第十二章 悬索结构

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1、第十一章 悬索结构 第一节 悬索的特点n最早用在桥梁，很多现存的年代久远的桥 是铁索桥 n1937年美国加州金门大桥n用在房屋中如蒙古包、帐蓬，现代大跨发 展于十九世纪末从1961年开始用于体育包 的建设特别多。 n主要用于跨度在60100m左右的体育馆、 展览馆、机场 n目前悬索结构的跨度已达160m跨度在100 150m范围内悬索结构是比非常经济的。一、悬索结构的应用：n1937年美国加州金门大桥主跨1280m，桥下承高68mn雷雨中的金门大桥n江阴长江公路大桥 ，1999年8月建成，大桥全长3071米， 主跨1385米 ，桥下通航净高为50米。 n浙江黄龙体育中心主馆二 、悬索屋盖结构的

2、特点：单悬索与拱结构一样，都是 平面结构，属于轴心受力构 件，但拱属于轴心受压的， 对于抗压性能好的砖石和 来讲是一种合理的结构形式 ，悬索则是轴心受拉的构件 ，对于抗拉性能好的钢材来 讲，悬索是一种理想的结构 形式。1、受力特点 ：（1）支座反力：H与下垂度y成反比 确定合理轴线当为均布竖向时，为抛物线 集中力作用时，为折线 与简支梁M图形相似：（2）索的拉力 由 Ncosa=H 所以 N=H/cosa（3）受力特点 n索网只受轴向力N，既无M，也无V； n悬索（绝对柔性），只能单向受力，承受与其垂度 y方向一致的作用力； n悬索的边缘构件必须具有一定的刚度和合理的形式 ，以索网的拉力。）索

3、中只受轴向拉力，既无弯矩，也无剪力，受力简单. 抗弯刚变为0，当仅有自重作用时处于自然悬挂状态， 受集中力作用时，自动形成悬吊折线形。）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。）悬索结构便于建筑造型，容易适应各种建筑平面。4）可以创造具有良好物理性能的建筑空间。2、优缺点 ：5）悬索屋盖结构的稳定性较差,柔性悬索只能单向受力， 当荷载和垂度方向相反时会发生失稳.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。7）边缘构件承受拉力、较大，所以构件断面尺寸也较大 。 用于L=60m的建筑物 L=（100150）m，经济合

4、理 受力合理，施工方便，节约材料，造型美观3、悬索结构的适用范围大 跨：第二节 悬索的组成和型式悬索结构由索网、边缘构件和下部支承构件所组成。一、悬索结构的组成：拉索采用由高强钢丝组成的钢绞线、钢丝绳或钢丝束， 普通用钢铰线：d2.5、3、4、5mm的高强碳素钢筋， 每七根扭铰而成，fy=15001800N/mm2边缘构件和下部支承构件则常常为钢筋混凝土结构。 二、悬索结构的型式：1、单层悬索体系n 单层悬索体系的优点 是传力明确，构造简单 ； n缺点是屋面稳定性差， 抗风（上吸力）能力小 。 n常采用重屋面，适用于 中小跨度建筑的屋盖。 n单层悬索体系有单曲面 单层拉索体系和双曲面 单层拉索

5、体系。（1）单曲面单层拉索体 系n由 许多平行的单根拉索 组成。屋盖表面为筒状 凹面，从两端山墙排水 n优点：传力明确，构造 简单； n缺点：屋面稳定 性差， 抗风（上吸力）能力小 ，索的水平拉力不能在 上部结构实现自平衡， 必须通过适当的形式传 至基础。n拉索水平力的传递，一般有以下三种方式：A、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侧刚度的竖向承重 结构上B、拉索水平力通过拉锚传至基础n l）锚固在足够重的大体积混凝土中；n 2）利用底板及回填土自重抵抗拉力；n3）锚固于受拉摩擦桩或受弯摩擦桩上；n4）锚固在岩石层的钻孔中。C、拉索水平力通过刚性水平构件（水平梁

6、或桁架） 集中传至抗侧力墙（2）双曲面单层拉索体系n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2、双层悬索体系n由一系列承重索和相反曲率的稳定索所组成w 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。 w 适宜于采用轻屋面，如铁皮、铝板、石棉板等屋面材料 和轻质高效的保温材料，以减轻屋盖自重、节约材料、 降低造价。n分类：单曲面、双曲面 （1）单曲面双层拉索体系常用于矩形平面的单跨或多跨建筑n单曲面双层拉索体系中的承重索和稳定索也可 以不在同一竖向平面内，而是相互错开布置， 构成波形屋面（2）双曲面双层拉索体 系n 承重索和稳定索均沿辐

7、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 外墙或周边的柱上。n屋面形式：上凸 、下凹或交叉形周边柱项应设置一道 或两道受压环梁工程实例p151图8-3-143、交叉索网体系n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，形成双曲抛物面1双曲环梁 浙江省 体育馆 2落地交叉拱 雷里 竞技馆 3不落地交叉拱 柏 林瑞士展览馆 4不相交落地拱 5两对立落地竖拱 6设中间物体，在中 部设落地拱桁架等1、屋盖的刚度和稳定n悬索是悬挂的柔性索网，故结构的刚度及稳定性较差。吸力s=-1.6-1.9第三节 悬索结构（屋盖）的刚度

8、及屋面构造 所以，柔软屋盖有被掀起危险 漏水 荷载不对称时，屋盖有较大变形和波动 失稳 风、地震等动力荷载作用，可能发生共振 破坏共振：柔性结构大幅度摇晃无法使用或造成柔性结构大幅度摇晃无法使用或造成共振破共振破 坏，如坏，如1940年美国，塔科马桥因风振至毁。美国旧金山金门大 桥，1937年建成， 主跨1280m。桥面 加劲钢桁架的宽跨 比为1：47，而高跨 比仅为1：168，在 当时为最小。但有 时在风力作用下左 右摇摆的幅度竟达 4m，使得该桥有时 不得不停止使用。19401940年美国西海岸年美国西海岸 华盛顿州华盛顿州塔科马塔科马峡峡 谷桥因共振发生塌谷桥因共振发生塌 桥事故！桥事故

9、！20世纪40年代以前，作为大跨度桥梁的悬 索桥没有发生过事故。这就导致了一个错 误的结论：主缆刚度足够大，以至加劲梁 梁体刚度无足轻重。实际上，当桥梁跨度 超过200m时，风载的影响将显著增大。因 此，特别是承载铁路交通的悬索桥更需要 有足够的结构刚度。美国的悬索桥由于梁高的减小及加劲梁桁 架刚度的降低，渐渐地削弱了强度。塔科 马老桥即是世界上著名的示例。该桥位于 美国华盛顿州，于1940年7月1日通车，该 桥以主跨853米居当时世界上悬索桥第三 位，纤细的加劲梁横截面为矩形，桥宽为 11.9米，而梁高仅为1.3米，两侧纵向加劲 梁高2.4米。桥体在风的作用下振动，但开始人们没有意识 到会破

10、坏，当地一家银行还在其广告中称其“象 塔科马桥一样安全”。人们纷纷从远处赶来亲眼 目睹桥面是怎样在中等风力作用下飞舞摇动、 起伏不定，以至后面车辆的司机看不到前面的 小汽车。幸运的是最后该桥封闭了交通。其后 不久，于1940年11月7日该桥在70km/h的风速 下突然倒塌。据说，在出事当天，一位记者把 车停在桥上，并把狗留在车内。桥倒塌时，只 有他本人跑到了桥台处，当地报纸以简洁的标 题作了报道，“损失：一座桥、一辆汽车、一条 狗”。 This photograph shows the twisting motion of the center span just prior to failu

11、re. 照片说明中跨的扭曲 运动导致它首先破坏塔科马大桥主 跨853m，宽 跨比1：79， 高跨比为1； 350，比金门 大桥还要柔。 大桥建成后即 显柔度太大， 最初在风中行 车的震荡还是 竖向的，使用 几个月后，震 荡突然变为扭 转。The nature and severity of the torsional movement is revealed in this picture taken from the Tacoma end of the suspension span. When the twisting motion was at the maximum, elevatio

12、n of the sidewalk at the right was 28 feet (8.5m) higher than the sidewalk at the left. 扭转最大时，右边 人行道比左边高出 8.5mThis photograph actually caught the first failure shortly before 11 oclock, as the first concrete dropped out of the roadway. Also note bulges in the stiffening girder near the far tower and

13、 also in the immediate foreground此照片是在路面混凝 土开始掉落大桥在11 点钟之前塌落抢拍下 来的。A few minutes after the first piece of concrete fell, this 600 foot section broke out of the suspension span, turning upside down as it crashed in Puget Sound. Note how the floor assembl2y and the solid girders have been twisted and

14、warped. The square object in mid air (near the centre of the photograph) is a 25 foot (7.6m) section of concrete pavement. Notice the car in the top right corner. 装配板和钢梁扭 曲、弯曲的情况大桥塌大桥塌 落瞬间落瞬间大桥最后，竟在风速不大（ 5667km/hr)时因震荡幅度过 大，产生共振塌落。This photograph shows the sag in the east span after the failure. Wit

15、h the centre span gone there was nothing to counter balance the weight of the side spans. The sag was 45 feet (13.7m). Also the immense size of the anchorages is illustrated. 该照片反映了 大桥塌落之后 东跨下垂的情 况This picture was taken shortly after the failure. Note the nature of the twists in the dangling remaind

16、er of the south stiffening girder and the tangled remains of the north stiffening girder. 大桥塌落大桥塌落 之后拍下之后拍下 来的照片来的照片The top left picture shows the center span diagonal ties and their connections. The top right picture shows the slackening of the tie due to twisting. The bottom left picture shows the frayed main cable after failure. About 600 (sic) wires are cut. The bottom right shot shows the diag