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1、 悬索结构设计Design of Cable Structures0一、悬索结构的方案设计概念设计是依据工程对象的具体条件,以工程概念为依据，用符合工程客观规律和本质的方法,对设计做宏观控制。是在结构设计初期对整体方案合理性的把握。概念设计是方向性问题，而结构计算从属于它。体现了设计者对结构的理解力和工程预见力。1结构工程师在概念设计中的作用The role of structural engineer in CD概念设计的目标是，使结构在满足建筑功能和美观的前提下，保证结构内部力流的流畅，充分发挥构件的受力特点，避免结构出现整体失稳。概念设计需要建筑师和结构师来共同完成，是真正体现结构师创造
2、力的工作。Without intervening into the conceptual design means thatan engineer degrades himself to a safety specialist. Jrg Schlaich2结构选型的若干基本原则Principles for Structure Systems Selection结构形态 (Morphology) 建筑功能与结构特点相协调承载能力 (Capacity Limit) 结构都有其合理跨度区间；梁桁架拱悬索荷载条件 (Load Conditions) 抗风、抗震、抗火造价 (Cost) 砖石混凝土钢结构
3、张力结构31、建筑造型及使用功能方面的考虑应根据建筑平面选用合理的悬索结构形式；矩形平面，宜选用平行布置的单层或双层悬索体系；方形平面，宜采用双曲型屋盖；圆形平面，宜采用辐射状布置的单层或双层索系或双曲抛物面鞍形索网等结构形式。网状布置的单层或双层索系可适应矩形、圆形、椭圆形和菱形等多种建筑平面的要求。4德国慕尼黑溜冰馆Ice Rink of Munich Olympia Park, 1982将索网与中央支承拱结合，可解决采光问题，还可以减少索的跨度，有效增强结构刚度。椭圆形平面，104m67m中央落地平面钢拱+两片预应力鞍形索网索网边索固定在由立柱和锚杆组成的锚架上56索网上面覆以木网格及白
4、色透明的聚氯乙烯聚酯薄膜中央钢拱为三角形截面的格构式钢管结构7索网网格0.75m0.75m，两个方向的悬索均采用两根11.5mm的镀锌钢绞线组成，用铝合金夹具固定8屋面的排水性能鞍形索网屋面，沿负曲率方向由中央向两侧排水。平行布置的单层悬索屋面，可通过适当抬高中央部分悬索的标高在纵向形成排水。圆形平面下凹的单层悬索屋面，可在屋盖最低点设置内排水。声学性能、建筑能耗等a) 穹顶屋盖使声音集中b）碟形屋盖使声音发散92、结构力学性能方面的考虑应采取有效措施，确保悬索结构的刚度和稳定性，以防止结构在不对称荷载作用下产生较大的变形，或由于风荷载产生动力失稳的可能。对于大跨度的悬索结构，在建筑平面的中部
5、设置强劲的中央支承结构，以减少索和索网的跨度，是增强结构刚度的有效措施之一。中央支承结构的形式除根据建筑造型的要求外，还应使其受力合理，特别是应使其具有足够的侧向刚度。103、材料及施工安装方面的考虑应尽量采用轻型屋面，使索结构的优越性得以充分发挥。可行的施工方案单层索系重屋面平行布置的单层索系横向加劲构件圆形平面双层索系对上索施加预应力矩形平面双层索系调整系杆正交索网 稳定索11适当的预张力施加步骤平行布置的索桁架结构，可分别施加预张力；车辐式结构，应考虑索拉力对中心环产生的非对称荷载作用；应采用分区、对称张拉的方式，必要时还应将总拉力分成几级来施加。消除徐变的影响在施工时对索施加超张拉来补
6、偿；在使用一段时间后，进行二次张拉。124、处理好边缘构件和支承结构的设计如何将水平力从锚固处可靠地传递到基础，是边缘构件和支承结构设计重点考虑的问题。13二、强度校核与变形控制荷载组合美国土木工程协会规范ASCE 19-96规定，索的极限承载力不得小于下列各值：(1)(2)(3)(4)(5)2.2( D + P) 2.2( D + P + L)2.0( D + P + W 或E ) 2.0( D + P + L + W 或E )2.0C 14容许应力方法N k max f kA KNkmax 索最大拉力标准值；fk 索抗拉强度标准值；A 单索的截面面积；K 安全系数；根据国内已建的悬索屋盖工
7、程统计，大致为2.53.0。15极限状态设计方法单索截面根据承载力按下式验算： 0 Nd ftdANd 索最大轴向拉力设计值；ftd 索抗拉强度设计值；A 单索的截面面积；0 结构重要性系数。16索屋盖的变形控制单层悬索体系1/200（自初始几何态算起）；双层悬索体系、索网、及横向加劲索系1/250（自预应力态算起）17三、索结构的连接节点构造设计索结构的连接节点包括：索与刚性构件的连接、索与索的连接、索的锚固节点等。节点和连接件的承载力应大于所连接索的承载力设计值，必要时应通过试验来确定。节点构造应保证安全，力求简单，传力路线明确，便于制作和安装。节点构造设计应考虑施加预张力的方式、结构安装
8、偏差及进行二次张拉的可能性。18索与屋面板的连接19索与钢檩条的连接20索与撑杆的连接（1）钢管撑杆缝焊紧固螺栓索球21索与撑杆的连接（2）钢管斜腹杆焊接耳板剖口焊高强螺栓铸钢索瓦22索与圆管桁架的连接23索与角钢桁架的连接桁架下弦高强螺栓铸钢连接具24索与支承结构的连接（1）索与钢梁的连接索与钢柱的连接25索与支承结构的连接（2）索与混凝土梁的连接索与混凝土柱的连接26索与支承结构的连接（3）索与混凝土柱的连接索与混凝土柱的连接27索与中心型钢环梁的连接28索与混凝土基础的锚固29索与索的连接（1）压板式夹具骑马式夹具U形夹具30索与索的连接（2）31索与索的连接（3）32索与索的连接（4）
9、花篮螺栓连接螺拴连接长螺杆连接内螺纹连接33四、抗拔基础设计重力型地锚挡土墙式基础板式拉力基础抗拔桩基础34应综合考虑场地情况、施工条件以及基础受力情况等因素来选用合理的基础锚固形式。锚板是依靠土体自重和土体内部的摩擦阻力来提供抗拔承载力，属于柔性抗拔结构，位移较大；抗拔桩是利用侧摩阻力来提供抗拔承载力，其位移要比锚板小得多。在施工方式上，锚板和重力锚固基础需要比较大的土方开挖，但其施工质量较易得到保证；而抗拔桩和螺旋锚的土方开挖量较小，但对施工机械的要求较高。总体上讲，当上拔荷载较小时，采用重力锚固和锚板比较经济；当上拔荷载较大时，采用抗拔桩更合理。35五、悬索体系的施工悬索结构设计时必须预
10、先考虑施工，规定好施加预张力和铺设屋面的步骤。施工时必须严格按照规定的步骤进行；稍有改变就有可能引起内力的很大变化，甚至会使支承结构严重超载。因此，施工人员必须清楚了解设计人员的意图，设计人员必须做好透彻的技术交底，并在关键的施工阶段亲临现场监督。36悬索屋盖安装的一般流程把已经预拉并按准确长度下料的钢索架设就位，调整到规定的初始位置并安上锚具临时固定；按规定的步骤进行预应力张拉和铺设屋面；预应力张拉和屋面架设常需交替、对称进行，以减小支承结构的内力。张拉预应力和铺设屋面的过程中要随时监测索系的位置变化，必要时作适当调整，使整个屋盖完成时达到预定的位置。37预张力的施加方法：千斤顶张拉法丝扣旋
11、张法横向张拉法电热张拉法38千斤顶张拉法：沿拉索轴向采用千斤顶对钢索张拉，待预张力值达到设计要求后，即可锚固拉索端头，并作防护处理。该方法在悬索结构中最为常用。拉索的类型与锚头及千斤顶型号要相互配套。39丝扣旋张法：当预张力不大，采用高强圆钢作拉索时，常在圆钢端头车制螺纹，用拧紧螺母的方法产生预张力。也可采用花篮螺丝的办法，通过旋转套筒来张紧或放松拉杆。经过标定后，施工中可采用套筒转动圈数来控制预张力的大小，操作较为方便。4022横向张拉法在索两端固定的情况下，从横向对索加力P产生位移，同样可使索伸长来获得预张力。显然所加横向力P大大小于轴向力T。这种方法在索桁架和张弦结构中较为常用。索伸长量：l = l + 4 l41电热张拉法在拉索通电加热膨胀后的长度下，锚固拉索两端，冷却后拉索收缩即可产生预张力。电热法多用于圆钢拉杆，也可用于钢丝束和钢绞线。适用于高空作业操作困难的情况，但耗电量大，且要保证拉索绝缘不致产生短路电火花，损伤拉索降低强度。42拉索在加温后的伸长量为l = tl 材料的线膨胀系数， 1.210-5/；t 加热温度；l 索段长度。固定杆端产生的预应力值为 = tE实验表明，加热温度在250300以内时基本上不影响钢材的物理力学性能。43
