19-悬索结构.

悬索结构14．1概述悬索结构是由一系列高强度钢索组成的一种张力结构，由于其自重轻，用钢量省，能跨越很大的跨度，是一种比较理想的大跨度结构型式。悬索在工程上的应用最早是桥梁，我国建造最早的铁链桥是云南的兰津桥(公元57—75年间)。1000多年来我国建造的铁索桥，如云南元江铁索桥、澜沧江铁索桥、贵州盘江铁索桥、四川泸定桥等至今仍在使用。现代大跨度悬索应用于屋盖结构是在近几十年来，由于生产和使用需要，房屋跨度的要求越来越大，采用一般的建筑材料和结构形式很难满足要求，即使达到要求，但因材料用量多，结构复杂，而造价昂贵，施工困难。悬索屋盖结构就是为适应大跨度需要而发展起来的一种结构形式。它有多种形体以适应各种平面形状和外形轮廓的要求。由于悬索结构的承重钢索受拉能力强，能够充分发挥其强度优势，跨越很大的跨度。悬索屋盖结构主要用于跨度在60～100m的体育馆、展览馆、会议厅等大型公共建筑，目前悬索屋盖结构最大跨度已达l60m。一、悬索结构的特点(一)悬索结构的优点1．悬索结构受力合理，用料经济。当采用高强材料时，更可大大减轻结构自重，因而可以较经济地跨越很大的跨度。根据对国外悬索屋盖所做的统计，当结构跨度不超过160m时，每1m；屋盖的钢索用量一般在10kg以下。但悬索体系的支承结构往往需要耗费较多的材料，其用钢量均超过钢索部分。国内外的许多悬索工程实践说明，只要做到合理设计与施工，悬索结构完全可以取得好的综合经济效益。2．施工便捷、施工设施简单。由于钢索自重很小，索的架设安装利用简便的施工机具便可完成，不需要大型起重设备和搭设大量脚手架，也不需要模板，还可利用架设好的钢索安装屋面材料。3．适应性强，造型美观。悬索结构适应于各种建筑平面和外形轮廊。利用曲线索，采用不同的支承形式，可方便地创造出各种新颖独特的建筑造型，是建筑师们乐于采用的一种结构形式。4．与桁架、刚架、拱和网架等常规结构相比，悬索结构的工作性能有以下特点：(1)悬索的荷载与位移、荷载与索力的关系曲线呈非线性，是动态变化的，计算悬索要采用几何非线性理论。(2)悬索是一种可变体系，其平衡形式随荷载分布方式而变化。悬索抵抗机构性位移的能力就是悬索的形状稳定性，它与悬索的张紧程度有关。为使悬索结构具有足够的形状稳定性，应在悬索体系内建立适当的预应力，使悬索绷紧。(二)悬索结构的缺点悬索也存在动荷载下的共振问题及不能承受反向荷载的弱点。悬索结构的组成悬索结构一般由索网、边缘构件和下部支承结构组成，见图。索网是悬索结构的主要承重构件，是一个轴心受拉构件，既无弯矩也无剪力，完全柔性，其抗弯刚度可完全忽略不计。利用高强钢材去做“索”．就最能发挥钢材受拉性能好的特点。索网一般由每根直径为2.5mm、3mm、4mm、4.5mm、5mm的高强碳素钢丝扭绞而成。边缘构件是索网的边框，无边框则索网不能成型。应注意对边缘构件的处理，采用合理的边缘构件型式以承受索网的巨大拉力。下部支承构件一般是钢筋混凝土立柱或框架结构，为保持稳定，有时还要采取钢缆锚拉的设施。单悬索结构是平面结构体系。如果利用很多单悬索相互交叉组成索网”(比如利用桁架交叉组成网架一样)，就形成多向受力的悬索结构三、悬索的变形悬索是一个轴心受拉构件，既无弯矩也无剪力，由于索本身是柔性构件，其抗弯刚度可以完全忽略不计，因此索的形状会随荷载的不同而改变。悬索在各种不同外力作用下的形状如图所示，当悬索承受单个集中荷载作用时，就形成三角形；当承受多个集中荷载作用时，就形成索多边形；当索仅承受自重作用时，处于悬垂状态，为悬链线；而当索承受均布竖向荷载时，则形成抛物线；当竖向荷载自跨中向两侧增加时．则形成椭圆。悬索结构的形式悬索屋盖结构按屋面几何形式的不同．可分为单曲面和双曲面两类；根据拉索布置方式的不同，可分为单层悬索体系、双层悬索体系和交叉索网体系三类。一、单层悬索体系单层悬索体系的优点是传力明确，构造简中，缺点是屋面稳定性差，抗风(上吸力)能力小。为此常采用重屋面．适用于中小跨度的屋盖。单层悬索体系有单曲面单层拉索体系和双曲面单层拉索体系。1．单曲面单层拉索体系单曲面单层拉索体系也称单层平行索系。它由许多平行的单根拉索组成。屋盖表面为筒状凹面。需从两端山墙排水，如图9-4所示。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，单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干衡。必须通过适当的形式传至基础。拉索水平力的传递—般有以下几点：拉索水平力通过竖向承重结构传至基础．拉索的两端可锚固在具有足够抗弯刚度的竖向承重结构上竖向承重结构可为斜墩、侧边的框架结构，例如．体育馆的看台框架，图9—5为丹东体育馆的主体结构示意图，该体育馆为两跨悬索结构，悬索一端锚固在中间的刚架横梁上，另一端锚固在看台斜框的柱顶上，图9—4b)为看台斜框架的结构计算简图。图9—6为德国乌柏特市游泳馆．可容纳观众2000人。比赛大厅；平面面积为65m×40m、屋盖设计成纵向单曲单层悬索。悬索拉力通过看台斜梁传至游泳池底部，两侧对称平衡．使地基仅承受压力，该建筑结构形式与建筑使用空间协调一致，非常合理．采用浮石混凝土和普通混凝土屋面．以保证悬索的稳定性，(2)拉索水平力通过拉锚传至基础索的拉力也可在柱顶改变方向后通过拉锚传至基础(图9—4b))拉锚可用下列方法锚固于地基：①锚固在足够重的大体积混凝土中(图9—7a))；②利用底板及回填土自重抵抗拉力(图9—7b))；③锚固于受拉摩擦桩或受弯摩擦桩上(图9-7c))；④锚固在岩石层的粘孔中。图9-8为德国多特蒙德展览大厅．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。(3)拉索水平力通过刚性水平构件集中传至抗侧力墙如图9-4c)所示，拉索锚固于端部水平结构(水平梁或桁架)上，该水平结构具有较大的刚度，可将各根悬索的拉力传至建筑物两端的山墙，利用山墙受压实现力的平衡，也可在建筑的外部设置抗侧力墙成扶壁．通过特设的抗压构件取得力的平衡。2．双曲面单层拉索体系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9—9a))。双曲面单层拉索体系有碟形和伞形两种，碟形悬索结构的拉索—端支承在周边柱顶环梁上，另—端支承在中心内环梁上，见图9—9b)，其特点是雨水集中于屋盖中部，屋面排水处理较为复朵，伞形悬索结构的拉索通畅，但中间有立柱限制了建筑的使用功能，图为乌拉圭蒙特维多体育馆碟形悬索结构，图9—11为淄博长途汽车站伞形悬索结构、均采用钢筋混凝土屋面板。二、双层悬索体系双层悬索体系是出一系列承重索和相反曲率的稳定索所组成(图9—12)。每对承重索和稳定索一般位于同—竖向平面内，二者之间通过受拉钢筋混凝土或受压撑杆联系，联系杆可以斜向布置．构成犹如屋架的结构体系，故常称为索桁架。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、稳定索或腹秤的长度，可以对整个屋盖体系施加预应力，增强了屋盖的整体性，因此，双层悬索体系适合于采用轻屋面．如铁皮、铝板等屋面材料和轻质高效的保温材料．以减轻屋盖自面．节约材料、降低造价。双层悬索体系按屋面几何形状的不同也有单曲面双层拉索体系和双曲面双层拉索体系两类。双层悬索体系也乘双层平行索系。常用于矩形平面的单跨或多跨建筑．如图9—13所示。承重索的垂度一般取跨度的1/15~1/20，稳定索的拱度则取/20~l/25。与单层悬索体系一样，双层索系两端也必须锚固在侧边构件上，或通过锚索固定在基础上。1．单曲面双层拉索体系单曲面双层拉索体系(图9—13)中的承重索和稳定索也可以不在同—竖向平面内，而是相互错开布置，构成波形屋面．如图9-14所示。这样可有效地解决屋面排水问题．承重索与稳定索之间靠波形的系杆连接(剖面2—2)．并借以施加预应力。吉林滑冰馆即采用了类似的结构形式，见图9—15。2．双曲面双层拉索体系双曲面双层拉索体系也称为双层辐射体系，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杆上．根据承重索和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—道或两道受压环梁．如图9-16所示，通过调控承重索、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。双曲面双层悬索结构在中心常设有—内环梁，这种内环梁受力复杂，而且需要较多的钢材受力和用作扣件，成都市城北体育馆采用了无拉环的圆形双层悬索结构，将上述中心环由受拉环改为构造环．它不是将钢索锚固在中心环上，而是将钢索绕过中心环，从而避免了使中心环受拉，钢索的布置如图9—17所示。双层辐射索系经常用于圆形建筑平面，也可采用椭圆形，正多边形或扁多边形平面。三、交叉索网体系交叉索网体系也称为鞍形索网，它是由两组相互正交的、曲率相反的拉索直接交叠组成。形成负高斯曲率的双曲抛物面．如图9—18所示。两组拉索中，上凹者为承重索，上凸者为稳定索．稳定索应在承重索之上，交叉索网结构通常施加预应力，以增强屋盖结构的稳定性和刚度，由于存在曲面相反的两组索，对其中任意一组或同时对两组进行张拉均可实现预应力。交叉索网体系需设置强大的边缘构件，以锚固不向方向的两组拉索，由于交叉索网中每根索的拉力大小、方向均不一样，使得边缘构件受力大而复杂，常产生相当大的弯矩、扭矩．因此边缘构件将要有强大的截面．常需耗费较多的材料．边缘构件过于纤小，对索网的刚度影响较大。交叉索网体系中边缘构件的形式很多，根据建筑造型的要求一般有以下几种布置方式1。边缘构件为闭合曲线形环梁边缘构件可以做成闭合曲线形环梁的形式．环梁呈马鞍形，搁置在下部的柱或承重墙上，1969年建于杭州的浙江人民体育馆即采用这一形式。体育馆平面呈椭圆形，长短轴上长度各为80m、60m，鞍形屋面最高点与最低点相差7m，边缘构件采用—个截面为2000mm×800mm的钢筋混凝土环梁，在索拉力的作用下，环梁不仅受压．还产生根大的弯矩2．边缘构件为落地交叉拱边缘构件做成倾斜的抛物线拱，拱在一定的高度相交后落地，拱的水平推力可通过在地下设拉杆平衡。交叉索网中的承重索在锚固点与拱平面相切，其传力路线清楚合理，建于1953年的美国雷里竞技馆即采用这—形式，拱的自重有位于周边的钢柱支承，钢柱间距2．4m。兼作门窗竖框。3．边缘构件为不落地交叉拱另一个方向则必须设置拉索或刚劲的竖向构件，如扶壁或斜柱等．以平衡其向外的水平合力．建于柏林的瑞士展览馆即采用这一形式(图9—18c))，必须指出，对于图9—18d)所示的结构方案、如果拱下没有柱子支承，则拱身为一悬挑结构，在非对称荷载作用下是不够安全的。4．边缘构件为一对不相交的落地拱作为边缘构件的一对落地拱可以不相交．各自独立，以满足建筑造型上的要求，这时落地拱平衡与稳定上游两个问题必须引起重视，一个是拱身平面内拱脚水平推力的平衡问题，一般需在地下设拉杆平衡；另—个是拱身平面外拱的稳定问题、必要时应设置墙或柱支承。5、边缘构件为拉索结构鞍形交叉索网结构也可用拉索作为边缘构件，如图9—l8f)所示。这种索网结构可以根据需要设置立柱并可做成任意高度．覆盖任意空间，造型活泼．布置灵活。这种结构方案被用于薄膜帐篷式结构中。交叉索网体系刚度大、变形小，又有反向受力能力．结构稳定性好，适用于大跨度建筑的屋盖。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，造形优美，屋而排水容易处理．因而应用广泛。屋面材料—般采用轻屋面，如卷材、铝板、拉力薄膜，以减轻自至、节省造价悬索结构的稳定悬索屋盖结构稳定性差，主要表现在两个方向，—是适应荷载变化的能力差，而是抗风吸、风