悬索结构的建筑分类
第八章 悬索结构
第八章悬索结构第一节概述一．悬索结构的发展概况：二．悬索结构的适用范围：60～100M左右的体育馆、展览馆、会议厅等大型公共建筑。
目前，索结构的跨度已达160M。
――三、结构的关键问题：1．屋面刚度――刚柔是完全相对的，但必须做到索柔而屋面刚。
――对于单根柔索。
而多根柔索组合使用。
因此，悬索屋盖必须要有足够的刚度，既能保持其原有形状，又能使各索共同受力工作，且限制屋面变形不能过大，不致使屋面防水层开裂而影响使用。
2．结构的稳定性：柔索只能单向受力，即荷载q必须与悬索的垂度f同向，若反向（如：风吸力、地震荷载等），则其形状立即失去稳定，根本无能力反向荷载，非常危险严重者甚至屋盖局部被掀起或完全揭顶。
因此，刚度与稳定是悬索的首要问题，应二者结合起来予以考虑。
3．共振：风载与地震具有随机性。
悬索自身像绷紧的弦，会产生振动，一旦发生共振，房屋即遭破坏，故必须避免屋盖产生共振。
这个问题在桥梁建筑中尤为重要（――）。
4．悬索结构支座拉力的结构处理：这一问题与拱脚推力结构问题同等重要，若悬索支承拉力无可靠着落点，则悬索结构屋盖将全部报废。
第二节悬索结构的组成及受力特点一．悬索结构的组成：1．受拉索：一般采用高强钢丝组成的钢铰线、钢丝绳和钢丝束。
钢拉索按一定的规律布置可形成各种不同的体系，是结构的主要承重构件。
其特点是只承受拉力，抗弯刚度很小。
因此，对集中荷载及不均匀的分布荷载（风、地震荷载）比较敏感。
2．边缘构件和支承结构：拉索结构都设有支承在下部支承结构上的边缘构件，它的细微变化，都会引起拉索内力的变化；支承结构除了承受竖向力以外，还承受拉索传来的横向拉力。
因此，要求具有较强的侧向结构。
一般说来，拉索自身的用钢量很小，而边缘构件和支承结构却要耗费较多的材料。
二．悬索的基本力学原理：1．拉索是一个中心受拉构件，既无弯矩，也无剪力。
由于索本身是一个非常柔软的构件，抗弯刚度可忽略不计，而且其形状随荷载的性质不同而变化。
悬索结构代表建筑
悬索结构代表建筑南京长江三桥南京长江三桥，是长江南京段继南京长江大桥、二桥之后建设的又一座跨江通道，2005年10月，三桥建成通车。
南京三桥位于现南京长江大桥上游约19km 处的大胜关附近，横跨长江两岸，南与南京绕城公路相接，北与宁合高速公路相连，全长约15.6km，其中跨江大桥长4.744km，主桥采用主跨648m的双塔钢箱梁斜拉桥，桥塔采用钢结构，为国内第一座钢塔斜拉桥，也是世界上第一座弧线形钢塔斜拉桥。
浙江黄龙体育中心主体育场工程概况主体育场（Main Stadium）浙江省新建的大型体育场，系省重点工程项目，总用地面积15公顷总建筑面积近10万平方米，该工程于1997年6月启动建设2000年10月建成并投入使用。
该体育场是座建筑造型新颖，设施齐全、设备先进的现代化体育场，可容纳观众近6万人。
结构类型及特点观众席上部建有双塔斜拉索悬吊式挑蓬，气势雄伟壮观。
结构上首次将斜拉桥的结构概念用于体育场的挑蓬结构，为斜拉网壳挑蓬式，由塔、斜拉索、内环梁、网壳、外环梁和稳定索组成。
网壳结构支撑于钢箱形内环梁和预应力钢筋混凝土外环梁上，通过斜拉锁悬挂在两端的吊塔上。
吊塔为85m搞的预应力混凝土通体结构，筒体外侧施加预应力，外环梁支承于看台框架上的预应力钢筋混凝土箱型梁；网壳采用双层类四角锥焊接球节点形式；斜拉索与稳定索采用高强度钢绞线，由此形成了一个复杂的空间杂交结构。
美国华盛顿DULLES机场美国华盛顿DULLES 机场，是现代主义者芬兰建筑师Eero Saarinen设计，1962 年建造的。
屋盖为平行布置的悬索结构。
华盛顿杜勒斯国际机场得名于1888年——1959年时，美国当时的国务卿约翰·福斯特·杜勒斯。
华盛顿杜勒斯国际机场位于华盛顿市区以西约43千米处，是美国联合航空公司的主要枢纽。
机场的柱子是向外倾斜的。
索拉紧外倾的柱子，在自重和屋面载荷下自然下垂成悬链状。
在柱子之间，有倾斜的梁板，这个板状梁倾斜方向是沿着索的方向的。
悬索结构
3.4. 2悬索结构的计算要点
2. 悬索结构分类
悬索结构分为单层悬索体系、预应力双层悬索体系、 预应力鞍形索网、预应力横向加劲单层索系、预应力 索拱及 张弦结构、悬挂薄壳、张拉整体结构、索膜结 构及混合悬挂结构等形式
（1）单层悬索体系：单层悬索体系是由按一定规律 布置得单根悬索组成，悬索两端锚挂在支撑结构上。 索系布置有平行式、辐射式、网格式三种。
（2）预应力双层悬索体系（索桁架）：双层悬索体 系是由一系列下凹的承重索、上凸的稳定索及两者之 间的连系杆（拉杆活压杆组成）
（3）预应力鞍形索网：鞍形索网是由曲率相反的两组钢索相 互正交做成的负高斯曲率的曲面悬索结构，索网周边悬挂在边 缘构件上。下凹的承重索在下，上凸的稳定索在上，两组索在 交点处连接。
（4）预应力横向加劲单层索系：在平行布置的单层悬索上敷 设与索方向垂直的实腹梁或桁架等劲性构件，通过下压这些横 向构件的两端并加以固定，在索与横向构件组成的体系中建立 起预应力，形成横向加劲单层索系屋盖结构也称索梁体系。
（5）预应力索拱及张弦结构
在鞍行索网中，以实腹式或格构式进行构件代替上凸的稳定索， 张拉承重索或下压拱的两端，使索与拱互相压紧，形成预应力 索拱体系。
3、悬索结构施工比较方便。钢索自重很小，屋面构件—般也 较轻，安装屋盖时不需要大型起重设备。施工时不需要大量脚 手架，也不需要模板。因而，与其他结构型式比较，施工费用 相对较低。
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。
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
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。
第六章_6.4悬索结构
第六章 大跨屋盖结构
主要内容
• 1 网架结构 • 2 网壳结构 • 3 拱结构 • 4 悬索结构 • 5 薄壁空间结构
第六章 大跨屋盖结构
4.1 概述
• 悬索结构的主要承重构件是受拉的钢索。 这些索按一定的规律组成各种不同形式的 （网面）体系，并悬挂在相应的支承结构 上。
• 钢索一般采用由高强钢丝组成的高强钢丝 束、钢绞线或钢丝绳制成。
• 正如前面所讲，曲面结构都是有推力的结 构，所以悬索结构也是一种有推力的结构。
第四节 悬索结构
第六章 大跨屋盖结构
• 悬索结构有很多种结构类型，但基本组成 大致相同。以单曲面单层悬索结构为例， 其基本组成可分为：索网、边缘构件、下 部支承结构以及斜拉索等。
4.2 悬索结构的特点
第六章 大跨屋盖结构
4.3 悬索屋盖结构的类型
第六章 大跨屋盖结构
(3) 双曲面交叉索网结构
• 支承和锚固马鞍形索网的边缘构件，可以根据建筑不同的 平面形状和建筑造型采用斜向边拱、双曲环梁和人字刚架 等形式。
斜向边拱 双曲环梁
斜向边拱 人字刚架
4.3 悬索屋盖结构的类型
第六章 大跨屋盖结构
4.4 悬索屋盖的刚度和稳定
屋面构件都必须与悬索连接牢固，使得各道索之 间能够共同承担荷载和变形。
风吸力一般只出现在屋盖局部，通常在边缘处最 大，因此，必须加强屋盖边缘构件与其下部支承结 构之间的连接，确保安全。
4.4 悬索屋盖的刚度和稳定
第六章 大跨屋盖结构
提高悬索屋盖结构刚度和稳定性的措施 • (2)选择合理的悬索结构类型
一般来说，双层悬索结构的刚度和稳定性比单层 悬索结构要好得多，因此要尽量选用双层悬索结构 的形式。
第七节悬索结构
(7)安装荷载:应分别考虑每一安装过程中安装荷 载对结构的影响,在边缘构件和支承结构中常常 会出现较大的安装应力。结构的蠕变和温度变化 将导致钢索和结构刚度减小,在结构设计中还应 考虑它们的影响。对非抗震设计,荷载效应组合 应按《建筑结构荷载规范》(GBJ5009)计算。在 截面及节点设计中,应按荷载的基本组合确定内 力设计值,在位移计算中应按荷载短期效应组合 确定其挠度。对抗震设计,应按《建筑抗震设计 规范》(GBJ50011)确定屋盖重力荷载代表值 。
(3)建筑造型美观。悬索结构不仅可以适应 各种平面形状和外形轮廓的要求,而且可以 充分发挥建筑师的想象力,较自由地满足各 种建筑功能和表达形式的要求 ,实现建筑和 结构较完美的结合。(4)悬索结构的边缘构 件或支承结构受力较大,往往需要强大的截 面、耗费较多的材料,而且其刚度对悬索结 构的受力影响较大,因此,边缘构件或支承结 构的设计极为重要。(5)悬索结构的受力属 大变位、小应变,非线性强,常规结构分析中 的叠加原理不能利用,计算复杂
(4) 悬索结构的计算应按初始几何状态、预应 力状态和荷载状态进行,并充分考虑几何非线 性的影响。 (5)在确定预应力状态后 ,应对悬索结构在各种 情况下的永久荷载与可变荷载下进行内力、 位移计算:并根据具体情况,分别对施工安装荷 载、地震和温度变化等作用下的内力、位移 进行验算。在计算各个阶段各种荷载情况的 效应时应考虑加载次序的影响。悬索结构内 力和位移可按弹性阶段进行计算。
五、悬索结构的节点构造
1、钢索与钢索 2、钢索连接件 3、钢索与屋面板 4、钢索支承节点
六、悬索结构施工
1、钢索制作 2、钢索安装 3、钢索张拉 4、钢索防腐
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悬索结构的建筑分类
悬索按受力状态分成平面结构和空间结构。
平面悬索结构
主要在一个平面内受力的平面结构，多用于悬索桥和架空管道。
按结构形式分为：①单层悬索结构。
可用做柔式悬索桥，也可用于屋盖，结构刚度较小，在可变荷载作用下变形较大，宜在索上铺设重屋面。
②加劲式单层悬索结构。
通过在索下面若干吊杆吊有加劲桁架（或加劲梁），以增强结构的刚度。
③双层悬索结构。
其上索与下索曲率相反，并通过其间的受拉斜腹杆中施加预应力而具有较好的刚度。
空间悬索结构
一种处于空间受力状态的结构，多用于大跨度屋盖结构中。
按结构形式分为：
①圆形单层悬索结构。
用于圆形平面的屋盖，其索按辐射状布置，整个屋面形成下凹的旋转曲面。
各根索的外端固定于周边的钢筋混凝土圈梁上，内端固定于圆心附近的拉环上。
当圆心处允许设柱时，可形成伞形悬索结构。
②圆形双层悬索结构。
其外形与上述结构类似，只是有上下两层索，从而可以有不同布置形式的预应力拉杆以增强刚度。
中国北京工人体育馆直径94米的比赛大厅屋盖即采用了这种结构形式。
其圆心附近的拉环除承受环向拉力外，在竖直方向还承受压力。
③双向正交索网结构。
由互相正交的两组索组成。
下凹的一组为承重索，上凸的一组为稳定索，两组索形成负高斯曲率的曲面。
对其中一组索
施加预应力时，另一组索也同时获得预应力的效果。
通过施加预应力，可使两组索在屋面荷载作用下始终贴紧，且获得良好的刚度。
这种索网可用于椭圆平面、矩形平面、菱形平面或其他平面的屋盖。
意大利米兰体育馆屋盖采用了圆形平面的马鞍形索网结构，直径140米，是目前世界上最大的索网结构。
中国浙江省人民体育馆屋盖采用80×60米椭圆平面的马鞍形索网，其索端固定于一个空间曲梁上。
为了减小曲梁内的弯矩，在索网下还设置了一层水平拉索。
除上述悬索结构外，工程中还常用斜拉索结构，如斜张桥和斜拉索屋盖。
这种斜拉索主要是用来减小屋面或桥面结构构件的跨度，以满足整个结构的大跨度要求和达到节省材料的目的。
随着卷材薄钢板的发展，近年来，有的国家采用悬挂板带结构。
如联邦德国法兰克福航空港飞机库的屋盖，平面尺寸达270×100米，分为两跨，每跨由10条长13米、宽7.5米的板带组成，板带之间用3米宽的采光带隔开。
除上述各种悬索外，还有一种结构是利用钢索来吊挂混凝土屋盖的，这种结构叫悬挂式结构，其特点是：充分利用钢索所具有的抗拉特点，而减小钢筋混凝土屋盖所承受的弯曲力。
下图所示日本代代木体育馆，采用高张力缆索为主体的悬索屋顶结构，创造出带有紧张感、力动感的大型内空间。
在各种形式的悬索结构中，索的边缘构件及地锚的合理性和可靠性具有极其重要的意义，在一定程度上决定着结构的技术经济指标和安全。