大跨结构第五章索结构1
整体张拉大跨度索结构施工工法
整体张拉大跨度索结构施工工法一、前言整体张拉大跨度索结构施工工法是一种现代化的工程施工方法，通过利用张拉索及预制构件来搭建巨大的悬索桥、斜拉桥以及其他大跨度建筑物，具有施工速度快、施工质量高、经济效益显著等特点。
本文将对整体张拉大跨度索结构施工工法进行详细介绍和分析。
二、工法特点整体张拉大跨度索结构施工工法以张拉索为主要构件，通过张拉索对结构进行整体稳定，不仅巧妙避免了大跨度结构的病态行为，还具有较高的荷载承载能力和抗震性能。
该工法施工速度快、工期短、施工质量可靠，并且能够适应各种地形和环境条件。
三、适应范围整体张拉大跨度索结构施工工法适用于建设大跨度悬索桥、斜拉桥、拱桥、轻型屋盖等类型的工程。
特别适用于需要在短时间内完成的工程，能够满足客户追求快速、高质的需求。
四、工艺原理整体张拉大跨度索结构施工工法的施工工艺原理是根据工程实际需求和设计要求，采取相应的技术措施来保证施工过程的顺利进行。
具体可以分为以下几个方面：1.构件制造与质量控制：通过严格的工艺流程和质量控制，并使用高质量的预制构件，确保每个构件的质量达到设计要求。
2. 施工顺序与流程：根据工程要求，在合适的时间节点进行施工，并确保各个施工阶段的顺序正确。
3. 结构整体控制：通过合理的张拉计划和张拉过程控制，保证整个结构的均衡力学性能和稳定性。
4. 安全措施与防护设施：在施工过程中，加强工人的安全意识培养，确保施工人员的人身安全。
五、施工工艺整体张拉大跨度索结构施工工法主要包括以下几个施工阶段：1. 设计和准备工作：根据工程要求进行方案设计和计划编制，并准备相关的施工工具和设备。
2. 地基处理：对施工场地的地基进行处理，确保施工的安全和可靠性。
3. 基础施工：进行基础的浇筑和养护工作，确保基础的稳固性。
4. 构件安装和预应力张拉：将预制构件按照设计要求进行安装，并进行预应力张拉工作，形成整体稳定的结构。
5.质量检验与保养：对施工后的整体张拉大跨度索结构进行质量检验和保养，确保其长期使用的稳定性和安全性。
大跨空间结构—索膜结构详解
大跨空间结构—索膜结构详解索膜结构作为新的建筑形式于本世纪五十年代在国际上开始出现，至今已有六十多年的历史，特别是到了七十年代以后，膜结构的应用得到了迅速发展。
膜结构的出现为建筑师们提供了超出传统建筑模式以外的新选择。
膜结构一改传统建筑材料而使用膜材，其重量只是传统建筑的三十分之一。
而且膜结构可以从根本上克服传统结构在大跨度，无支撑，建筑上实现时所遇到的困难，可创造巨大的无遮挡的可视空间。
索膜结构是目前发展很快的一种新型空间结构，是一种效率极高的张力集成体系，可以充分发挥钢索的强度与张拉整体结构的空间作用。
张拉膜结构是索膜结构中最常见的一种形式，是索膜建筑的代表和精华，它通过钢索与膜材共同受力形式稳定曲面来覆盖建筑空间，具有高度的形体可塑性和结构灵活性，即通过对膜材内部施加一定的预张力，使其具备了抵抗外荷载能力，从而充当结构材料的一种结构体系。
这种形式能够充分利用膜材的受力性能，形成轻巧、美观、具有现代感的空间大跨曲面结构，并且施工简单、快捷、成本低，在国内外已经被广泛应用于商业建筑、体育建筑、工业建筑、户外设施、文化娱乐建筑等各种领域。
一、索膜结构的组成及材料特性1. 索膜结构的组成一个完整的索膜结构一般由三部分组成1)形成曲面结构的张拉膜材；2)用于加强膜面的脊索和谷索,以及将膜内力传向支承结构的边索；3)求索膜体系的支架结构。
张拉膜材即作为结构材料,要能够抵抗一定的荷载而不致引起过大变形。
同时为完成作为覆盖材料所规定的建筑功能，例如美观、遮光、防火、耐久等等，还需满足各种性能要求。
所以，选用合适的膜材对于索膜结构的设计建造非常重要。
加强索除其对于膜面受力方面的加强作用外，更重要的是起到了改变建筑造型的作用。
尤其是谷索和脊索的灵活设置会给整个建筑带来奇妙的视觉效果。
支架结构最常采用的是钢结构，也可采用混凝土结构，甚至在某些情况下可以采用木结构或其他结构。
支架结构除满足将索膜体系的内力传递到基础这一结构要求以外，其形式可以采取变化多样的形式，以实现不同的建筑造型效果。
索结构课件-20200416-1
索的应力应变曲线和力学性能
索的弹性模量
索的安全系数
四、非线性分析的基本概念
u 非线性分析与线性分析之间的关系； u 非线性结构问题是指结构的刚度随其
变形而改变的问题； u 线性分析可以用叠加原理，非线性分
析不适用叠加原理；
F
KT
u
大板的突然翻转
将碰到障碍物的悬臂梁 悬臂梁大挠度
非线性一个例子
五、3D3S索结构分析的一些概念
Ø 三态的关系
• 初始形态； • 零状态； • 工作状态；
零状态——加工放样后的索段和构件集合体。 初始状态——仅在预应力和自重作用下的自平衡状态 工作状态——在外部效应作用下达到的平衡状态。
主动索和被动索
Ø 索结构的系列找形算法
矩阵分析法（给定边界和几何，求解索杆体系预张力分布） 力密度法（给定边界，求解索网预张力和对应的几何） 有限单元法（给定边界，求解几何和对应的预张力分布）
# 等原长索网 同上迭代求解。
等力密度索网
等力索网
采用有限单元法可以同样求解， 但计算效率较低，特别是对于等力密度索网！
Ø三种状态位移的关系 零状态→荷载状态的位移； 初始状态→荷载状态的位移；
Ø自重选项
谢谢！
程是紧密相关的，设计应与施工统一考 虑；
二、索结构的分类
Ø 预应力刚架结构
Ø 桁架杆件内穿索
下弦钢管内穿索
Ø 张弦梁结构
张弦结构的边界条件设置 Ø 简支（一端固定，一端滑移） Ø 两端固定
Ø 弦支穹顶
Ø 索穹顶
Ø 弦支穹顶
Ø 索网结构
上海航海博物馆
Ø 预应力撑杆柱
Ø 预应力撑杆柱
索结构在3D3S中的应用
一、索结构的概念和特点
新型大跨结构PPT
3.桁架支撑式膜结构
济州世界杯体育场曾经作为2002年世界杯的其中一个 比赛场地。体育场馆的结构方式为桁架支撑式膜结构，采 用桁架作为支撑，膜材料作为覆盖材料。
七．张弦结构
北京工业大学体育馆外部图
北京工业大学体育馆内部图 北京工业大学体育馆是北京奥运会主场馆之一。体育馆钢结构体 系采用了预应力弦支穹顶结构，这一长约150米、宽约120米的钢结 构还创造了世界建筑史上的纪录——世界上跨度最大的预应力弦支穹 顶，最大跨度达93米。
日本东海公司墙体阻尼器
房屋橡胶隔震
房屋隔震结构
房屋建筑橡胶隔震
应用于钢结构中的隔震橡胶
第四章：发展前景
空间结构最大的优点在于它形式的多样化。然 而，在设计过程中结构工程师往往是被动地去满足 建筑师所提出的建筑造型，而不是在设计一开始就 主动地参与确定形式。这对于初始形状不确定的张 拉结构就更不合理了，决定结构形式不仅要依靠设 计者的直觉和灵感，也要更多地采用理性的科学方 法，近年来在国外已出现了好几种“工具”可用来 研究结构形式。
第一章：先进结构
• • • • • • • • 一．薄壳结构 二．悬索结 三．悬挂结构构 四．网壳结构 五．桁架结构 六．膜结构 七．张弦结构 八．杂交空间结构
一．薄壳结构
建筑1:法国国家工业与技术中心建于1959年，其整体造型就像一个倒 扣着的贝壳.结构平面为三角形，每边跨度218米，壳顶高出地面48米，屋 顶是当时世界上跨度最大的壳体。总建筑面积达90000平方米。壳体采用 分段预制是双层双曲薄壳，双曲薄壳之间用预应力钢筋混凝土联结。两层 壳体总厚度只有12厘米。顶部用一特殊的构件把几组壳体连为一体，并把 荷载传递至三个支点。支点是棱柱形支座，相互之间用预应力拉杆连接。
大跨度结构—悬索结构
7.2 悬索结构的分类
悬索结构形式极其丰富多彩，根据几何形状、组成方法、悬索
材料以及受力特点等不同因素，可有多种不同的划分。按组成方法
和受力特点，可分为以下类型：
7.2.1 单层悬索体系 7.2.2 预应力双层悬索体系 7.2.3 预应力鞍形索网
7.2.1 单层悬索体系
单层悬索体系由一系列、按一定规律布置的单根悬索组成， 悬索两端锚挂在稳固的支承结构上。 1. 平行布置形式（平行布置的单层索系形成下凹的单曲率 曲面，适应于矩形或多边形的建筑平面）
下凹双曲率碟形屋面 不便于排水，最大的 碟形屋面：美国阿拉 美达比赛馆，跨径 128m(1967)
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。
伞形屋面 最大的伞形屋面： 前苏联伊利姆斯克 汽车库，跨径206m
2.辐射式布置形式
3.网状布置形式 网状布置的单层索系形成下凹的双曲率曲面。适用于圆形， 矩形等各种平面
谢谢观看
水平梁 承受悬索拉力 水平梁和框架一起 承受悬索拉力
悬索直接 锚挂于框架
斜拉索将 悬索拉力 拉向地锚
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
2、通过拉锚传至基础
3、通过刚性水平构件集中传至 抗侧力墙
2.辐射式布置形式 单索辐射式布置形成下凹的双曲率碟形屋顶，适用于圆形， 椭圆形平面
支承构件则常为钢筋混凝土结构。
7.1.2 悬索结构的特点
索――轴向受拉
便于建筑造型，各种平面 施工较方便。自重小（10kg/m2），屋面构件一般也较轻。 可创造良好物理性能的建筑空间。 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
大跨度钢结构及索膜结构施工过程的质量控制
大跨度钢结构及索膜结构施工过程的质量控制提纲：1. 大跨度钢结构施工过程的质量控制2. 索膜结构施工过程的质量控制3. 施工前的准备工作及质量控制4. 施工中的质量控制5. 施工后的质量控制及验收标准分析：1. 大跨度钢结构施工过程的质量控制大跨度钢结构施工是一项复杂的工程，要求设计精细，施工过程中严格控制质量。
首先，在施工前要进行充分的前期准备工作，如材料的选型、加工和质量检测等。
其次，要加强对施工现场的管理，注重安全和环保，有序进行施工。
在施工中，要严格按照设计要求进行安装，加强材料的检查和测试，及时发现和处理问题。
最终，施工完成后还要进行验收，确保建筑结构的稳定性和功能完好。
2. 索膜结构施工过程的质量控制索膜结构是一种新型的建筑结构，可以通过合理的设计和施工，实现大跨度、轻量化和美观性等优势。
在施工过程中，需要制定详细的施工方案和工艺流程，确保施工过程顺利进行。
同时，要注重技术工人的培训和技术指导，提高施工人员的技能水平，提高施工质量和效率。
在施工中要进行全程的监控和检查，发现问题及时进行调整和修复。
最终，施工结束后还要进行验收，确保建筑结构的性能达到要求。
3. 施工前的准备工作及质量控制施工前的准备工作非常重要，直接关系到施工的顺利进行和施工质量。
准备工作包括选材、加工、运输等工作的安排和处理。
首先，在选材方面，需要选择优质的材料，并进行质量检测。
其次，在加工方面，要确保加工精度和标准，做到精细化和规范化。
最后，在运输方面，要注重材料的保护和运输的安全性。
通过精细的准备工作，可以确保施工前的质量控制和随后的施工质量。
4. 施工中的质量控制施工中的质量控制是一项复杂的工程，需要严格执行设计要求，加强材料的检测和测试，注重施工现场的管理和安全保障。
首先，在材料的安装中，要确保操作规范和技术精湛，杜绝操作错误和安装质量问题。
其次，在加工和焊接等环节中，要注重技术流程和质量检测，确保施工符合要求。
大跨度结构其结构体系有很多种
大跨度结构其结构体系有很多种，如网架结构、索结构、薄壳结构、充气结构、应力膜皮结构、混凝土拱形桁架等，常用于展览馆、体育馆、飞机机库等。
一.网架结构网架结构为大跨度结构最常见的结构形式，因其为空间结构，故一般称为空间网架。
其杆件多采用钢管或型钢，现场安装。
常见的为平面桁架、四角锥体和三角形锥体组成，其节点形式可分为焊接钢板节点和焊接空心球节点两种。
二.索结构索结构是将桥梁中的悬索“移植”到房屋建筑中，可以说是土木工程中结构形式互通互用的典型范例。
三.薄壳结构薄壳结构常用的形状为圆顶、筒壳、折板、双曲扁壳和双曲抛物面壳等。
圆形圆顶结构是轴对称结构，在轴对称荷载作用下，将只产生两种力：径向力和环向力。
径向力为沿经线方向的力，因其要平衡垂直向下荷载，所以必定为压力。
环向力为沿纬线方向的力。
圆形屋顶在垂直荷载作用下，上部的圆顶部分将受压收缩，其直径将变小，而下部近支承部分直径将增大，即上部将产生环向压力，而下部将产生环向拉力，中间将有一截面，为环向压力向环向拉力转变的交界线，该处的环向力为0，该截面称为“过渡缝”。
悉尼歌剧院格拉加尼亚修道院教堂上页下页四.混凝土拱形桁架混凝土拱形桁架在以前的工程中应用较多，但因其自重较大，施工复杂，现已很少采用。
目前最大跨度的拱形桁架为贝尔格莱德的机库，为预应力混凝土桁架结构，跨度为135.8m。
日本姬路市中心体育馆五.充气结构充气结构又称充气薄膜结构，是在玻璃丝增强塑料薄膜或尼龙布罩内部充气形成一定的形状，作为建筑空间的覆盖物。
对角跨长200m,由室内地面至顶高6.07m的东京穹顶，是不用柱子，只依靠室内外气压差来制成的膜屋盖结构，也是在日本最初用于多功能全天候的体育场，约30,000平方米超大椭圆形屋顶，采用悬索加强的充气膜结构。
其双向各配置14根共28根钢索，在其上张拉着涂有特富龙的玻璃纤维布。
请看充气膜的充气过程：六.应力膜皮结构应力膜皮结构一般是用钢质薄板做成很多块各种板片单元焊接而成的空间结构。
大跨度建筑屋盖结构1
第三章 桁架结构
第一节 桁架的结构特点与优缺点
受力特点
开封县温泉游泳馆
宽141米
湖南国际会展中心
湖南国际会展中心
广泛用于工业厂房和体育馆等
第二节 门式刚架的类型与构造
类型
1.从连接方式分：无铰刚架、两铰刚架、三铰刚架
无铰刚架：超静定刚架，结构刚度大，但地基有不均匀 沉降时，将使结构产生附加内应力 有铰刚架：静定刚架，地基有不均匀沉降时，对结构不 会产生附加内应力，但跨度大时，刚度较差，一般用于 小跨度（12m）和基础较差的情况
屋架选型的一般原则
1、跨度36米以上：钢屋架 有侵蚀性介质：不宜采用钢结构 2、跨度36米以下：预应力钢筋混凝土屋架 18~24米：可选普通钢筋混凝土屋架 3、18米以下：钢筋混凝土组合屋架 4、相对湿度大于75%，或有侵蚀性介质：不宜 选用木屋架和钢屋架
第四章 拱结构
第一节 拱的结构特点与优缺点
钢筋混凝土门式刚架 梁高可按连续梁确定，一般取跨度的 1/15~1/20，但不宜小于250mm； 柱底截面高度一般不小于300mm，柱顶 截面高度则为600~900mm。 梁柱截面为等宽，一般应大于柱高的 1/20，且不小于200mm. 门式钢架的纵向柱高距一般为6m； 横向跨度以米为单位取整数，一般以3m 为模数，如15m、18m、21m、24m等。
钢刚架结构 钢刚架结构分为实腹式和格构式两种。 实腹式钢架适用于跨度不很大的结构， 常做成两铰式结构。当为两铰或三铰刚 架时，构件应为变截面。 实腹式刚架的横梁高度一般可取为跨度 的1/12~1/20。 格构式刚架结构的适用范围较大，有刚 度大、耗钢省等优点。 跨度较小时可采用三铰式结构，跨度较 大时可采用两铰式或无铰结构。格构式 刚架的梁高可取跨度的1/15~1/20。
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5.3 设计基本方法
第五章 薄壳结构
5.3.1 计算假定 5.3.2 计算方法 ■如前述，悬索结构是几何非线性结构，对于计算分析来说， 增加了难度，但对于受力来说却是有利的—受荷过程=自动 调节的过程。 ■目前的计算方法主要是离散方法（有限元方法）和解析方 法。 a. 离散方法：将结构离散成许多的单元，索单元，梁单元 等，并建立相应的控制方程，平衡方程，物理方程，变形协 调方程。离散以后的未知数很多，需要用计算机来求解—有 限元方法。有限元方法的适应性，稳定性和精度均较好。 b. 解析法：需要对结构进行连续化处理，使其与某种形式 的结构等价，比如拟板，拟壳等方法。
■
单索的计算
5.1 概述
第五章 薄壳结构
第五章 索结构
5.2 受力特点 主要和悬索结构的柔性特点有关。 a. 需要环向支承，拉索的拉力需要通过环向支承传递到下部结 构； b. 结构形状和荷载有关； c. 风荷载是主要考虑的荷载类型，因为索结构是柔性结构，结 构的基频比较低，一般在1.0Hz以下； d. 雪荷载对结构影响也很显著，因为索结构对偏载的情况比较 敏感； e. 需要考虑预应力对结构刚度的影响，因为预应力是悬索结构 的基本条件； f. 一般情况自重比活载和风荷载雪载等为小。
第五章 薄壳结构
成都野生动物世界表演场的结构方案
5.1 概述
第五章 薄壳结构
张拉整体结构（气球的模拟）
5.1 概述
第五章 薄壳结构
成都野生动物世界表演场最后采用的方案
5.1 概述
第五章 薄壳结构
拱桥——斜拉桥——悬索桥
5.1 概述
第五章 薄壳结构
日本明石海峡大桥——1999年建成，1991米 跨度
5.2 受力特点
第五章 薄壳结构
初始预应力的设定 a. 经验基本采用拉索强度设计值的40%以下； b. 存在预应力重新分布的问题，在实际设计计算中需要做 很多的调节才能达到预应力的均匀分布， 在有些情况下预应力的调节是比较有难度的， c. 完成拉索强度设计值的确定和预应力的调节以后，即初 始态设计以后，即可开始荷载态设计，计算结构在各种荷 载，外力作用和温度变化等条件下对拉索和支承结构的内 力及变形分析。应当使内力的最不利组合不超过容许应力 值。
5.1 概述
第五章 薄壳结构
上海南浦大桥跨度453米。
5.1 概述
第五章 薄壳结构
Georgia Dome 内侧
5.1 概述
第五章 薄壳结构
Georgia Dome 外侧
5.1 概述
第五章 薄壳结构
日韩世界杯足球场
5.1 概述
第五章 薄壳结构
双曲面索网
5.1 概述
第五章 薄壳结构
横向加劲构件的索网
■
5.2 受力特点
第五章 薄壳结构
5.3 设计基本方法 ■应注意的两个问题： a. 确定仅有自重作用时钢索的初期结构状态— 初始态设计； b. 在上述初始态条件下，结构承受各种荷载，外力的作用或 温度的变化，钢索及其支承结构由此产生内力和变形，结构 体系要有足够的安全度，不会导致失稳及影响装修等正常使 用—荷载态（终态）设计。 荷载组合
第五章 薄壳结构
第五章. 索结构
本次课内容：悬索结构的形式和特点;受力特点 ;设计基 本方法。 5.1 悬索结构的形式和特点
悬索
支撑结构
5.1 概述
第五章 薄壳结构
■悬索结构：一系列受拉的索作为主要承重构件，这些索按照
一定规律组成各种不同的形式的体系，并悬挂在相应的支撑结 构上。 ■拉索一般采用材料：钢铰线，钢丝绳，钢丝束。 ■索结构的优点： 1、通过拉索的拉伸来承受外荷载，可以充分利用钢材的强度。 但需要昂贵的锚固结构来保持索的预应力。 2、单位面积的重量很轻，一般结构重量在10公斤/m2 左右。 3、支撑部分耗费材料多。 4、施工方便。不需要大型起重设备，没有模板。 5、满足丰富的建筑造型。 ■悬索结构的历史： 古代； 现代因为材料技术的进步和对大跨度结构的需求增加， 悬索结构获得可观的发展。 工人体育馆是典型的拉索结构。
5.3 设计基本方法
第五章 薄壳结构
■悬索结构的变形限制：
目前没有明确的规定，基本依 靠经验。但需要明确的是，变形不能影响装修和正常使 用。另外还需要研究直接受拉索影响的钢索锚固端和支 承结构的变形，位移和转角等。 悬索结构对横向力比较敏感，在低应力的情况下刚 度也比较小，所以风荷载的计算是重要的内容。对于比 较重要的结构和异型结构，必须对结构模型做风洞实验。
5.1 概述
第五章 薄壳结构
索结构基本概念 ■柔索-只能受拉，不能承受压力、弯矩、剪力。 ■劲性索-总体是索，只能受拉，铰和铰之间可 承受压 力、弯矩、剪力。索结构只承受拉力。 ■索结构的形状影响因素-的几何形状与其原始长度、外 荷载大小、分布、预应力有关。
■提高索体系的刚度有三种方法：
①改变几何尺寸； ②改变材料弹性模量； ③施加预应力。 从力学角度看索膜体系是最合理的结构形式。截面上可永无弯 矩。它可自动改变几何形状,使截面无弯矩。 ■从结构角度看尚有些问题需研究解决： ①索锚头需绝对`安全，价格高； ②张拉工艺复杂。施工费用高；③索的单价高。5.1 概述
5.1 概述
第五章 薄壳结构
吉林滑冰馆的索结构
5.1 概述
第五章 薄壳结构
朝阳体育馆的索网组合结构
5.1 概述
第五章 薄壳结构
呼和浩特民航的斜拉索屋盖结构
5.1 概述
第五章 薄壳结构
双层索系
5.索结构形式： 单层索系 双层索系 横向加劲单层索系 ■中国悬索结构的发展 鞍形索网 a.中国最早的现代索结构：北京工 组合式悬挂屋盖 人体育馆，浙江人民体育馆。 斜拉式屋盖 b. 结构形式的发展 索拱体系 c. 理论与实验研究
5.3 设计基本方法
第五章 薄壳结构
这种方法对于简单的小型结构是有效的，但对于大型复 杂结构显然是不可能求解的。 以上的两种方法各有利弊，可能的情况下最好同时使用， 以便相互映证。
深圳市民中心民俗博物馆玻璃屋顶的计算例子
5.3.3 悬索结构的有限元分析方法 基本的思路是对每一个节点建立三个平衡方程，联立方程，求 解。悬索结构的很多单元都是按照这样的思路推导的，只是单 元采用的形函数有所不同。 解题采用的方法主要是牛顿法，改进的牛顿法和荷载增量法等， 这属于计算方法的内容。