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1、建筑结构选型结课论文悬索结构的形式和设计选型姓 名：李超学 号：1401102-01所在院系：建筑与城市规划学院 学科专业：城乡规划指导教师：张弘二O六年十二月标题：悬索结构的形式和设计选型申明：本人申明提交作业文章所有内容均有本人完成，文中 引用他人观点均已标明出处。签字：日期：悬索结构的形式和设计选型摘要：本文在简述悬索结构构成和受力特点的基础上,根据索网曲面形式和结构 特征,何恳索结构迸仃了分类,介绍了各种单（双）曲面单（双）层悬索结构、交叉索 网、斜拉结构的组成特点和国内外卜程应用状况。文章还对悬索结构设计选型的 若干主要问题,如建筑平面形状、结构跨度、刚度与稳定性、边缘构件与支承结
2、构、片画材料与排水等进行了论述,并提供了一些可供设计参考的有效措施。 关键词：悬索结构 设计选型 索网 杂交结构1悬索结构的组成与发展 土木建筑结构所指的悬索结构,就是指以柔性拉索或将拉索按一定规律布置成索 网来直接承受屋面荷载作用的结构（见图1）这些索或索网均悬挂在支承结构体系 的边缘构件上。在竖向荷载作用下,索或索网均承受轴向拉力,并通过边缘构件和 支承结构将这些拉力传递到建筑物的基础上去。图1悬索結榜的组成:一丸2坏父3栏索$ 6_阳架M桁架_锚索主衰g A边缘玛件田一支瑕结詢悬索结构中承受轴向拉力的柔性拉索多采用高强度钢丝组成的钢铰线、钢丝绳、钢丝束等,有的也可以采用圆钢筋或带状薄钢板
3、。边缘构件是用来锚固拉索（索网）的,起到承受索在支座处的拉力作用。根据建筑平面和结构类型的不同,边缘构件可以选用圈梁、拱、析架、刚架等劲性构件,也可以直接选用柔性拉索。支承结构主要是用作承受边缘构件传来的压力和水平推力引起的弯矩。常选用钢 筋混凝土独立柱、框架、拱等结构形式。这样受拉的索网和以受压、受弯为主 的边缘构件和支承结构,就可以分别采用受拉强度较高的钢材和抗压强度较好的 钢筋混凝土,使不同材料的力学性能能得到合理利用。由于对柔性拉索与刚性结 构的优化组合，就可以用较少的材料（一般索的用钢量仅为普通钢结构的1/5 1/7,11 般都在10kg/m以下）做成较大跨度的悬索结构。由于钢索自重
4、很轻，屋 面构件也不很大, 囚而给施工架设带来了很大的方便。安装时不需大型起重设备, 也不需另设脚手架。这些都有利于加快施工进度,降低工程造价。同时索网布置 灵活,便于建筑造型,能适应平面形状与外形轮廓的各种变化,这使建筑与 结构可以得到较完美的结合。因此悬索结构在友跨度建筑中得到了越来越多的应 用。悬索结构是一种受力比较合理的建筑结构形式。它与简支梁受力情况对比, 就可以看出这种合理性。众所周知,图2中的简支梁住竖向荷载作用下,上纤维压 应力的合力与纤维拉应力的合力组成了截面的内力矩.合力间的距离即为内力 臂,它总在截面高度的范围内,因此要提高梁的承载能力,就意味着要增加梁的高 度。但在悬索
5、结构中,钢索在自重下就自然形成了垂度,由索中拉力与支承水平力 间的距离构成的内力臂,总在钢索截面范围以外,增加垂度也就加大了力臂,从而 可以有效地减少索中拉力和钢索截面面积。十一商立梁下一悬索=悬索结构在桥梁中的应用已有悠久历史,但在建筑工程中的广泛应用还只是50 年代以来的事情。通过 40 多年来各国不断进行的研究和工程实践,它的应用范围正在不断扩大,结构形式在日趋丰富,计算理论与设计、施工技术亦趋于完善, 现已成为一种成熟的建筑结构体系。目前在大、中跨度的体育馆、展览馆、商场、 机（车）库等公共建筑和一些工业厂房、仓库中得到了较多的应用,它是空间结构的一种重要结构形式。在国外大跨度屋盖中,
6、悬索结构一直是选用中的主要结构形式。如 1980 年莫 斯科奥运会有 5 项跨度在 66M 以上的主要体育建筑,都采用了悬挂钢板膜的或刚 性索的悬挂结构;加拿大卡尔加里冬季奥运会的双曲抛物面索网屋盖（D=i20m）, 美国纽约麦迪逊广场的双层辐射式悬索屋盖（D二123m）,日本东京代代木体育馆 以两侧索网索为中间支承的悬索屋盖（120mxZ14m）等等，都是世界上比较著名的 大跨度悬索结构。我国从60年代以来也先后建成了30座左右的悬索结构工程。除60年代建 成的北京工人体育馆（D二94m）,浙江体育馆（椭圆形平面,80rnx60rn）,成都城北 体育馆（D二6lm）等屋盖外，近年来又有很多创
7、新与发展。新建的一批悬索结构 形式就相当丰富:如吉林冰球馆（59mx76.8rn）,采用了承重索和稳定索交错布置 构成的立体拉索析架;安徽省体育馆（六边形平面,72mx69m）、上海杨浦体育馆 （45m义48.6m）,采用了横向加劲单曲悬索结构；四川省体育馆（六边形平面,72 二、79.4m）、青岛市体育馆（卵形平面,87mx72m）,采用了在中间相互倾斜或交叉 的双拱两侧悬挂两片索网的形式;北京朝阳体育馆则采用了索拱组合体系作为索 网屋盖的中间支承;淄博化纤厂餐厅采用的正方形对角线支承索网（30mx3om ）等 等。此外, 伞形悬索、斜拉屋盖结构在我国也得到了应用与发展。吉林冰球馆 浙江省体
8、育馆如此众多的悬索结构工程的建成,不仅大大丰富了我国建筑结构的形式,而 且也为悬索结构的进一步应用与发展,积累了可贵的经验。可以预料,随着我国建设事业的发展,大跨度空间建筑的社会需要不断增加,悬索结构必将会有更为广阔的应用前景。2悬索结构的形式悬索结构的形式很多,根据索网、边缘构件和下部支承结构的不同配置,可以构成一系列形式各异的悬索结构。如果将悬索结构和其它结构形式结合,又可以进一步派生出许多形式新颖的结构体系。例如,按悬索结构的表面形状和不同结 构特征,可以组合成以下几种基本形式:单曲w- 单层恳索结构应曲面1双层交叉索网若按不同的索网布置方式,则可以分为平行拉牢体系、拉索析架体系、幅射
9、式拉索体系以及交叉索网体系等。2.1 单曲面单层悬索结构单曲面单层悬索结构是由许多单根拉索平行构成的一种平行拉索体系。它的 表面呈圆筒形,拉索两端支点可以等高,为了排水也可做成不等高。达种结构形式 一般用于矩形平面的单跨建筑。平行拉索体系常呈平面受力状态,索中拉力放与 跨中垂度成反比。对于一定跨度的悬索结构,如垂度太小则曲面扁平,索中拉为将 过大;如垂度太大则索中拉力减少,但支派结构的高度将随之增大。因此适宜的垂 跨比一般取 1/101/20。这种拉索体系,构造简单,排水方便。但是屋面结构的稳 定性不好,在不对称荷载或局部荷载作用下,有可能改变悬索屋盖的曲面形式;同 时它的抗风能力也差,因此有
10、必要采取有效措施来保证屋而的稳定性。通常的做 法是采用重屋盖,即在索间铺设预制钢筋流凝土板,使悬索在较大的均布恒软作 用下始终保持张紧状态,既可增强屋面保持原来状态的能力,又有利于克服风力 的卸载作用。近年来我国在安徽体育馆、上海杨浦体育馆等工程中则进一步采用了横向加 劲式单曲悬索屋盖(图3),即在平行拉索的基础上,增设了与之正交的横向加劲构 件(梁或桁架)，通过强迫其端支座的下压，而使结构建立预应力(图3(C)。增设 横向加劲构件不仅可以增强平行拉索屋盖的刚度,而且可使原来单独工作的索系 形成整体， 提高屋盖承受集中力和不均匀荷载的能力。对于纵向两端支撑结构水 平刚度较大， 而横向两端支撑较
11、弱的矩形平面建筑物， 采用横向加劲式单曲悬索 屋盖尤其相宜。(b)(c)图3橫向加劲式单曲悬索屋盖為2_钢桁轴3麒知4一镭索W 一安徽体育馆，(b) 一上海杨浦体育馆，(O 一瓚设止交攒向加劲初件国外应用单曲面单层悬索结构最大跨度的工程实例是德国法兰克福机场的5 号双跨机库（图4）,每跨由10个长135m、宽7.5M，厚8.c6m的预应力混凝土悬 索带组成，每带净距3m,其间设置采光带。索带两端悬挂在34m高的钢筋混凝土 格构式墩座丰，中间则支承在跨度为78m的箱形截面J大梁一上。在跨中最低处, 将.22m宽的悬索带连成整体，做成有组织排水为控制屋面的竖向变形,在板带 中还设置了水平拉索。圏*
12、 懐国法兰克福机场悬索屋盖站樹1箱形大梁 2悬索带,咅一张拉索2.2 双曲面单层瓜索结构双曲面单层悬索结构,常用于圆形平面的建筑,钢索由圆心向四周按幅射状布置,屋面形成一个下凹的旋转面（图5（a）。钢索两端分别锚固于周边外环和中 央内环上。由于在钢索拉力作用下外环受压,内环受拉,因此,外环与内环分别采 用钢筋混凝土和钢材, 以适应它们的受力需要;也有的工程是将内环支承于建筑 物中央的单根或多根支柱上的,形成了伞形悬索结构（图5（b）,如淄博市长途汽 车站候车厅（D=50。）。柳州水泥厂熟料库（D二80m）等都采用了这种伞形悬索结 构（图6）。在均布荷载作用下,、在圆形平面内呈幅射状布置的各条拉
13、索内力相 等, 内力值随垂度的增加而减小。但是在椭圆形的平面上, 由于各条拉索内力不 等,同时在受压外环上将存在较大的弯矩,因此椭圆形平面的双曲面单层悬索结构很少采用。备5取曲面单层愚索谿梅(a) 一锅賂屋盖* Cb)伞老屋盖国外应用双曲面单层悬索结构最大跨度的潘实例有 :美国阿拉美达郡体育 馆 (D=13Om, 它的钢筋混凝土外环是支承在 32 根 X 形的钢筋混凝土支柱上 , 钢内 环直径为13.8m,内、外环间按幅射状设置了 96功56钢铰线，钢索用钢量仅为 6.6kg/m “；此外乌拉圭蒙地维多体育馆(D二94m)也采用了这种形式的悬索屋盖 结构。这种悬索结构因为是单层索, 因此都采用
14、了重屋盖来增强屋盖刚度, 并且还 施加了预应力(b)图6伞形悬索屋盖CO 溜呼市长途汽车站(D-SOm),(b) 柳州水帖厂熟料应(D=触刑)r* 12.3 一单曲面双层雄卑结构单曲面双层悬索结构是在平行拉索体系的墓础上增设一层反向曲率的钢索 构成的。下凹一曲面为承重索, 上凸曲面为稳定索, 上下两层索间设有系杆(圆钢或钢索)。通过这些系杆对上、下层索施加预应力, 以增强双层悬索结构的刚度和稳定性。这种形式的悬索结构大都做成轻屋盖,且抗震性能也较好,它多用于矩形 平面的单跨建筑。上承重索的垂度一般取跨度的1/171/20,下稳定索的拱度则 取跨度的1/20 一 1/25。我国江苏无锡市体育馆(
15、43mx40m)就采用了单曲面双层 悬索结构屋盖(图7(a)。该设计的特点是将位于同一平面的承重索与稳定索在 中点交接, 可以提高结构抵抗不对称变形的能力和屋盖刚度。这种承重索和稳定 索组成的双层悬索结构, 因双索均位于同一竖向平面内,索与系杆构成了类似索 梁或索析架体系, 属受力平面体系, 因此也称此为拉索析架。图7单曲面茨层悬索站舸了程实例(a) -无锡县休育馆结构剖面(b) -吉林冰球馆结构剖盪吉林冰球馆屋盖是在单面双层悬索结构形式基础上, 采用了双层预应力悬索 结构(67.4mx76.8m)(图7(。)，与无锡县体育馆不同之处是承重索和稳定索不 在一个平面内, 而是相互错开半个柱距, 形成立体拉索析架。国外瑞典的斯德哥尔 摩冰球馆屋盖工程 (见图8)也是采用了上述这种形式的悬索结构,它的平面尺寸 为83mxll8m,这是国外具有代表性的单曲面双层悬索结构形式。2.4 双曲面双层瓜索结构双曲面双层悬索结构是在双曲面单层悬索结构的基础上增设了一层按辐射 状布置的稳定索而形成的。由于增设了一层稳定索,屋面刚度进一步有所提高, 抗凤、抗震性能有所增强,这为悬索屋盖结构采用轻型屋面提供了条件。这也是 目前在圆形平面建筑中应用较多的一种悬索结构。双曲面双层悬索结构的稳定索, 可置于承重索之上,也可置于承重索之下,或
