第九章第九章悬索结构悬索结构建筑结构与选型建筑结构与选型9.1概概述述9.2悬索结构的受力和变形特点悬索结构的受力和变形特点9.3悬索结构的形式悬索结构的形式9.4悬索结构的稳定悬索结构的稳定1 12 29.1概述概述9.1.1悬索结构的概念悬索结构的概念9.1.2悬索结构的发展悬索结构的发展9.1.3悬索结构的特点悬索结构的特点3 39.1.19.1.1悬索结构的概念悬索结构的概念悬索结构的概念悬索结构的概念悬索结构由悬索结构由悬索结构由悬索结构由受拉索、边缘构件和下部支承构件受拉索、边缘构件和下部支承构件受拉索、边缘构件和下部支承构件受拉索、边缘构件和下部支承构件所组成拉索一所组成拉索一所组成拉索一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支承构件则常为钢筋混凝土结构支承构件则常为钢筋混凝土结构支承构件则常为钢筋混凝土结构4 49.1.29.1.2悬索结构的发展：悬索结构的发展：悬索结构的发展：悬索结构的发展：最早应用于桥梁工程中最早应用于桥梁工程中最早应用于桥梁工程中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房屋建筑中，蒙古包、帐篷可看做悬索结构的雏形房屋建筑中，蒙古包、帐篷可看做悬索结构的雏形房屋建筑中，蒙古包、帐篷可看做悬索结构的雏形5 5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。
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第一个现代悬索屋盖是第一个现代悬索屋盖是第一个现代悬索屋盖是19531953年建成的雷里竞技馆，采用以两个年建成的雷里竞技馆，采用以两个年建成的雷里竞技馆，采用以两个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斜置的抛物线拱作为边缘构件的鞍形正交索网斜置的抛物线拱作为边缘构件的鞍形正交索网斜置的抛物线拱作为边缘构件的鞍形正交索网6 6我国现代悬索结构之发展始于我国现代悬索结构之发展始于50年代后期和年代后期和80年代北京的工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：建于北京工人体育馆：建于1961年，其屋盖为圆形平面，直径年，其屋盖为圆形平面，直径94m，采用车辐，采用车辐式双层悬索体系，由截面为式双层悬索体系，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，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，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并在上、下索之间起撑杆的作用7 79.1.39.1.3悬索结构的特点悬索结构的特点悬索结构的特点悬索结构的特点索索索索轴向受拉轴向受拉轴向受拉轴向受拉便于建筑造型，各种平面便于建筑造型，各种平面便于建筑造型，各种平面便于建筑造型，各种平面施工较方便自重小（施工较方便自重小（施工较方便自重小（施工较方便自重小（10kg/m210kg/m2），屋面构件一般也较轻屋面构件一般也较轻屋面构件一般也较轻屋面构件一般也较轻可创造良好物理性能的建筑空间可创造良好物理性能的建筑空间可创造良好物理性能的建筑空间可创造良好物理性能的建筑空间稳定性较差稳定性较差稳定性较差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。
承受索端巨大的水平拉力承受索端巨大的水平拉力承受索端巨大的水平拉力8 89.2.19.2.1索的支座反力索的支座反力索的支座反力索的支座反力9.2.29.2.2索的拉力索的拉力索的拉力索的拉力9.2.3索的变形索的变形索的变形索的变形9.2悬索结构的受力特点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 99.2.19.2.1索的支座反力索的支座反力索的支座反力索的支座反力计算简图计算简图由由，支座反力支座反力为为 索中任一截面的弯矩索中任一截面的弯矩为为零，以跨中零，以跨中截面截面为为矩心，矩心，则则有有 式中，式中，10109.2.29.2.2索的拉力索的拉力索的拉力索的拉力将索在将索在计计算截面切断，如算截面切断，如图图所示，由所示，由，可得，可得索的索的轴轴力在支座截面（力在支座截面（值值最大）最大）为为最大，在跨中截面（最大，在跨中截面（ ）时为时为最小11119.2.3变形特点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。
悬索承受的竖向荷载自跨中向两侧增加时，形成椭圆12129.3.19.3.1单层悬索体系单层悬索体系单层悬索体系单层悬索体系9.3.29.3.2双层悬索体系双层悬索体系双层悬索体系双层悬索体系9.3.3交叉索网体系交叉索网体系9.3.4工程实例工程实例9.3悬索结构的型式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；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、交单层悬索体系、双层悬索体系、交叉索网体系叉索网体系13139.3.19.3.1单层悬索体系单层悬索体系单层悬索体系单层悬索体系水平梁和框架一起水平梁和框架一起承受悬索拉力承受悬索拉力水平梁水平梁承受悬索拉力承受悬索拉力悬索直接悬索直接锚挂于框架锚挂于框架斜拉索将斜拉索将悬索拉力悬索拉力拉向地锚拉向地锚1.单曲面单层拉索体系单曲面单层拉索体系(跨度可达跨度可达80m，德国多特蒙特一展览厅，德国多特蒙特一展览厅，1956)1414拉索水平力的传递的三种方式：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、通过竖向承重结构传至基础2、通过拉锚传至基础、通过拉锚传至基础3、通过刚性水平构件集中传至抗、通过刚性水平构件集中传至抗侧力墙侧力墙1515下凹双曲率碟形屋面下凹双曲率碟形屋面不便于排水，最大的不便于排水，最大的碟形屋面：碟形屋面：美国阿拉美国阿拉美达比赛馆，跨径美达比赛馆，跨径128m( (1967)伞形屋面伞形屋面最大的伞形屋面：最大的伞形屋面：前苏联伊利姆斯克前苏联伊利姆斯克汽车库，跨径汽车库，跨径206m2.幅射式布置形式幅射式布置形式(适用于圆形，椭圆形平面适用于圆形，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平行布置做到较大跨度16162.幅射式布置形式幅射式布置形式17173.3.网状布置形式网状布置形式( (适用于圆形适用于圆形，矩形等各种平面矩形等各种平面) )设计要点设计要点单层悬索体系垂跨比经验取值：单层悬索体系垂跨比经验取值：1/201/20 1/101/10加强形状稳定性的措施：加强形状稳定性的措施：采用重屋面采用重屋面 采用预应力钢筋混凝土悬挂薄壳采用预应力钢筋混凝土悬挂薄壳 采用横向加劲构件采用横向加劲构件两向索正交布置两向索正交布置屋面板规格统一屋面板规格统一边缘构件弯矩大边缘构件弯矩大于幅射式布置于幅射式布置1818德国乌柏特市游泳馆1919德国多特蒙特展览大厅德国多特蒙特展览大厅2020前苏联克达斯若牙尔斯克车库前苏联克达斯若牙尔斯克车库2121日本古川市民会馆日本古川市民会馆22229.3.29.3.2双层悬索体系双层悬索体系双层悬索体系双层悬索体系1.一般形式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承重索垂跨比一般取1/20 1/15 ，稳定索拱跨比一般取稳定索拱跨比一般取1/20 1/2523232 .平行索系平行索系优点：稳定性好，整体刚度大。
适宜于采用轻屋面优点：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，构成波形屋面布置，构成波形屋面2424错开布置，构成波形屋面错开布置，构成波形屋面2525错开布置，构成波形屋面吉林滑冰馆屋盖结构形式错开布置，构成波形屋面吉林滑冰馆屋盖结构形式26263.双曲面双层拉索索系双曲面双层拉索索系27273.双曲面双层拉索索系双曲面双层拉索索系上索既是稳定索，又直接承载上索既是稳定索，又直接承载a)双层内环梁双层内环梁 b)双层外环梁双层外环梁c)双层内外环梁双层内外环梁d)单层外环梁网状布置单层外环梁网状布置e)双层外环梁网状布置双层外环梁网状布置2828瑞典斯德哥尔摩约翰尼绍夫滑冰场瑞典斯德哥尔摩约翰尼绍夫滑冰场2929芬兰赫尔辛基冰上运动场芬兰赫尔辛基冰上运动场3030德国法兰克福机动车检修场德国法兰克福机动车检修场3131罗马尼亚布加勒斯特文体宫罗马尼亚布加勒斯特文体宫32329.3.3交叉索网体系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。
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承重索之上3333交叉索网体系的边缘构件：交叉索网体系的边缘构件：a)34343535交叉索网体系交叉索网体系3636前南斯拉夫莱士科瓦前南斯拉夫莱士科瓦克纺织博览馆克纺织博览馆3737加拿大卡尔加里滑冰馆加拿大卡尔加里滑冰馆38389.4悬索内结构的稳定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、风振能力差化的能力差，二是抗风吸、风振能力差393911增加悬索结构上的荷载增加悬索结构上的荷载增加悬索结构上的荷载增加悬索结构上的荷载2形成预应力所壳组合结构形成预应力所壳组合结构3形成索梁或索桁架组合结构形成索梁或索桁架组合结构4增设相反曲率的稳定索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：取以下几种措施：404011增加悬索结构上的荷载增加悬索结构上的荷载增加悬索结构上的荷载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一般认为，当屋盖自重超过最大风吸力的1.11.3倍，即倍，即可认为是安全的。
可认为是安全的414122形成预应力索壳组合结构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对钢筋混凝土屋面施加预应力，使之形成一倒挂的薄。