索膜结构基础知识

索膜结构一．悬索结构的形式与选型二．悬索结构的分析计算三．悬索结构的设计与构造四．膜结构简介承重结构的基本承重构件采用受拉工作的悬索或张拉的薄膜，称为悬索结构或膜结构。由于受拉构件的承载能力决定于强度而不是稳定性，因而能充分发挥钢索和膜材受拉工作时强度高、自重轻的特点。同时，由于覆盖材料自重轻，使承重结构的重量较小，因而悬索结构和张拉薄膜结构更适合于在大跨度结构中使用。第一节悬索结构的形式与选型一．结构特点施工方便，不需要大型起重设备；悬索结构是以只能受拉的索作为基本承重构件，并将索按照一定规律布置所构成的一类结构体系。受力合理，材料强度利用效率高；结构重量轻，适作各式大跨建筑；边缘构件或支承构件受力较大，且其刚度对结构受力影响较大；属于柔性结构，受力时大变位、小应变，计算复杂。二．悬索结构的分类悬索屋盖结构通常由悬索系统，屋面系统和支承系统三部分构成。1.单层悬索体系单层单向悬索结构由许多平行的单根拉索组成，构成单曲下凹屋面，拉索两端悬挂在稳定的支承结构上。单层辐射状悬索结构单层网状悬索结构受力特点单层悬索结构的形状稳定性不好，是一种可变体系，其平衡形状随荷载分布方式而变。在恒载作用下呈悬链线形式，在不对称荷载或局部荷载作用下产生大的位移（机构性位移）。索的张紧程度与索的稳定性（抵抗机构位移的能力）成正比。单层悬索结构的抗风能力差，在风吸力作用下悬索内的拉力下降，稳定性进一步降低。垂跨比的影响：垂跨比大，稳定性和刚度大，索拉力小，但占用空间。通常取1/20～1/10。增加稳定性的措施•单层悬索结构宜采用重屋面，如装配式钢筋混凝土板；•采用预应力钢筋混凝土悬挂薄壳；•设置横向加劲构件。加劲梁或桁架分配局部荷载及将索连成整体。2.双层悬索体系由一系列下凹的承重索和相反曲率的稳定索组成。每对索之间通过受拉钢索或受压撑杆连系，构成如桁架形式的平面体系，称索桁架。稳定索可以抵抗风吸力的作用，同时，相反曲率的稳定索和相应的索杆能对体系施加预应力，使每对索均保持足够大的张紧力，提高了整个结构的稳定性与刚度。承重索的垂跨比：1/20～1/15；稳定索的矢跨比1/25～1/20。双层单向布置索桁架的一般形式索桁架的平面布置与交错布置双层辐射式布置双层双向布置凸形布置凹形布置凹凸形布置凸形索网布置凹形索网布置凹凸形索网布置3.鞍形索网体系索网结构是同一曲面上两组曲率相反的单层悬索系统相交而成，下凹向为承重索，上凸向为稳定索。4.混合悬挂体系采用柔性的悬索体系与刚性的受弯构件（梁、网架、网壳、桁架等）相结合，可组成共同抵抗外荷载的各种混合体系。此类结构或用钢索悬挂其他构件，或由钢索对其他构件提供附加支点，或用刚性的构件来加强悬索的稳定性，以减小不均匀荷载作用下的机构性位移。桥梁中的斜拉桥和悬索桥也属于这类混合体系。5.4万座，挑蓬外挑50m，外环梁跨度244m。浙江黄龙体育中心体育场吊塔及斜拉索三．钢索材料1.平行钢丝束通常由7根、19根、37根和61根相互平行的直径为4mm或5mm的高强钢丝组成。2.钢绞线一般由7根钢丝捻成，1根在中心，其余6根围绕中心钢丝按同一方向缠绕而成。3.钢缆绳一般由7股钢绞线捻成，1股在中心，其余6股围绕中心钢绞线按同一方向缠绕而成。悬索结构的计算一般按弹性理论，假定索是理想柔性的，既不能受压，也不能抗弯，但承重索和稳定索之间的连杆绝对刚性。在基本假定的基础上可建立索曲线的平衡微分方程，再根据荷载及边界条件求出索的张力。第二节悬索结构的分析计算一．单索基本力学性质1.基本假定索是理想柔性的，只能承受拉力，不能承受压力、剪力和弯矩；索材料的力学特性满足虎克定律。2.索的平衡方程T单索Tdz00zxqdxHdzdxdqdxdH两个方程，两个未知数H、z00ZX当只考虑竖向作用，则CHqx,0当竖向荷载沿水平方向均匀分布时，qqz212222CxCxHqzHqdxzdxlcxlxHqz2czzlxx00边界条件022zqdxzdH一族抛物线qfczlx22，xlcxlxlfzfqlH2248，设跨中垂度f，则2221dxdzHdxdzdxHdxdsHT22141lclxlfH当竖向荷载沿索长均匀分布dxqqdszTqqqqqxdxdsqqzdxdsqqz022zzqdxzdHdxdsqq0122dxdzqdxdzH结合边界条件得一悬链线方程将代入方程HqlHqxqHzc2,)cosh(cosh,0与抛物线比较，当%11.02.0误差仅为，fzlf从已建工程看，，多为0.05~0.1。15.004.0～lf故计算时可以抛物线代替悬链线。当竖向荷载为任意分布时将索的关系方程与梁的关系方程进行比较zqz—zqM—002222zzqdxMdqdxzdH梁索HMz对于（b）图有索曲线方程xlcHxMz简3.索长计算2221dxdzdxdzdxdslBAdxdxdzdss021可取前两项，根据精度要求，对1.0lf可取前三项对于2.01.0lf有由nnnxnffxf1!00422812111dxdzdxdzdxdz4.索变形协调方程lruulllsss000ll0s索长s索长z0z承重索稳定索竖杆连续化处理承重索稳定索竖杆连续化处理几何关系当为小垂度时，比均为小量与、1202dxdzdxdz0020020211211lldxzxdzdxzxdzsssdxzxdzzxdzuullr0020221dxzxdzzxdzlll00202021物理关系HdxdsTHHHTTTs000，相应的影响始态到终态张力增量对0000000ssTTdsdxdsEAHdsEATsdsEATsddsAB，则索长增量为上的产生的段据基本假定，索在微小00sttdsss的影响温差对00000sstTtdsdsdxdsEAHsss00000200200000011lllsdxdxdztdxdxdzEAHdxdxdstdxdsEAHdstdxdsEAH000,tllEAHHs当为小垂度时变形协调tdxzxdzzxdzlluuEAHtllEAHdxzxdzzxdzuusstllEAHsdxzxdzzxdzuusllrllrllr000020200000202000202212121有由物几物几tEAluuEAlccEAHDHDlEAHHHHlcHVdxdzxlcHxMzlcHVdxdzxlcHxMzzzlr020202200200000000000000022变化的关系式温度与外荷载、支座位移和代入上式，即得到与竖向荷载的关系式、将dxVDdxVDll00020002，由量纲分析可知：H与外荷载是隐式关系。均布荷载q作用下，不考虑支座位移与温度变化2020222024HqHqEAlHHH二．有限单元法1.基本假定索是理想柔性的，只能承受拉力，不能承受压力和弯矩；索材料力学特性符合虎克定律，索单元应变属于小应变；荷载均作用在节点上，索单元内部无横向荷载，其自重折算到单元两端节点上；由于假定索单元内部无横向荷载，因此索单元的形状为直线（空间单元刚度矩阵为6×6）。2.求解思路和特点求解思路同一般空间杆件矩阵位移法；特点•总体刚度矩阵是节点位移的函数K（U）U=P•结构的平衡方程必须建立在变形后的荷载态构形上；•必须采用非线性方程的求解方法进行迭代求解。第三节悬索结构的设计与构造一．作用恒荷载，屋面活荷载、雪荷载、风荷载以及温度作用和地震作用等。1.风荷载体形系数我国即将颁布的悬索结构技术规程提供了矩形、圆形、椭圆形等规则平面悬索屋盖的风荷载体形系数。由于悬索结构往往体形复杂多样，同时要考虑周边环境的影响，因此对于重要的悬索结构工程，一般采用风洞试验来确定体形系数。对于轻型屋面应考虑脉动风压影响。2.地震作用我国即将颁布的悬索结构技术规程规定，当设防烈度为8度或8度以下，一般跨度的单层悬索体系、双层悬索体系及横向加劲悬索体系可采用振型分解反应谱法进行地震响应分析。3.温差效应正温差效应在结构中产生的应力较大，削弱了结构中维持的预应力，从而使得结构的刚度降低，变形增加。4.作用效应组合二．钢索承载力验算fANmax0三．变形验算据即将颁布的悬索结构技术规程，承重索竖向位移限值如下：单层悬索体系从初始态算起l/200;双层悬索体系、索网及横向加劲索从预应力态算起l/250.四．节点构造1.索与索连接U形和卡式节点2.索端头浇铸端头较粗的索（d≥38mm）采用，又称巴氏合金端头，索末端线材须松开足够长度，采用除油液体清洗，干后成刷状，然后插进钢铸件插座楔形孔内（长度为5.5～6索径）浇铸高等级锌等热金属或聚脂材料形成索的端头。液压端头对于的d38mm采用，用压套机液压成型。3.索与刚性杆连接钢管与卡式夹具钢板拉杆与卡式夹具连接钢管压杆与卡式夹具连接4.索与屋面板连接5.索与檩条连接6.索与支撑构件连接及锚固浇铸端头索与砼柱顶连接四．结构施工悬索结构由于其构件相对较轻，一般不需要大吨位的吊装设备，也不必设置大量的脚手架。另外，悬索结构的施工周期比较短，在支承结构施工完成后，屋盖的安装通常仅需几个星期．因此，悬索结构的综合施工费用比较经济。◆边缘支承构件的施工◆索的制作和安装◆预应力施加及钢索张拉第四节膜结构简介一般钢结构屋顶的屋面材料皆不承受结构力。但膜结构中的膜本身就承受活荷载包括风压、温度应力等，膜既是覆盖物，亦是结构的一部分。索膜建筑之所以能满足大跨度自由空间的技术要求，最关键的一点就是其有效的空间预张力系统。有人把索膜建筑称为“预应力软壳”，预张力使“软壳”各个部分（索、膜）在各种最不利荷载下的内力始终大于零（永远处于拉伸状态）。以材质分类，结构膜有以下两种:（1）平面不织膜：由各种塑料在加热液化状态下挤出的膜，它有不同厚度、透明度及颜色，最通用的是聚乙烯膜，或以聚乙烯和聚氯乙烯热熔后制成的复合膜，其抗紫外线及自洁性强，此种膜张力强度不大，属于半结构性的膜材。（2）织布合成膜：以聚酯、玻璃、纤维织成的基材，双面涂以PVC树脂，再用热熔法覆盖聚氟乙烯膜，制成复合膜。1张拉式薄膜结构张拉式薄膜结构亦称帐篷结构，或预应力薄膜结构。由于膜材很轻，为了保证结构的稳定性，必须在薄膜内施加较大的预应力，因此，薄膜曲面总有负高斯曲率。张拉膜结构的边界可以是刚性边缘构件，也可以是柔性索。张拉式索膜体系富于表现力、结构性能强，但造价稍高，施工精度要求也高。膜的找形及裁剪、钢索的布置等是张拉膜结构设计的关键。上海八万人体育场2骨架式薄膜结构骨架式薄膜结构实质为依靠下部的钢骨架承受荷载，膜材主要起围护结构的作用。因膜材重量轻，可以减轻下部钢结构的自重。骨架式索膜建筑常在某些特定的条件下被采用，是由于其结构方式本身的局限性：骨架体