大跨空间结构悬索结构

第四章悬索结构主要内容一、悬索结构的类型和选型二、悬索结构的受力特点三、悬索结构的分析和设计第四章悬索结构概念一、悬索结构的类型和选型以一系列受拉钢索为主要承重构件，按照一定的规律组成各种不同形式的布置方式，并悬挂在边缘构件或支撑结构上而形成的一种空间结构。由受拉索、边缘构件和下部支承构件所组成。第四章悬索结构概念一、悬索结构的类型和选型拉索按一定的规律布置可形成各种不同的体系，边缘构件和下部支承构件的布置则必须与拉索的形式相协调，有效地承受或传递拉索的拉力。拉索一般采用由高强钢丝组成的钢绞线、钢丝绳或钢丝束，边缘构件和下部支承构件则常常为钢筋混凝土结构。第四章悬索结构概念一、悬索结构的类型和选型悬索结构通过索的轴向拉力抵抗外荷，最早用于桥梁，50年代开始用于房屋建筑，用钢量一般在10kg/m2以下，但支承结构耗材较多。泸定桥第四章悬索结构概念一、悬索结构的类型和选型金门大桥第四章悬索结构概念一、悬索结构的类型和选型第四章悬索结构概念一、悬索结构的类型和选型美国明尼亚波利斯(Minneapolis)联邦储备银行大厦为一座11层大楼，跨度达83.2m，用悬索（SuspendedCable）作为主要承重结构，悬索锚固在两侧的两个筒体结构上，筒体承受大楼的全部竖向荷载。柱顶设有大梁，以平衡悬索在柱顶产生的水平力，整个大楼就悬挂在悬索和顶部大梁上。索的水平力将由柱顶大梁来平衡，相当于给大梁施加一个压力。可以看出，只要精心调整索对大梁的偏心距，可以大大减小大梁的弯矩。第四章悬索结构特点一、悬索结构的类型和选型1、悬索结构通过索的轴向受拉来抵抗外荷载的作用，可以最充分地利用钢材的强度。索一般都是采用高强度材料制成的，更可大大减少材料用量并可减轻结构自重。因而，悬索结构适用于大跨度的建筑物，如：体育馆、展览馆等。跨度越大，经济效果越好。2、悬索结构便于建筑造型，容易适应各种建筑平面，因而能较自由地满足各种建筑功能和表达形式的要求。钢索线条柔和，便于协调，有利于创作各种新颖的富有动感的建筑体型。第四章悬索结构特点一、悬索结构的类型和选型3、悬索结构施工比较方便。钢索自重很小，屋面构件—般也较轻，安装屋盖时不需要大型起重设备。施工时不需要大量脚手架，也不需要模板。因而，与其他结构型式比较，施工费用相对较低。4、可以创造具有良好物理性能的建筑空间。双曲下凹碟形悬索屋盖具有极好的音响性能。因而可以用来遮盖对声学要求较高的公共建筑。悬索屋盖对室内采光也极易处理，故用于采光要求高的建筑物也很适宜。第四章悬索结构特点一、悬索结构的类型和选型5、悬索屋盖结构的稳定性较差。单根的悬索是一种几何可变结构，其平衡形式随荷载分布方式而变，特别是当荷载作用方向与垂度方向相反时，悬索就丧失了承载能力。因此，常常需要附加布置一些索系或结构来提高屋盖结构的稳定性。6、悬索结构的边缘构件和下部支承必须具有一定的刚度和合理的形式，以承受索端巨大的水平拉力。因此悬索体系的支承结构往往需要耗费较多的材料，无论是设汁成钢筋混凝土结构或钢结构，其用钢量均超过钢索部分。第四章悬索结构特点一、悬索结构的类型和选型由索受拉来抵抗外荷载，结构自重轻，适合于大跨度建筑物；建筑造型丰富，具有现代感和动感；施工方便；建筑物理性能良好，尤其是采光性和音响效果好；计算复杂；稳定性差；下部支承结构耗费较大，不适合小跨度结构。第四章悬索结构分类一、悬索结构的类型和选型悬索结构分为单层悬索体系、预应力双层悬索体系、预应力鞍形索网、预应力横向加劲单层索系、预应力索拱及张弦结构、悬挂薄壳、张拉整体结构、索膜结构及混合悬挂结构等形式。第四章悬索结构分类一、悬索结构的类型和选型1、单层悬索体系：单层悬索体系是由按一定规律布置得单根悬索组成，悬索两端锚挂在支撑结构上。索系布置有平行式、辐射式、网格式三种。第四章悬索结构分类一、悬索结构的类型和选型2、预应力双层悬索体系（索桁架）：双层悬索体系是由一系列下凹的承重索、上凸的稳定索及两者之间的连系杆（拉杆活压杆组成）第四章悬索结构分类一、悬索结构的类型和选型承重索和稳定索不在同一竖平面内的布置第四章悬索结构分类一、悬索结构的类型和选型3、预应力鞍形索网：鞍形索网是由曲率相反的两组钢索相互正交做成的负高斯曲率的曲面悬索结构，索网周边悬挂在边缘构件上。下凹的承重索在下，上凸的稳定索在上，两组索在交点处连接。第四章悬索结构分类一、悬索结构的类型和选型雷里竞技馆第四章悬索结构分类一、悬索结构的类型和选型雷里竞技馆•抛物线斜拱•承重索•稳定索第四章悬索结构分类一、悬索结构的类型和选型4、劲性索结构：以具有一定抗弯和抗压刚度的曲线形实腹式或格构式构件来代替柔索的悬挂结构。第四章悬索结构分类一、悬索结构的类型和选型第22届奥运会游泳馆劲性索屋盖结构第四章悬索结构分类一、悬索结构的类型和选型5、预应力索拱：在双层索系或鞍形索网中，以实腹式或格构式构件代替上凸的稳定索，通过张拉承重索或对拱的两端下压产生强迫位移，使索与拱互相压紧。北京朝阳体育馆索拱体系第四章悬索结构分类一、悬索结构的类型和选型6、混合体系德国慕尼黑溜冰馆第四章悬索结构发展概况一、悬索结构的类型和选型悬索结构之发展始于50年代后期和80年代。北京的工人体育馆和杭州的浙江人民体育馆是当时的两个代表作。北京工人体育馆建成于1961年，其屋盖为圆形平面，直径94m，采用车辐式双层悬索体系。浙江人民体育馆建成于1967年，其屋盖为椭圆平面，长径80m，短径60m。采用双曲抛物面正交索网结构；长径方向主索垂度44m，短径方向副索拱度2.6m。第四章悬索结构发展概况一、悬索结构的类型和选型世界上最早的现代悬索屋盖是美国于1953年建成的Releigh体育馆，采用以两个斜放的抛物线拱为边缘构件的鞍形正交索网。我国建造的上述两个悬索结构无论从规模大小或技术水平来看，在当时都可以说是达到国际上较先进水平的。但此后我国悬索结构的发展停顿了较长一段时间，一直到1980年才建成成都城北体育馆。第四章悬索结构发展概况一、悬索结构的类型和选型尽管存在如上面介绍的一些杰出工程，现在来回顾80年代初期我国悬索结构以致整个空间结构的总体发展水平，仍然只能承认当时仅有平板网架结构的发展是比较成熟的；由于60年代以后全国在平板网架方面投入了不少力量，在工程实践和理论分析方面均积累了较多经验。但在悬索结构、网壳结构、薄壳结构和薄膜结构等其它空间结构类型方面，则相对比较落后，工程实践既有限，理论储备也不足，同国际发展水平相比差距较大。目前，这种差距在逐步缩小。第四章悬索结构选型一、悬索结构的类型和选型索结构的选型应根据建筑物的功能与形状，跨度以及承受的荷载等，综合考虑材料供应、加工制作与现场施工安装方法，选择合理的结构形式、边缘构件及支承结构，设计时应保证结构的整体刚度和稳定性。各种形式的悬索结构对于不同建筑平面的适用性是不同的，设计时应根据具体的平面形状选用合理的结构形式。（1）建筑造型及使用功能方面的考虑（2）材料及施工安装方面的考虑（3）要处理好边缘构件和支承结构的设计第四章悬索结构二、悬索结构的受力特点悬索结构在外荷载作用下，尽管应变很小，但结构会产生较大的位移。传统结构的小变形分析理论将不再适用，必须考虑结构的大变形的影响，即平衡方程不是以变形前的初始位置建立，而必须以变形后的几何位置建立平衡条件，这就是悬索结构的几何非线性问题。当在不同的初始状态上施加相同的荷载增量时，引起的效应（内力和变形）各不相同。因此，在求解悬索问题时其初始状态必须明确给定，在此状态下的一切量均为已知，以此为参照来求解在荷载增量下的悬索的内力和变形。第四章悬索结构二、悬索结构的受力特点索的变形随荷载的不同而改变第四章悬索结构二、悬索结构的受力特点单索沿跨度分布的竖向均布荷载作用下，跨中索的下垂度为，悬索的计算跨度为，悬索呈抛物线，即：24lxlxfz第四章悬索结构二、悬索结构的受力特点支座反力H：1、与索的下垂度f成反比，2、与索的跨度l的平方成正比。索的拉力1、与索的下垂度f成反比，2、与索的跨度l的平方成正比。索的变形1、索属于柔性构件，索内仅有拉力，无弯矩和剪力，抗弯刚度可以忽略不计。2、索的形状随荷载的不同而改变。第四章悬索结构三、悬索结构的分析设计在悬索结构初始形态分析过程，“形”与“态”的平衡是非常重要的。初始形态分析中的“形”是指悬索结构的曲面几何形状；“态”是指结构的预张力分布状态，一种“形”对应一种“态”，二者不可分割。在悬索结构初始形态分析过程，由于“形”与“态”之间的一一对应性，形与态的平衡是非常重要的。因此“形”的设定合理与否将直接影响到“态”的合理性，反之亦然。初始形态分析第四章悬索结构三、悬索结构的分析设计由于悬索结构在荷载作用下一般处于小应变、大位移状态，所以对于该类柔性结构的有限元计算需考虑结构具有的几何非线性的特点。对于双曲抛物面索网结构可以通过解析计算方法就可得到准确的初始平衡态；但对于其他类型的曲面，其初始状态通常可以采用非线性有限元法进行迭代计算来确定。初始形态分析第四章悬索结构三、悬索结构的分析设计初始形态分析常用的悬索结构初始形态分析方法主要包括力密度法、动力松弛法、基于非线性有限元分析的节点平衡法和支座提升法等。不论采用上述哪种思路，都需要一个对“形”或“态”的反复试算过程。第四章悬索结构三、悬索结构的分析设计1、对单层悬索体系，当平面为矩形时，悬索两端支点可设计为等高或不等高，索的垂度可取跨度的1/10~l/20；当平面为圆形时，中心受拉环与结构外环直径之比可取1/8~1/17，索的垂度可取跨度的1/10~l/20。2、对双层悬索体系，当平面为矩形时，承重索的垂度可取跨度的1/15~l/20，稳定索的拱度可取跨度的1/15~l/25；当平面为圆形时，中心受拉环与结构外环直径之比可取1/5~l/12，承重索的垂度可取跨度的1/17~l/22，稳定索的拱度可取跨度的1/16~l/26。设计要点第四章悬索结构三、悬索结构的分析设计3、对索网结构，承重索的垂度可取跨度的1/10~l/20，稳定索的拱度可取跨度的1/15~l/30。4、悬索结构的承重索挠度与其跨度之比及承重索跨中竖向位移与其跨度之比不应大于下列数值：单层悬索体系-1/200（自初始几何态算起），双层悬索体系、索网结构-1/250（自预应力态算起）。设计要点第四章悬索结构三、悬索结构的分析设计5.由于索只能承受拉力，因此所选取的材料通常是抗拉性能优异的材料。通常可以采用金属材质和非金属材质。较为常见的金属材质为钢丝束、圆钢等，非金属材料如有机纤维制成的束。钢丝的高耐拉强度是钢丝在生产过程中由于冷拔处理的结果，由于纤维组织发生了变化，抗拉强度比原始材料高3~6倍。设计要点第四章悬索结构三、悬索结构的分析设计钢绞线第四章悬索结构三、悬索结构的分析设计第四章悬索结构三、悬索结构的分析设计钢丝束外应以高强缠包带缠包，高强缠包带外应有热挤高密度聚乙烯(HDPE)护套，在高温、高腐蚀环境下护套宜采用双层。高密度聚乙烯技术性能应符合现行行业标准《建筑缆索用高密度聚乙烯塑料》CJ/T3078的规定。（a）单层护套索体（b）双层护套索体第四章悬索结构三、悬索结构的分析设计钢丝绳索体可分别采用单股钢丝绳、密封钢丝绳、多股钢丝绳。钢丝绳索体应由绳芯和钢丝股组成，结构用钢丝绳应采用无油镀锌钢芯钢丝绳。（a）单股钢丝绳（b）密封钢丝绳（c）多股钢丝绳第四章悬索结构三、悬索结构的分析设计钢索的抗拉强度标准值、设计值和弹性模量第四章悬索结构三、悬索结构的分析设计6、悬索结构的计算应按初始几何状态、预应力状态和荷载状态进行，并充分考虑几何非线性的影响。7、在确定预应力状态后，应对悬索结构在各种情况下的永久荷载与可变荷载下进行内力、位移计算；并根据具体情况，分别对施工安装荷载、地震和温度变化等作用下的内力、位移进行验算。在计算各个阶段各种荷载情况的效应时应考虑加载次序的影