建筑索结构设计
索结构典型工程集(上、下册)
索结构典型工程集(上、下册)索结构典型工程集（上、下册）是一本介绍索结构的经典著作，它通过详细的案例分析和理论阐述，全面展示了索结构工程设计的技术和实践。
下面将从两个方面对该书进行分析：一、索结构的基本原理和设计方法1.索结构的定义和特点索结构是一种利用索（绳、索或钢丝绳）进行支撑和连接的结构形式，它具有轻量、高强、易于构建等特点。
索结构的设计理念是最大程度地利用索的拉力和挠度来支撑和分担结构荷载，从而实现结构的稳定和坚固。
2.索结构的设计原则索结构的设计原则包括：合理布置索的位置和方向、合理选择索的直径和材料、合理设计索结构的连接节点等。
在设计索结构时，必须充分考虑结构的受力特点和应力分布规律，确保结构能够承受外部荷载和环境影响。
3.索结构的设计方法索结构的设计方法主要包括静力分析、模型试验和有限元分析。
其中，静力分析是最常用的设计方法，通过计算索的受力和变形情况，确定结构的稳定性和安全性。
模型试验和有限元分析则可以对设计结果进行验证和优化，提高结构的可靠性和经济性。
二、索结构的典型工程案例分析1.迪拜塔迪拜塔是一座采用索结构设计的超高层建筑，其主体结构采用了多层索结构系统，通过合理布置和连接索，实现了整个建筑的平衡和支撑。
迪拜塔的设计不仅考虑了外部荷载和风荷载的影响，还充分利用了索结构的轻量化和高强度特点，最大程度地提高了建筑的安全性和抗震性能。
2.奥运会主体育馆奥运会主体育馆是一座采用索结构设计的大跨度建筑，其屋面结构和观众席采用了多层索结构系统，通过合理的索结构布局和连接方式，实现了建筑的整体稳定和坚固。
奥运会主体育馆的设计充分考虑了大跨度结构的受力特点和应力分布规律，确保了建筑在承受大风和大雪等外部荷载时的安全性和稳定性。
3.索桥索桥是一种采用索结构设计的特大桥梁，其主体结构采用了多层索结构系统，通过合理的索桥梁布置和连接方式，实现了桥梁的整体稳定和承载能力。
索桥的设计充分考虑了大跨度结构的受力特点和索力传递规律，确保了桥梁在承受车流和地震等外部荷载时的安全性和可靠性。
建筑索结构节点设计标准
建筑索结构节点设计标准建筑索结构节点设计标准是确保索结构安全、稳定和性能的重要环节。
以下是对建筑索结构节点设计标准的详细介绍。
一、节点设计原则1．安全性：节点设计应首先考虑安全性，确保结构在承受各种可能的风、雪、地震等荷载时能够保持稳定。
2．可靠性：节点设计应考虑结构的可靠性，即在正常使用寿命内保持良好状态，不出现疲劳、腐蚀、磨损等问题。
3．经济性：节点设计应在满足安全性和可靠性的前提下，考虑经济性，以降低工程造价。
4．美观性：节点设计应考虑结构的美观性，以满足建筑师和业主对建筑外观的要求。
二、节点类型及特点1．铰节点：铰节点用于连接两根索，允许索在节点处产生相对转动。
这种节点通常具有较高的承载能力和较低的刚度，适用于需要较大转角的结构。
2．刚性节点：刚性节点用于连接两根索，不允许索在节点处产生相对转动。
这种节点具有较高的刚度和较低的承载能力，适用于需要较小转角的结构。
3．半铰半刚性节点：半铰半刚性节点结合了铰节点和刚性节点的特点，允许索在节点处产生一定的相对转动，同时具有一定的承载能力。
这种节点适用于对承载力和刚度都有一定要求的结构。
三、节点设计要素1．连接方式：节点的连接方式应根据索的性质、规格、用途以及结构对安全性和可靠性的要求等因素进行选择。
2．承载能力：节点设计应考虑其承载能力，包括抗拉、抗压、抗剪、抗弯等能力。
承载能力应根据结构所承受的荷载进行计算和分析。
3．刚度：节点设计应考虑其刚度，即节点在受到荷载作用下的变形情况。
过大的变形会导致结构失稳和不舒适感，因此需要在保证承载能力的前提下，尽可能提高节点的刚度。
4．耐久性：节点设计应考虑其耐久性，即节点在长期使用过程中的性能保持能力。
耐久性取决于节点的材料、构造、维护等因素，需要在设计时进行综合考虑。
5．美观性：节点设计应考虑其美观性，以满足建筑师和业主对建筑外观的要求。
美观性可以通过合理的造型、色彩和装饰来实现。
四、节点设计步骤1．明确设计要求：在进行节点设计前，应明确设计要求，包括结构形式、材料、规格、用途等方面的要求。
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。
索结构应用技术
索结构应用技术5.9.1 技术内容（1）索结构的设计进行索结构设计时，需要首先确定索结构体系，包括结构的形状、布索方式、传力路径和支承位置等；其次采用非线性分析法进行找形分析，确定设计初始态，并通过施加预应力建立结构的强度与刚度，进行索结构在各种荷载工况下的极限承载能力设计与变形验算；；然后进行索具节点、锚固节点设计；最后对支承位置及下部结构设计。
（2）索结构的施工和防护索结构的预应力施工技术可分为分批张拉法和分级张拉法。
分批张拉法是指：将不同的拉索进行分批，执行合适的分批张拉顺序，以有效的改善张拉施工过程中结构中的索力分布，保证张拉过程的安全性和经济性。
分级张拉法是指：对于索力较大的结构，分多次张拉将拉索中的预应力施加到位，可以有效的调节张拉过程中结构内力的峰值。
实际工程中通常将这两种张拉技术结合使用。
目前索结构多采用定尺定长的制作工艺，一方面要求拉索具有较高的制作精度，另一方面对拉索施工过程中的夹持和锚固也提出了较高的要求。
索结构的夹持构件和索头节点应具有高强度/抗变形的材料属性，并在安装过程中具有抗滑移和精确定位的能力。
索结构还需要采取可靠的防水、防腐蚀和防老化措施，同时钢索上应涂敷防火涂料以满足防火要求，应定期检查拉索在使用过程中是否松弛，并采用恰当的措施予以张紧。
5.9.2 技术指标（1）拉索的技术指标拉索采用高强度材料制作，作为主要受力构件，其索体的静载破断荷载一般不小于索体标准破断荷载的95%，破断延伸率不小于2%，拉索的的设计强度一般为0.4～0.5倍标准强度。
当有疲劳要求时，拉索应按规定进行疲劳试验。
此外不同用途的拉索还应分别满足《建筑工程用索》和《桥梁缆索用热镀锌钢丝》GB/T17101、《预应力混凝土用钢绞线》GB/T5224、《重要用途钢丝绳》GB8918等相关标准。
拉索采用的锚固装置应满足《预应力筋用锚具、夹具和连接器》GB/T14370及相关钢材料标准。
（2）设计技术指标索结构的选型应根据使用要求和预应力分布特点，采用找形方法确定。
建筑索结构设计
概念、方法和实例张其林同济大学土木工程学院2008年9月22日石、土、木钢筋混凝土钢材索和膜受拉为主充气整体张拉+充气+整体张拉？索的构成和力学性能计算分析中的基本定义q初始状态找形q设计验算中的基本概念q工程实例简介索的构成和力学性能合金钢、不锈钢不锈钢：建筑幕墙结构，直径F12～F60合金钢：建筑主体结构，直径F20～F210强度级别235级、345级、460级、550级和I型锚头LG-abD×L表示拉杆；a、b表示拉杆两端的锚头形式；表示直径；L表示长度。
150mm、长度6000mm、两端锚头均为U型的钢拉LG-UU150×6000。
强度钢丝或钢绞线按平行或半平行方式扭绞而成,强度钢丝的直径一般为5mm和7mm。
: (f)d×N，强钢丝或钢绞线的直径，强钢丝或钢绞线的数量。
)5×7～(f)5×649)7×7～(f)7×649钢芯钢丝绳（6×19）小于5mm可采用纤维钢丝绳，其他建筑应采用钢芯钢丝绳索体的规格一般表示为：N×M股数（不计绳芯）束中高强钢丝的数量钢丝绳的规格范以6×M居多。
绞线经防腐处理后再对索体包裹防护套绞线经防腐处理后包裹防护套或润滑材料加防护套。
：索体可采用简单防护处理索体应采用多层防护处理不同工程不同索材在设计中注明。
料宜选用高密度聚乙烯。
挤压成型索体自锁工成镦头卡在夹板上合金结构钢合金结构钢。
拉索坯件应选用锻件。
符合钢索破断后而锚具和连接件均不能时应通过试验来确定。
为叉耳式、单耳式。
D=AL=LN松弛新索的应力——应变关系为线弹性的，其弹性模量松弛新索经10次循环加卸1.9×105MPa的数量级上，量一般小于钢丝和钢绞线自身的弹性模量。
：弹性模量不应小于1.9×105MPa；弹性模量：单股不应小于1.4×105MPa，多股不应小于1.1×105MPa束的公称截面面积，索体公称破断荷载的95%。
索结构实例一
实例一东海大桥桥头堡三、工作状态分析1. 荷载取值恒载：结构自重+悬挂物重。
悬挂物重为4个2KN的集中荷载，施加于拱跨内。
活荷载：检修荷载取每3米1KN。
风荷载：基本风压0.6KN/m2，地面粗糙度类别为A类，风载直接作用于杆件面，体型系数取0.7。
根据结构布置特性去y正向、y负向、x正向三个风攻角。
温度作用：升温25°C,降温25°C。
地震作用：抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度0.10g；场地类别IV类，设计地震分组一组；阻尼比0.02；按上海规程计算。
2.荷载组合1) 1.20 恒载+ 1.40 活载2) 1.20 恒载+ 1.40 风载3) 1.20 恒载+ 1.40 温度4) 1.20 恒载+ 1.40 风载+ 1.40x0.7 温度5) 1.20 恒载+ 1.40 风载+ 1.40x0.7活载6) 1.20 恒载+1.3水平地震+ 0.5竖向地震四、节点设计节点是钢结构设计的灵魂所在。
节点设计应做到：符合计算模型的受力模式、构造合理、耐久可靠，便于施工安装。
1、半相贯节点景观设计要求拱轴向管与环管为半相贯连接，这种连接方式削弱了节点区的刚度，容易造成应力集中，不利于荷载效应的传递。
由于设计周期很短，无法进行试验验证，只能通过有限元数值模拟指导该节点的构造设计。
ANSYS的有限元分析结果如图所示。
轴向管束造成环管受力较复杂，在相贯线周围出现应力较高区域，局部应力接近钢材屈服应力（345N/m2），所以我们采用了图所示的加强措施，用一段“瓦片状”半管加强轴向管以防其局部受压屈曲，环管中沿环向插入一块加劲板，以减小相贯线部位的应力峰值。
实例二无锡中国纺织采购博览城国际会展中心中厅屋盖三、工作状态分析•荷载1) 永久荷载：– 1.0 kN/m2（包括屋面板、檩条以及吊挂）2) 可变荷载：–屋面活荷载：0.5 kN/m2–屋面雪荷载•基本雪压：0.45 kN/m2 ；屋面积雪分布系数：1.0；考虑满跨和半跨雪荷载。
某大型体育馆拉索幕墙结构计算与分析
某大型体育馆拉索幕墙结构计算与分析发布时间：2021-01-11T07:21:16.539Z 来源：《防护工程》2020年28期作者：丁超[导读] 索结构充分利用较小截面的高强度钢索的抗拉强度实现跨越较大空间。
南京金宸建筑设计有限公司江苏南京 210000摘要：拉索幕墙结构在外荷载作用下有较大变形，结构刚度随位移的变化而不同，设计工作难度较大。
采用SAP2000软件，对某大型体育馆拉索幕墙结构进行非线性有限元计算分析。
结果表明，拉索幕墙结构在各作用效应组合工况下均能满足承载力和变形要求，结构选型合理，可以对类似幕墙结构设计提供参考。
关键词：拉索幕墙；有限元分析；几何非线性索结构充分利用较小截面的高强度钢索的抗拉强度实现跨越较大空间。
索结构与玻璃组成的拉索玻璃幕墙具有大跨度、轻量化、高通透性等特点，受到广大建筑师的青睐，在国内外多个大型公共建筑中得到应用。
索结构存在明显的刚度硬化，其刚度随位移的变化而不同。
【1】索结构是一种柔性结构体系，在外荷载作用下有较大变形，设计计算中必须考虑非线性大变形的影响。
【2】幕墙作为外围护构件，受室内外温度影响，温度变化对索结构应力、位移影响较大。
因此，为了确保工程安全，在设计计算过程中必须充分考虑这些因素。
1.工程概况该体育馆位于江苏省南京市，建筑地上6层，平面近似圆形布置，总建筑面积约12.3万平方米。
自二层起建筑四周外包一圈拉索点支式玻璃幕墙，幕墙顶标高29.5米，幕墙面积约1.5万平方米。
幕墙整体向建筑室外侧倾斜，与水平方向夹角最小值为71.2°，建筑效果如图1所示。
图1 体育馆立面效果图2.幕墙结构选型建筑外围分布有55根支承管桁架钢结构屋盖的钢管柱，紧贴屋盖桁架下口布置有一圈仅供幕墙连接的钢管梁。
幕墙布置在相邻两根钢柱形成的一跨内（如图2所示），共计54跨，跨度范围10.2m~15.2m，幕墙高度范围12.6m~23.3m。
在幕墙结构中，水平荷载起控制作用，且本项目水平方向的跨度相对较小，所以在水平方向沿玻璃水平分格线布置一道道鱼腹式索桁架（如图2所示）。
关于索结构
关于索结构——（1）预应力和三种受力状态徐珂兄在其博客“带座位的体育馆工程设计记录（08）索单元初始张拉力与索内力”中提出了关于拉索初始预拉力的疑问，并在本网站留言，约本人一起参与讨论。
这是一个很好的话题，其实也是很多同行在实际工程设计中比较容易弄糊涂的一个问题。
借此机会，顺便谈谈我的一点个人拙见，供大家参考。
索结构（或者有拉索的结构）不同于常规结构的地方就是拉索初始预应力对结构整体的刚度贡献。
拉索是整体结构中的一根构件，其对结构整体刚度的贡献分为两部分：一是其材料刚度；二是几何刚度；其中，材料刚度像铰接杆件一样，是由于其横截面和材料刚度而产生的，只是由于索的材料比较柔，所以其材料刚度非常小，所以实际分析与设计中是可以忽略不计的。
几何刚度是由于拉索中预应力对结构产生的刚度贡献，平常我们讲索对结构的刚度贡献通常就是指这部分刚度。
索结构、张弦梁、弦之穹顶等结构体系正是充分利用拉索几何刚度对结构整体刚度的贡献。
那么在实际结构分析中，索的几何刚度怎样实现呢？这里我们不妨给出索结构分析中的三种状态：零状态、预应力状态、荷载状态。
这里我不想采用常见专业论文中的术语来描述，那样太容易把大家搅糊涂，所以下面采用我自己的“普通话”来与大家交流。
个人认为：（1）零状态就是受力分析时刚建好的模型，在此基础上我们可以得到结构的真实构件布置和受力状态；（2）预应力状态就是结构受外荷载之前的真实状态；这里有一些不同观点，有人认为是对索施加预应力，受力平衡之后的状态。
我个人认为应该是平衡预应力之后，并考虑结构自重（甚至是恒载）的状态。
（3）荷载状态是在预应力状态的基础上，结构承受外荷载的状态。
这三个状态之间的关系为：零状态是找到预应力态的基础和手段；预应力态是荷载态的基础，结构必须在预应力态上才能施加外荷载。
这里我想多讨论一下零状态和预应力态的实际用途和意义。
（1）零状态是实际工程设计和施工过程中不存在的一种状态。
它只是我们为了得到预应力状态而假定，与预应力状态较为接近的一种拓扑关系。
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概念、方法和实例
张其林
同济大学土木工程学院2008年9月22日
石、土、木
钢筋混凝土
钢材
索和膜
受拉为主
充气
整体张拉+充气+整体张拉？
索的构成和力学性能
计算分析中的基本定义
q初始状态找形
q设计验算中的基本概念q工程实例简介
索的构成和力学性能
合金钢、不锈钢
不锈钢：建筑幕墙结构，直径F12～F60
合金钢：建筑主体结构，直径F20～F210
强度级别235级、345级、460级、550级和
I型锚头
LG-abD×L
表示拉杆；a、b表示拉杆两端的锚头形式；
表示直径；L表示长度。
150mm、长度6000mm、两端锚头均为U型的钢拉LG-UU150×6000。
强度钢丝或钢绞线按平行或半平行方式扭绞而成,强度钢丝的直径一般为5mm和7mm。
: (f)d×N，
强钢丝或钢绞线的直径，
强钢丝或钢绞线的数量。
)5×7～(f)5×649
)7×7～(f)7×649
钢芯钢丝绳（6×19）小于5mm
可采用纤维钢丝绳，其他建筑应采用钢芯钢丝绳索体的规格一般表示为：N×M
股数（不计绳芯）
束中高强钢丝的数量
钢丝绳的规格范以6×M居多。
绞线经防腐处理后再对索体包裹防护套
绞线经防腐处理后
包裹防护套或润滑材料加防护套。
：索体可采用简单防护处理
索体应采用多层防护处理
不同工程不同索材在设计中注明。
料宜选用高密度聚乙烯。
挤压成型
索体自锁
工成镦头卡在夹板上合金结构钢
合金结构钢。
拉索
坯件应选用锻件。
符合钢索破断后而锚具和连接件均不能时应通过试验来确定。
为叉耳式、单耳式。
D
=
A
L
=L
N
松弛新索的应力——应变关系
为线弹性的，其弹性模量
松弛新索经10次循环加卸
1.9×105MPa的数量级上，量一般小于钢丝和钢绞线自身的弹性模量。
：
弹性模量不应小于1.9×105MPa；
弹性模量：单股不应小于1.4×105MPa，
多股不应小于1.1×105MPa
束的公称截面面积，索体公称破断荷载的95%。
力和钢丝绳内钢丝破断力总和两种测定方法，
破断荷载不应低于相应规范规定的最小破断力。
拉索抗拉强度按下式设计或验算：
为拉索的抗力分项系数，取2.0。
k k R f P f f A
g ==
二、索的计算模型
用到两端节点处
线单元。
宜采用能考虑跨中自重的单
元(可考虑人与方向荷载)，通用和专业软件均具有，适用性最强
近似两节点单元(可考虑任意方向荷载)，通用软件不具有，适用于桅杆结构中的拉悬链线单元(仅考虑竖向自重)
通用软件不具有，仅适用于室内
计算分析中的基本定义
析类别
重
索结构的几何
索结构的位移定义
索结构的刚度特征
“索杆体系”和“索梁体系”
结构节点，
变化。
被动索→零状态；
平衡体系→初始状态；
同时考虑自重作用。
张拉主动索至给定值并进行给定主动索力对应的平衡
分析时可不考虑，但应作时考虑。
结构达到的几何。
定的结构几何，是已知的。
几何相吻合、是已知的；零状态几何必须依据图纸几何确定、是未知的。
形与自重效应抵消时,
建立计算模型，
的几何和内力。
与图纸几何吻合→初始状态几何=图纸几何
形较大、或预张力变形与自重效应迭加时，
为结构的初始状态几何，按图纸几何建立计算模型，其两端节点加上主动索力，
确定与图纸几何对应的预张力平衡内力
作状态的位移；
作状态的位移。
位移一> 位移二
位移一<
应以图纸几何为基准；
几何为基准，因为维护面板一
装的。
初始状态几何等于图纸几何时，无论考虑几何外观还是使用位移二作为结构验算时的位移。
零状态几何等于图纸几何时，从几何外观方面考虑，
一；从使用功能方面考虑，位移应取为位移二。
结构设计时，应根据具体的结构体系和施工安装情况选择合适的位移作为结构正常使用极限状态验算时的位移指标。
EA/L 和应力刚度s A/L，
度
空间三向的，
一种非线性结构
、索受压会退出工作。
算的条件：各自由度均存在截面刚度、索始原因：截面刚度比应力刚度高2-3个数量引起的结构内力分布与荷载效应进行迭加。
呈现明显的非线性特征；如平面内）存在截面刚度）仅存在应力刚度。
元
形可能有两种情况。
变形不协调单元:“索”或“杆”单元：不随主动索张拉而同步变形的单元。
变形协调单元:“梁”单元
随主动索张拉而同步变形的单
的主动索预张力值，这一数值必状态的要求。
几何（零状态几何等于图纸几何索张力，计算在主动索张拉力作用下，得到初始状态。
零状态几何必须在初始状态基础上拆除主动索进行非线性计算
四、建筑索结构的分类
性结构
拉梁、悬挂梁：单层索网
网格、弦支穹顶、索穹顶
张力刚度，并且索网一般存在多于因此它是柔性的索杆体系。
提供，在平面内的刚度由截面和预张力分布，因而索网格也可归
顶部和斜拉索结构中的下部由梁系组成，其他部位面外刚度由预张力提供。
梁系刚度很大时
，反之为半刚性结构。
这类结构属于初始
，大部分自由度方向只存在预张力刚度，结构体系由“索构成，所以索穹顶结构是柔性的初始平衡体系。
五、初始状态找形
几何等于初始状态几何）
控制点已知、几何未知）系——初始状态几何等于图纸几何系——零状态几何等于图纸几何
修正几何à索结构
2,3;1,2,,j L k K
=L }{}{}0M N N
F ==[]{}[]{}(){}{}[][][]{}
k k l k k k r l k l l r r r r S I A S S A F A úúú
û
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,00预张力的机构（机构自由度N-r ）定结构一预张力分布组预张力分布
变
索力
()
{}
j
N
网：
——索长度平方和最小ß直接求解索网）——索长度和最小ß迭代求解——索原长最小ß迭代求解段索力至给定值，其他索力等比例改变
等力索网等原长索网。