的。圈圈8-4-2 8-4-2 增加懸索結構上的荷載增加懸索結構上的荷載 （a a）贗面加重量；）贗面加重量；(b)(b)吊掛地板重量；吊掛地板重量；(c)(c)頂棚加重量頂棚加重量Centra

27、l South University of Forestry & Technology 第8章 懸索結構8.4 懸索結構的穩(wěn)定8.4.2 形成預應力索-殼組合結構n 對鋼筋混凝土屋面施加預應力，使之形成一倒掛的薄殼與懸索共同受力、整體工作。圖圖8 -4 -3預應力索一殼組合結構預應力索一殼組合結構 （a）臨時加載使板縫擴大；）臨時加載使板縫擴大；(b)卸載后形成預應力殼卸載后形成預應力殼Central South University of Forestry & Technology 第8章 懸索結構8.4 懸索結構的穩(wěn)定8.4.3 形成索梁或索桁架組合結構n 對于單曲面單層拉索結構體系（單層平行索系）可在索上擱置橫向加勁梁或加勁桁架