索结构工程设计实例分析与索结构特点
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。
索膜结构罩棚工程施工技术案例分析
索膜结构罩棚工程施工技术案例分析摘要：体育场索膜结构罩棚钢结构部分采用大跨度悬挑斜拉索结构体系的开敞式新颖结构形式。
看台顶棚钢结构为斜拉索加钢管桁架结构体系，由于悬挑较长且为开敞式，故弯矩大受风荷载影响明显加之沙漠地区风荷载更加明显，深化设计中活荷载取0.3km/m2风荷载取0.55km/m2，雪荷载取0.3km/m2。
与主体钢结构对应，膜顶棚由29个马鞍形膜单元组成，峰谷鲜明，矢高2.5m，每个膜单元面积约100m2，每个膜单元之间天沟连接相邻单元天沟间防水膜覆盖。
由于膜材是一种柔性织物，要想作为一种建筑材料具有一定的造型，必须给其施加一定数值的预张力，可以通过膜节点索的调节从而使预张力达到设计要求。
本工程膜结构形式为张拉膜形式，沿径向硬边用螺栓与铝压板与主体钢结构桁架梁连接，檐口采用弧形软边钢索张拉，硬边的安装过程同时也是沿经线方向张拉的过程，硬边安装完成后要达到受力要求。
关键词：非线性；有限元；大跨度悬挑；卸载1 工程概况张掖国家沙漠体育公园位于甘州区城南13km处，东南宽 4.3km，南北长11.4km，总面积35km2，是全国距离城市最近的沙漠体育公园，公园国际赛车场占地面积约60000m2，按国际标准赛车场设计，主看台坐北向南，为极富动感的圆弧造型，面向沙漠，背靠绿洲，视野开阔，长170m，宽22m，设有3000个坐席，看台上方的风雨罩棚为索膜结构，膜棚为时尚浅黄色，与沙漠浑然一体。
整体投影面呈月牙造型，流畅、美观。
索膜结构罩棚投影面积2059m2，展开面积2326m2。
钢结构为钢管柱主支撑，悬挑变载面钢管桁架梁，桁架梁之间连接圆弧热钢管连系梁，相贯线焊接。
悬挑桁架梁与钢管柱通过Φ20柔性钢索张拉连接，悬挑桁架檐口相对标高12.7m，工程最高相对点标高24.6m超过24m，悬挑梁最长处悬挑16m，属长臂悬挑桁架梁，弯矩较大给结构施工带来很大难度，钢管柱采用Φ530mm×16mm，Q345B热钢管，桁架梁上下弦杆均采用Φ180mm×6mm 垫钢管，腹杆采用Φ60mm×3.5mm。
第8章_悬索结构
gl2 M 0 H 8f f
gl VA VB 2
6
第八章 悬索结构
8.2悬索的受力与变形特点
8.2.2 索的拉力
H N cos
N min gl H 8f
2
索的轴力在支座截面（
在跨中截面（ 0 ）时为最小。 索的拉力与跨度l的平方成正比，与垂度f成反比。
7
值最大）为最大，
吉林滑冰馆屋盖结构形式
22
第八章 悬索结构
8.3悬索的结构形式
8.3.2 双层悬索体系
2.双曲面双层拉索体系
成都市城北体育馆钢索布置
23
第八章 悬索结构
8.3悬索的结构形式
8.3.3 双叉索网体系：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，下凹索承重、上凸索为稳定索。
第八章 悬索结构
8.2悬索的受力与变形特点
8.2.3 悬索的变形----索的变形随荷载的不同而改变
8
第八章 悬索结构
8.2悬索的受力与变形特点
8.2.3 悬索的变形----索的变形随荷载的不同而改变 1. 悬索是一个轴心受拉构件，既无弯矩也无剪力。
2. 悬索承受单个集中荷载，形成三角形；
3. 悬索承受多个集中荷载，形成索多边形； 4. 悬索自重作用时，处于自然悬垂状态，为悬链线； 5. 悬索承受均布竖向荷载，形成抛物线； 6. 悬索承受的竖向荷载自跨中向两侧增加时，形成椭圆。
8.3悬索的结构形式
8.3.1 单层悬索体系
两 跨 悬 索 结 构
某体育馆主体结构示意图
13
第八章 悬索结构
8.3悬索的结构形式
8.3.1 单层悬索体系
建筑索结构的类型及其应用
建筑索结构的类型及其应用论文
索结构是一种特殊的建筑结构，它具有独特而多样的结构形式。
一般来说，从结构形式上可将索结构分为由桥式索、斜角桥式索和悬索结构三种类型。
其中，桥式索是一种最早出现的索结构，其具有结构件低成本、自重轻、安装简单快捷等优点，可用于高架路、大跨度索桥和水上桥梁等地方。
斜角桥式索索具有一定的灵活性，能够提供较大的空间，可用于停车场、学校体育场和公园的建造。
悬索结构则具有较强的耐久性，常用于桥梁、大跨度楼宇以及多种形式的公路桥梁。
除此之外，索结构还有广泛的应用。
其中一个重要应用就是索桥，它可以支持较大跨度，同时也可以减少建筑物承受的压力，因此能够提高建筑物的耐久性。
此外，索结构也可以将多个建筑物联系起来，从而节省土地和重新建造更巨大的结构面积。
另外，索结构可以被用于室内设计，如高架屋顶、广场和酒吧的围栏、帐篷和阳台的支架等。
总而言之，索结构是一种具有很多应用的创新结构形式。
它具备独特的结构形式，包括桥式索、斜角桥式索和悬索结构，可用于大跨度的桥梁、宽敞的停车场和公园等地。
它的应用也很广泛，可以为桥梁、屋顶、围栏、支架等设计提供便利，同时也可以节省土地和重新建造更大的结构面积。
因此，索结构是一种非常有价值的建筑结构形式。
2012年一级建造师《建筑》：悬索结构
悬索结构
悬索结构，是⽐较理想的⼤跨度结构形式之⼀，在桥梁中被⼴泛应⽤。
⽬前，悬索屋盖结构的跨度已达160m，主要⽤于体育馆、展览馆中。
悬索结构的主要承重构件是受拉的钢索，钢索是⽤⾼强度钢绞线或钢丝绳制成。
1）悬索结构的受⼒特点
悬索结构包括三部分：索、边缘构件和下部⽀承结构。
索⾮常柔软，其抗弯刚度忽略不计。
索的形状随荷载性质⽽变。
索是中⼼受拉构件，既⽆弯矩也⽆剪⼒。
⽔平反⼒为H，⽅向是向外的。
索的拉⼒取决于跨中的垂度，，垂度越⼩拉⼒越⼤。
索的垂度⼀般为跨度的1／30.索的合理轴线形状随荷载的作⽤⽅式⽽变化。
2）悬索的类型及实例
悬索结构可分为单曲⾯与双曲⾯两类。
单曲拉索体系构造简单，屋⾯稳定性差。
双曲拉索体系，它由承重索和稳定索组成。
⽀承结构可以有很多种，如框架、拱等。
北京⼯⼈体育馆，为圆形悬索结构，可容纳15000名观众。
⽐赛⼤厅直径94m，周围为四层框架结构，宽7．5m，主要为附属⽤房及休息廊。
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
索承桥的受力特性及结构特点
索承桥的受力特性及结构特点摘要:从结构构造和力学特点两个方面进行对比分析,得出斜拉桥随着跨径的增加, 拉索与主梁的夹角逐渐变小,竖向有效分力也随着变小, 因此, 斜拉桥的跨越能力会受到限制,推导了最佳的高跨比范围; 悬索桥吊杆与加劲梁是垂直或斜向交叉,不会随着跨径加大而受影响, 悬索桥比斜拉桥的跨越能力更大.关键词:斜拉桥; 悬索桥;受力特性;结构特点近几年来, 随着我国科学技术的进步, 桥梁建设事业得到了飞速发展, 有关大跨径桥梁的设计理论也得到了进一步完善. 在现代桥梁中,索承桥特别适用于大跨、特大跨桥梁, 目前还没有其它类型桥梁的跨度能超过它们. 从目前工程实际运用来看, 索承桥主要包含斜拉桥、悬索桥以及两者的组合.随着索承桥在工程中的运用越来越广泛,深入研究剖析其受力与结构特点, 有助于我们提高认识、完善其设计理论,具有重大意义.1 斜拉桥的构造分析1. 1 斜拉桥的总体构造斜拉桥的特点是依靠固定于索塔的斜拉索支承梁跨,梁是多跨弹性支承梁,梁内弯矩与桥梁的跨度基本无关, 而与拉索的间距有关. 斜拉索直接锚于主梁上, 称自锚体系,拉索承受巨大拉力, 拉索的水平分力使主梁受压, 因此塔、梁均为压弯构件. 由于斜拉桥的主梁通过拉紧的斜索与塔直接相连, 增加了主梁抗弯、抗扭刚度,在动力特性上一般远胜于悬索桥.1. 2 斜拉桥的拉索构造斜拉桥主要组成部分为拉索、主梁及索塔. 拉索纵向布置分为四种形式:辐射形、竖琴形、扇形和星形. 辐射形的特点是所有拉索集中于塔顶,使各根拉索具有可能的最大倾角, 因些拉索效率发挥最好,拉索用钢量最少, 其主要缺点是拉索汇交到塔顶, 构造处理比较困难;竖琴形用钢量最大,但索不会交叉, 比较美观、整齐;扇形介于辐射形与竖琴形之间, 索在塔处的锚固间距尽量小, 主要满足锚头布置与张拉空间要求; 星形布置的唯一特点是边跨拉索锚于梁端,可以增大桥梁的整体刚度. 每根拉索包括钢索、锚具和过渡段三部分. 钢索承受拉力,设置在两端的锚具用来传递拉力. 过渡段埋设在塔和梁的内部, 用于密封穿过梁和塔体内的钢索, 且不与混凝土接触.钢索宜采用抗拉强度高、疲劳性能好、弹性模量大和截面密度大的高强钢丝制成, 目前主要有三种类型: 封闭钢索、平行高强钢丝索、平行纲绞线索.我国采用的锚具主要有两种型式: 冷铸墩头锚(主要用于平行钢丝索)和夹片群锚(主要用于平行钢绞线索).1. 3 斜拉桥的主梁特点主梁类型主要有钢主梁, 混凝土主梁, 钢、混凝土结合梁, 钢、混凝土混合梁四种. 其中钢主梁的主要特点是重量轻、跨越能力大, 构件可在工厂制作, 质量可靠,便于安装, 施工速度快,养护工作量大. 混凝土主梁的特点是: 刚度大,挠度小, 阻尼效果好, 混凝土自重大,抗振动性能较好.结合梁是在钢主梁上用混凝土桥面板代替正交异性钢桥面板, 除有钢主梁的特点外, 与钢主梁相比,能节省钢材用量, 且其刚度大, 抗风稳定性好,能分担斜索的水平分力, 自重比钢主梁大, 与混凝土主梁相比, 主梁轻,结构简单, 施工速度快.混合梁是指在中孔大跨以钢梁为主,两侧边跨采用预应力混凝土梁. 这种结构加大了边跨主梁的刚度和重量,有利于减小中跨内力及变形, 能减小或避免边跨端支点负反力. 主梁在塔墩上支承体系主要有四种: 支座支承体系、塔梁固结体系、刚构体系、悬浮体系.1. 斜拉桥的索塔构造索塔承受塔自重、拉索、主梁及桥面系的恒载与活载.索塔可以是钢结构或钢筋混凝土结构. 索塔的结构型式, 根据拉索布置、主梁跨度、桥面宽度等因素确定.常用的索塔形式在顺桥方向有柱型、A 型和倒Y 型等. 在横桥方向常用的索塔型式有单柱式、双柱式、门式、A型、H型及钻石型等. 拉索在塔上的锚固型式主要有三种: 鞍座型式、交叉锚固型式、拉索对称锚固型式.2 斜拉桥的受力特性分析2. 1 斜拉桥的力学计算特点斜拉桥是一个空间结构,为便于计算, 一般按平面结构处理, 而用横向分布系数计入空间. 根据结构构造特点, 可以用杠杆原理法或偏心受压法等适合的计算方法计算横向分布系数. 对于平面结构,用有限元法按线弹性结构进行分析, 因此内力叠加原理成立. 拉索的内力与变形存在非线性关系, 用修正弹性模量的方法处理后, 拉索仍可按弹性杆件对待,且引起的误差很小. 对于较大跨度的斜拉桥, 则要计入非线性影响,处理方法是在线弹性结构分析的基础上, 对控制截面的内力或变形, 追加非线性影响.2. 2 斜拉桥的力学计算原理斜拉桥的恒载内力计算比较复杂,一期恒载内力不仅与安装顺序有关,还取决于张拉索力. 在恒载下的拉索松驰,混凝土徐变使计算更趋复杂.确定恒载索力方法主要有连续梁法、弯曲能量最小法和弯矩平方和最小法、优化方法、人机对话确定索力.连续梁法是指结构在各施工阶段完成后, 在一、二期恒载作用下, 主梁内力与以拉索锚固点为主梁刚性支点的连续梁内力接近.弯曲能量最小法是用结构的弯曲余能作为目标函数, 令其对索力的偏导为零.优化方法是结合上述两种方法,建立目标函数,用数学规划法解出满足索力约束条件下的弯曲能量最小时的施调索力. 为确定最佳索力方案, 可通过人机对话确定索力. 即先选定成桥状态初始索力. 计算初始索力及恒载下控制截面的内力与变位.计算活载等引起控制截面内力及索力.综合分析计算结果, 根据力学及桥梁知识,修改成桥状态下初始索力或梁塔控制截面弯矩或变位值,直到满意结果为止.2. 3 斜拉桥的力学计算步骤确定施工阶段张拉索力的方法一般有以下几种:倒拆法、正算法.倒拆法的计算过程:( 1)每拆一对索及相应主梁节段,在拆去单元后的节点处加上大小相同、方向相反的节点力;( 2)按拆去单元后的结构状态及所加节点力,进行结构分析, 就得到节点力引起的各索索力;( 3)拆单元前的各索索力加上节点力引起的索力,得尚未拆除索的索力;( 4 )下一阶段待拆拉索的张拉力即为由( 3)所得的索力.正算法采用与斜拉桥方式相同的顺序,依次计算各阶段架设时结构的施工内力和位移.3 悬索桥的构造分析悬索桥主要由主缆、加劲梁、吊索、索塔、锚锭和鞍座六部分组成. 悬索桥大都采用双面主缆, 由平行高强钢丝组成. 主缆分束股是为了便于架设和锚固.每根束股由几十根, 乃至几百根单根平行钢丝组成, 由于架设方法不同, 可分为空中纺线法和预制钢丝束股法两种.加劲梁的结构型式主要有两种:钢桁梁和扁平钢箱梁. 吊索也称吊杆, 有直吊索和斜吊索两种. 斜吊索比直吊索有以下特点:和主缆、加劲梁一起起到桁架作用, 能提高桥的整体刚度; 结构振动衰减性能好;在主跨跨中附近, 活载产生应力变化幅度大, 易引起疲劳问题; 吊索容易松弛. 吊索与主缆的连接方式有鞍挂式和销连接式两种.索塔是支承主缆的重要构件,其型式分顺桥方向和横桥方向. 材料一般由混凝土或钢构成. 锚碇是主缆的锚固体,与索塔一样是支承主缆的重要部分,它将主缆的拉力传递给地基. 锚碇一般由锚碇基础、锚块、主缆的锚碇架及固定装置、遮棚等组成. 锚碇的型式可分为重力式和隧道式. 重力式锚块是最常用的型式,依靠混凝土重量来抵抗主缆的拉力.隧道式锚块用于坚固、节理少的基岩外露的情况, 是把岩石凿隧洞,其内埋入锚碇架, 然后填充混凝土抵抗主缆拉力. 悬索桥鞍座早期都为大型铸钢构件, 现代鞍座改用焊接钢结构, 比较轻型.主缆支架鞍座主要功能是改变主缆方向, 并把主缆的钢丝束股在水平及竖直方向分散开来,然后把这些钢丝束股引入各自的锚固位置. 悬索桥的受力特性分析悬索桥在恒载作用下,主缆、主塔承受结构自重,加劲梁受力由施工方法而定. 成桥后, 主缆和加劲梁共同承受外荷作用, 受力按刚度分配.主缆是结构体系中的主要承重构件,其形状直接影响到整个体系的受力分配和变形,主缆的主要受力特征如下: ( 1)几何可变体, 主要承受张力.主缆可通过自身几何形状的改变来影响体系平衡, 具有大位移的力学特征. ( 2)主缆在恒载作用下具有很大的初始张拉力,使主缆维持一定的几何形状. 初始张拉力对后续结构形状提供强大的重力刚度!, 这是悬索桥跨径得以不断增大、加劲梁高跨比得以减小的根本原因.主塔在外荷载作用下的受力特征可表现为两种形式: ( 1)横载状态下, 主塔基本无弯曲内力; ( 2)恒、活载及地震荷载作用下, 主塔正负弯曲包络图基本对称或正负弯矩包络按某一比例分配.加劲梁的受力特性按不同的施工方法,可表现为两种情况: ( 1)一期恒载作用下,加劲梁段呈简支梁弯矩分配; 二期恒载作用下, 加劲梁承受与主缆共同作用下的弯曲内力; ( 2)加劲梁的弯矩根据使恒、活载作用下其应力分布趋于合理的标准人为确定.5 结语本文对两种常用的索承桥的结构构造和受力特点展开了分析,并从受力性能上作了比较,揭示了悬索桥与斜拉桥跨越能力的内在特点, 为进一步认识、研究和设计这两类大跨度桥梁,提供了理论基础.参考文献:[ 1] 姚玲森. 桥梁工程[M ]. 北京: 人民交通出版社, 1993: 20- 5.[ 2] 裘伯永. 桥梁工程[M ]. 北京: 中国铁道出版社, 2000: 300- 3 0.[ 3] 项海帆. 高等桥梁结构理论[M]. 北京: 人民交通出版社, 2000: 302- 315.[ ] 李文静, 张坤.斜拉桥动力特性分析[ J]. 四川理工学院学报:自然科学版, 2008( 5): 105- 107.[ 5] 李小珍, 强士中.大跨度悬索桥施工计算初始空缆状态确定的新方法[ J]. 中国铁道学会桥梁工程委员会学术交流会论文集, 1997(11): 628- 635.[ 6] 田启贤. 悬索桥非线性结构分析[ J]. 桥梁建, 1998( 2): 63- 66.[ 7] 罗韬,胡道华,肖伦斌.几何非线性空间杆系有限元程序开发[ J]. 四川理工学院学报:自然科学版, 2008( ): 115- 118.。
建筑结构第七节悬索结构
错开布置，构成波形屋面
（3）、双曲面双层拉索索系
上索既是稳定索，又直接承载 a)双层内环梁 b)双层外环梁 c)双层内外环梁 d)单层外环梁网状布置 e)双层外环梁网状布置
3、预应力鞍形索网
• 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。 • 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。
a)
四、悬索结构的尺度
• 主要是承重索的垂跨比与稳定索的拱跨比， 其各体系适宜的尺度如下：
五、悬索结构工程实例
1 、安徽省体育馆
2、北京奥林匹克体育中心综合 馆
• 该屋盖平面尺寸为80m×112m。屋盖结构由三部 分组成：一为两榀 • 双层圆柱面网壳，采用斜放四角锥结构体系；二为 设置在中间屋脊 • 部位的立体桁架，作为网壳一边的支座；三为8对 共16根斜拉索。
2、预应力双层悬索体系
• （1）、一般形式：平行布置，辐射布 置，网状布置 • 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1/201/15 ， • 稳定索拱跨比一般取1/201/25
（2）、平行索系 • 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，也可错开布置，构成波形屋面
二、悬索结构的特点
1、悬索结构的优点 (1)、悬索结构受力合理，用料经济 (2)、施工便捷、施工设施简单 (3)、适应性强，造型美观 (4）、与桁架、钢架、拱和网架等常规结构相比， 悬索结构有以下特点：a 悬索的荷载与位移、荷 载与索力的关系曲线呈非线性，是动态变化的， 计算悬索结构要采用几何非线性理论。 b 悬索是一种可变体系，其平衡形式随荷载分布 方式而变化。
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索结构工程设计实例分析与索结构特点作者：屈明来源：《科技创新导报》 2011年第21期索结构工程设计实例分析与索结构特点屈明（天津市铁道部第三勘察设计院建筑分院天津 300457）摘要：阐述张弦梁结构的基本概念，引用具体实例说明张弦梁结构的设计方法。
其次介绍了索的刚度和索结构的三种受力状态。
关键词：张弦梁结构索结构刚度预应力三种受力状态中图分类号：TV73 文献标识码：A文章编号：1674-098x(2011)07(c)-0000-00大跨度张弦梁结构是近十余年来快速发展和应用的一种新型大跨空间结构形式。
结构由刚度较大的抗弯构件(又称刚性构件，通常为梁、拱或桁架)和高强度的弦(又称柔性构件，通常为索)以及连接两者的撑杆组成;通过对柔性构件施加拉力，使相互连接的构件成为具有整体刚度的结构。
天津站无站台柱雨棚的主体屋架结构就是张弦梁结构,其最大跨度为48.525m。
雨棚分东西两部分，西侧雨棚宽度为147m，长度为213m，纵向设温度缝一道，分为2个温度区段；东侧雨棚宽度为253.5m，长度213m,纵向设温度缝两道,分为3个温度区段。
雨棚纵向共有20榀刚架，榀间距为20m。
每一榀刚架又由五连跨横向5榀张弦梁刚架组成，跨度从南到北分别为48.525m,41.1m,41.95m,41.95m ,39.5m。
刚架的纵向平面外稳定由屋面的支撑系统保证。
刚架梁为张弦梁，柱为圆钢管混凝土柱，规格为。
柱顶标高9.5m,通过四棱锥状的分叉柱与张弦屋架铰接连接，锥角为，锥体高度为3.3m，分叉柱与张弦屋架以销轴形式实现理想铰接。
分叉柱为圆钢管，直接过渡成锥形钢管。
张弦梁屋架中上弦为拱形桁架结构，拱顶标高15.9m.矢高3.1m。
预张力索为低松弛冷拔钢丝束，强度设计值1670，直接充当屋架的下弦，外形是一条下凹的抛物线，垂跨比接近1:30.索与拱形桁架之间通过“V”字状的竖腹杆连接。
拱形桁架弦杆为圆钢管，腹杆为圆钢管。
V”字状的竖腹杆为圆钢管。
索一方面充当受拉的下弦结构单元，另一方面又通过竖腹杆对刚性的上弦施加了与主要外部荷载作用效应相反的预张力，提高了上弦构件的承载能力。
刚性的上弦截面提供了结构的竖直向平面内刚度；下弦铰接节点平面外的刚度由下弦预张力刚度予以保证，结构体系为半刚性结构。
这种索与拱形桁架的组合结构体系组合了索结构和拱结构两种结构的优点。
索增加了拱的平面内稳定性能，同时又减少了拱的水平推力；拱提高了索的平面内刚度，有效减小荷载作用下，结构的变形。
与常规刚性屋盖相比，用钢量大大节省。
由于整个屋面体系由平面屋架通过纵向交叉支撑连接形成的，结构在竖向荷载作用下，可以取一榀结构进行分析。
下面仅以GJ1为例介绍该体系初始张拉力确定、荷载作用下的力学性能，动力特性和纵向地震作用下取整个结构体系计算。
所采用的结构分析软件为MIDAS。
GJ1计算模型如图所：单榀：整体：1 荷载工况与组合1.1 荷载工况（1）永久荷载：0.6KN/m2(屋面、檩条及吊挂)，拱形桁架上节点荷载：0.52x17.1x3=28KN（2）可变荷载：○1屋面活荷载：0.5KN/m2○2屋面雪荷载：0.4 KN/m2因活荷载不与雪荷载同时考虑，且大于雪荷载，故取0.5KN/m2.○3风荷载：基本风压：0.5KN/m2, 风压高度变化系数0.74,阵风系数1.84, 体型系数-1.3、-0.7，左半跨 -0.89 kN/m2，右半跨 -0.48 kN/m2（3）地震荷载：设防烈度为7度，设计基本地震加速度0.15g,设计地震分组第一组，建筑场地类别为III类。
（4）温度荷载：考虑30度的降温和升温。
1.2 荷载组合（1）恒+活+升温（2）1.2恒+1.4活+0.98升温（3）（1.2恒载+1.2×0.5雪荷载+1.3×X水平地震）×0.75（4）（1.2恒载+1.2×0.5雪荷载+1.3×Y水平地震）×0.75（5）1.2恒载+1.2×0.5雪荷载+1.3×Z竖向地震（6）(1.2恒载+1.2×0.5雪荷载+1.3×x水平地震+0.5×竖向地震)×0.752 初始状态分析屋盖结构为半刚性结构体系，初始状态预张力的分布和大小对结构的整体刚度、稳定、极限承载力至关重要。
索结构初始张拉力的确定需满足以下几点要求：（1）初始张拉力施加完成之后，结构几何与图纸几何尽可能接近（2）预张力的大小和分布应使结构在荷载作用下能满足规范规定的承载能力极限状态和正常使用极限状态的要求，索不出现松弛。
本工程结构分析时假定零状态几何为图纸几何。
经多次试算，最后确定在考虑结构自重情况下，下拉索作为主动索施加至235KN的预张力。
初始状态单元轴力分布如图一所示，图一拱梁轴力在[-86KN,-121KN]之间，分布非常均匀；拱梁初始弯矩分布图如图二所示，图二几乎没有弯矩。
结构自零状态至初始状态的变形如图三所示。
图三相对于图纸几何，拱梁跨中下挠6mm.这样的偏差是建筑师所能接受的范围。
3 动力特性3.1 动力特性结构动力特性的计算应建立在荷载状态的基础上，结构的刚度应取施加初始状态预张力后、在地震作用重力荷载代表值（1.0恒荷载+0.5活荷载）作用下的刚度，计算结果如图四所示：图四计算所得结构的第一阶振型为整体纵向振动，周期为1.69S,对应的质量参与系数为83%，与III类场地的卓越周期相差较远，因此屋盖结构地震反应并不剧烈，同时结构平面外刚度较弱，合理的屋面支撑体系布置和刚度是至关重要的。
4 荷载状态分析4.1 位移在荷载组合1：（恒+活+升温）作用下，结构向下位移为42mm(相对于初始状态)。
如图五所示，图五按照《钢结构设计规范》GB50017的要求，对于大跨度无吊车和无吊顶屋盖的挠度容许值可取跨度的1/400，即L/400=113mm,最大位移满足要求。
5 验算结果最大稳定应力如下表格所示：主要杆件最大应力杆件名称截面最大应力（N/mm2）柱子Φ750x30-128柱上分叉椎管Φ450~300x20-116上弦Φ377x14191拉索Φ5x139593，468撑杆Φ159x10-12上弦撑杆Φ159x10-28檩条H400x200x6x8129檩条撑杆Φ60x3.51406 本人通过了该工程的参与设计，对索结构的刚度、索结构三种工作状态颇有心得，写出来想与大家共同学习。
6.1 索结构的刚度索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。
同样一根索，索中拉力不同，其刚度也不同。
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：一是材料刚度；二是几何刚度。
6.1.1材料刚度索的材料比较柔，其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，索的材料有钢丝束和钢丝绳两种。
○1钢丝束索由单股高强度钢丝或钢绞线按平行或半平行方式扭绞而成。
高强度钢丝的直径一般为5mm和7mm。
○2钢丝绳索用高强度钢丝直径小于5mm，是由钢丝束形状的截面围绕绳芯扭绞而成，绳芯可采用纤维芯或钢芯。
材料刚度非常小，设计中可忽略。
6.1.2 几何刚度几何刚度是由于拉索中预应力对结构产生的刚度贡献，通常讲索对结构的刚度贡献就是指这部分刚度。
刚度贡献包括截面刚度和应力刚度两方面。
这两种刚度使得索结构具有与传统结构不同的两个特点。
（1）索结构中可以存在机构或瞬变自由度。
索单元的截面刚度仅是轴向的，但其应力刚度是空间三向的，索结构中可以容许截面刚度为零而应力刚度非零的机构自由度或瞬变自由度存在。
（2）索单元的截面刚度是常数，应力刚度是变化的。
索只能受拉，不能受压，受压就退出工作，所以，索结构本质上是一种非线性结构体系，但索结构又根据不同的自由度方向存在不同比例的截面刚度和应力刚度，可分为刚性结构、半刚性结构、柔性结构。
当索结构中各个自由度方向均存在截面刚度，主要特征呈线性变化，此种索结构为刚性结构；当索结构中大部分自由度方向仅存在应力刚度，刚度较小并呈现明显的非线性特征，此种索结构为柔性结构；当索结构中部分自由度方向存在截面刚度，而其他自由度方向仅存在应力刚度时，此种索结构为半刚性结构。
6.2 索结构的三种状态索的几何刚度怎样实现呢？索结构分析中有三种状态：零状态、预应力状态（初始态）、荷载状态（工作态）。
（1）零状态是受力分析时刚建好的模型，搭设支撑体系，安装钢结构构件和被动索，此时的状态为零状态（2）预应力状态（初始状态）就是结构受外荷载之前，张拉主动索，撤除支撑体系，形成自平衡的预张力结构体系的真实状态；也就是建筑施工刚完毕之后的状态。
此时的索是绷紧的，此时的索力就叫拉索的预应力。
这个状态结构是稳定的、平衡的，在此基础上施加一定的荷载之后，结构的变形一般也不会太大，和常规结构几乎没有什么不同。
（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。
零状态包含“分析零状态”和“施工零状态”两种状态。
“分析零状态”是在结构找形分析之前，建立的用于找形分析的初始几何模型。
在这个零状态基础上给拉索一定的初始条件，利用非线性有限元法，通过找形，得到平衡的“预应力状态”，也就得到了索结构的几何刚度。
“施工零状态”是施工单位根据设计院提供的预应力态，把各构件连接起来，还没有开始张拉的状态。
待张拉完毕，拉索的预应力达到设计值后，就得到了预应力状态。
可以看到下面的关系：（1）分析零状态→计算→预应力状态；（2）施工零状态→张拉→预应力状态；分析零状态和施工零状态最终都是得到了预应力状态，但是他们两个却是完全不同的两个概念。
施工单位根据设计院提供的索长和预应力大小等具体数值（预应力平衡状态下的数值），也就是拉索拉紧状态下的数据，反算拉索松弛状态下的长度，即下料长度。
然后将下料长度的索运至施工现场进行施工。
利用下料长度的索，拼装起来的结构就是施工零状态。
施工零状态是很难用软件计算出来的，因为很有可能有些拉索在张拉之前，处于极度松弛状态，就像一根绳子堆在地上一样，这种状态是没法用有限元方法计算的。
所以，分析零状态只是一种处理手法，没有实际工程意义；而施工零状态是施工张拉前的结构状态，具有实际工程意义。