第九章-悬索结构

第九章悬索结构建筑结构与选型9.1概述9.2悬索结构的受力和变形特点9.3悬索结构的形式9.4悬索结构的稳定9.1概述9.1.1悬索结构的概念9.1.2悬索结构的发展9.1.3悬索结构的特点9.1.1悬索结构的概念悬索结构由受拉索、边缘构件和下部支承构件所组成。拉索一般采用高强钢丝组成的钢铰线、钢丝绳或钢丝束；边缘构件和下部支承构件则常为钢筋混凝土结构。9.1.2悬索结构的发展：最早应用于桥梁工程中房屋建筑中，蒙古包、帐篷可看做悬索结构的雏形现代大跨度悬索屋盖结构的广泛应用，则只有半个世纪的历史。第一个现代悬索屋盖是1953年建成的雷里竞技馆，采用以两个斜置的抛物线拱作为边缘构件的鞍形正交索网。我国现代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，由截面为2mX2m的钢筋混凝土圈梁、中央钢环，以及辐射布置的两端分别锚定于圈梁和中央钢环的上索和下索组成。中央钢环直径16m，高11m，由钢板和型钢焊成，承受由于索力作用而产生的环向拉力，并在上、下索之间起撑杆的作用。9.1.3悬索结构的特点索――轴向受拉便于建筑造型，各种平面施工较方便。自重小（10kg/m2），屋面构件一般也较轻。可创造良好物理性能的建筑空间。稳定性较差。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。9.2.1索的支座反力9.2.2索的拉力9.2.3索的变形9.2悬索结构的受力特点单根索的受力与拱的受力有相似之处，都是属于轴心受力构件。9.2.1索的支座反力计算简图0YqlVVBA210812HfqlfMfqlH0282081qlM由，支座反力为索中任一截面的弯矩为零，以跨中截面为矩心，则有式中，9.2.2索的拉力0XHNcoscosHN0将索在计算截面切断，如图所示，由，可得索的轴力在支座截面（值最大）为最大，在跨中截面（）时为最小。9.2.3变形特点悬索是一个轴心受拉构件，既无弯矩也无剪力。悬索承受单个集中荷载，形成三角形；悬索承受多个集中荷载，形成索多边形；悬索自重作用时，处于自然悬垂状态，为悬链线；悬索承受均布竖向荷载，形成抛物线；悬索承受的竖向荷载自跨中向两侧增加时，形成椭圆。9.3.1单层悬索体系9.3.2双层悬索体系9.3.3交叉索网体系9.3.4工程实例9.3悬索结构的型式悬索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、交叉索网体系9.3.1单层悬索体系水平梁和框架一起承受悬索拉力水平梁承受悬索拉力悬索直接锚挂于框架斜拉索将悬索拉力拉向地锚1.单曲面单层拉索体系(跨度可达80m，德国多特蒙特一展览厅，1956)拉索水平力的传递的三种方式：1、通过竖向承重结构传至基础2、通过拉锚传至基础3、通过刚性水平构件集中传至抗侧力墙下凹双曲率碟形屋面不便于排水，最大的碟形屋面：美国阿拉美达比赛馆，跨径128m(1967)伞形屋面最大的伞形屋面：前苏联伊利姆斯克汽车库，跨径206m2.幅射式布置形式(适用于圆形，椭圆形平面)受拉内环采用钢制，受压外环采用钢筋混凝土制作。可比平行布置做到较大跨度。2.幅射式布置形式3.网状布置形式(适用于圆形，矩形等各种平面)设计要点单层悬索体系垂跨比经验取值：1/201/10加强形状稳定性的措施：①采用重屋面②采用预应力钢筋混凝土悬挂薄壳③采用横向加劲构件两向索正交布置屋面板规格统一边缘构件弯矩大于幅射式布置德国乌柏特市游泳馆德国多特蒙特展览大厅前苏联克达斯若牙尔斯克车库日本古川市民会馆9.3.2双层悬索体系1.一般形式由下凹的承重索，上凸的稳定索及它们之间的连系杆组成承重索垂跨比一般取1/201/15，稳定索拱跨比一般取1/201/252.平行索系优点：稳定性好，整体刚度大。适宜于采用轻屋面对于平行索系，承重索和稳定索可在同一平面内，也可错开布置，构成波形屋面错开布置，构成波形屋面错开布置，构成波形屋面－－吉林滑冰馆屋盖结构形式3.双曲面双层拉索索系3.双曲面双层拉索索系上索既是稳定索，又直接承载a)双层内环梁b)双层外环梁c)双层内外环梁d)单层外环梁网状布置e)双层外环梁网状布置瑞典斯德哥尔摩约翰尼绍夫滑冰场芬兰赫尔辛基冰上运动场德国法兰克福机动车检修场罗马尼亚布加勒斯特文体宫9.3.3交叉索网体系交叉索网体系也称为鞍形索网，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。两组拉索中，下凹者为承重索，上凸者稳定索，稳定索应在承重索之上。交叉索网体系的边缘构件：a)交叉索网体系前南斯拉夫莱士科瓦克纺织博览馆加拿大卡尔加里滑冰馆9.4悬索内结构的稳定悬索屋盖结构的稳定性差，表现在两个方面，一是适应荷载变化的能力差，二是抗风吸、风振能力差。1增加悬索结构上的荷载2形成预应力所－壳组合结构3形成索－梁或索－桁架组合结构4增设相反曲率的稳定索为使单层悬索屋盖结构具有必要的稳定性，一般可采取以下几种措施：1增加悬索结构上的荷载一般认为，当屋盖自重超过最大风吸力的1.1～1.3倍，即可认为是安全的。2形成预应力索－壳组合结构对钢筋混凝土屋面施加预应力，使之形成一倒挂的薄壳与悬索共同受力、整体工作。3形成索－梁或索－桁架组合结构对于单曲面单层拉索结构体系（单层平行索系）可在索上搁置横向加劲梁或加劲桁架形成索梁或索桁架。组成形式拉索水平力的传递优缺点垂跨比单层悬索体系平行索系（单曲面）矩形，多边形形成下凹的单曲率曲面1.通过竖向承重结构传至基础2.通过拉锚传至基础3.通过刚性水平构件集中传至抗侧力墙优点：传力明确，构造简单；缺点：屋面稳定性差，抗风能力小宜采用重屋面1/20～1/10辐射式索系（双曲面）圆形，椭圆形1.碟形一端支承在周边柱顶环梁上，另一端支承在中心内环梁上屋面排水较为复杂2.伞形一端支承在周边柱顶环梁上，另一端支承在中心立柱上排水通畅，但中间有立柱组成形式拉索水平力的传递优缺点垂跨比双层悬索体系由一系列下凹的承重索和上凸的稳定索组成1.索桁架（联系杆斜向布置）2.索梁（连杆布置成竖腹杆形式）平行索系两端必须锚固在侧边构件上，或通过锚索固定在基础上优点：稳定性好，整体刚度大适宜于采用轻屋面对于平行索系，承重索和稳定索可在同一平面内，也可错开布置，构成波形屋面承重索1/20～1/15；稳定索1/25～1/20辐射式索系沿辐射方向布置，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分为：上凸，下凹，交叉形组成形式拉索水平力的传递优缺点垂跨比交叉索网体系由两组相互正交的、曲率相反的拉索直接交叠组成，形成双曲抛物面边缘构件的形式可分为：闭合曲线形环梁环梁呈马鞍形1.稳定性和刚度较好，2.适用于大跨度建筑屋盖，适用于圆形、椭圆形、菱形等建筑平面缺点：需设置强大的边缘构件，以锚固不同方向的两组拉索。落地交叉拱拱在一定高度相交后落地不落地交叉拱两拱在屋面相交不相交的落地拱一对落地拱不相交拉索结构工程名称平面及尺寸建成年份车辐式双层索系北京工人体育馆成都城北体育馆广汉市文体馆圆形，直径94m圆形，直径61m圆形，直径44m196119791991双曲抛物面索网天津大学健身房浙江人民体育馆新疆化肥厂俱乐部椭圆形，24.6×36.6m椭圆形，60m×80m椭圆形，36m×50m196519671977平行双层空间索系吉林滑冰馆矩形，59m×72m1986平行双层平面索系（索桁架）无锡市体育馆矩形，43m×44m1991我国悬索结构工程一览表工程名称平面及尺寸建成年份单层平行索系淄博市体育馆淄博市毛纺厂俱乐部东营钻井公司体育馆新汶矿务局体育馆矩形，54m×38m矩形，36m×27m矩形，54m×38m矩形，54m×38m1986198719881989伞形单层辐射索系柳州水泥厂熟料库淄博市长途汽车站圆形，半径40m圆形，半径25m19871989单层悬挂索网淄博市化纤厂餐厅方形，30m×30m对角线主索支承1987单层平行索系、以刚架作为中央支承丹东体育馆六边形，80m×45m1988我国悬索结构工程一览表工程名称平面及尺寸建成年份鞍形索网、以拱作为中央支承四川省体育馆青岛市体育馆六边形，74m×79m卵形，73m×89m19881990鞍形索网、以索--拱体系作为中央支承北京朝阳体育馆近似椭圆，66m×78m1990横向加劲单层平行索系安徽省体育馆上海扬浦区体育馆潮州体育馆六边形，72m×53m矩形，45m×54m方形，55m×56m198919891992斜拉屋盖结构奥林匹克体育中心体育馆奥林匹克体育中心游泳馆呼和浩特民航机库无锡市游泳馆矩形，70m×83.2m矩形，78m×117m矩形，42m×63m矩形，19m×31.5m1990199019911992我国悬索结构工程一览表1斜拉索的布置2斜拉混合结构的工程实例斜拉混合结构利用斜拉索可以组成各种斜拉混合结构。在梁、板、刚架、桁架、拱、壳体、网架、网壳等大跨度建筑结构中，都可以利用塔柱顶端伸出的斜拉索作为附加的弹性支承点，使结构的跨度减小，将受弯构件的传力途径改为由索和塔柱承受拉、压的传力途径，以达到减小结构截面、减少材料用量的目的。在悬挑结构中，斜拉索可以增加悬臂构件的约束，提高结构的安全度，平衡倾覆力矩。1斜拉索的布置辐射式竖琴式扇形星形单向布置设计要求：尽量使塔柱轴心受压，减小塔柱顶点的水平合力，避免塔柱内出现过大的弯矩2斜拉混合结构的工程实例1、法国卡巴里奥收费站Cabariot收费站长152m，最宽处32m，由4个35m高的圆锥形桅杆构成的主支撑，托起中央主粱通过横穿的流线型梁与周边的三腹粱连接。稳定支撑杆则连接结构边缘和4大桅杆的基座。整个膜材被双重绳套和橡皮带固定在构架上。1、法国卡巴里奥收费站1、法国卡巴里奥收费站1、法国卡巴里奥收费站2、北京奥林匹克体育中心综合馆该屋盖平面尺寸为80m×112m。屋盖结构由三部分组成：一为两榀双层圆柱面网壳，采用斜放四角锥结构体系；二为设置在中间屋脊部位的立体桁架，作为网壳一边的支座；三为8对共16根斜拉索。3、北京奥林匹克体育中心游泳馆该屋盖平面尺寸为78m×117m。斜拉索一端锚固在钢筋混凝土塔筒上，另一端拉住沿建筑物纵向布置的中央箱形钢梁。横向布置的人字平面钢桁架一端支承在中央钢桁架上，另一端支承在钢筋混凝土框架柱上。4、斜拉桥世界十大斜拉桥⑴苏通大桥（在建）⑵多多罗桥⑶诺曼底桥⑷南京长江第三大桥⑸南京长江第二大桥⑹武汉第三长江大桥⑺青州闽江大桥⑻杨浦大桥⑼名港中央大桥⑽徐浦大桥杭州湾跨海大桥苏通大桥全长：32.4km四项世界第一：最大主跨：1088m最高塔桥：300.4m最深基础：131根长约120米、直径2.5米至2.8米的钻孔灌注桩组成，承台长114米、宽48米最长拉索：577m香港昂船洲大桥主跨：1018m多多罗大桥多多罗大桥是本四连络桥项目总长59.4公里中尾道-今治线上的一部分，连接着生口岛和大三岛。桥梁形式：钢箱梁斜拉桥全长：1,480m主跨：890m桥塔高：222m诺曼底大桥主跨：856m南京长江二桥南汊大桥主跨：628m悬索桥梁1、明石海峡大桥明石海峡大桥全长3,911m，主跨1,991m，桥面宽35m，往返6车道，是目前世界最长的悬索桥，通航净空65m。此桥是一座位于明石海峡上的3跨2铰钢桁加劲梁结构的公路悬索桥，连接着淡路岛和本州岛，索塔高约300m。该桥梁上部结构共使用钢材200,000吨，下部结构使用混凝土约1,420,000立方。视频11、明石海峡大桥1、明石海峡大桥1、明石海峡大桥明石海峡大桥是世界上第一座主跨超过1英里(为1609m)及l海里(合l852m)的桥梁。两边跨达960m，是目前世界上最长的边跨。钢桥塔高为297m，是世界上第二高的桥塔（仅次于法国密佑高架橋343米）。用钢桁式加劲梁，横截面尺寸为35.5m×14.0m。其梁高比其它任