关于索结构
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。
索结构(4)-设计方法
应采取有效措施，确保悬索结构的刚度和稳定 性，以防止结构在不对称荷载作用下产生较大的 变形，或由于风荷载产生动力失稳的可能。 对于大跨度的悬索结构，在建筑平面的中部设置 强劲的中央支承结构，以减少索和索网的跨度， 是增强结构刚度的有效措施之一。 中央支承结构的形式除根据建筑造型的要求外， 还应使其受力合理，特别是应使其具有足够的侧 向刚度。
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3、材料及施工安装方面的考虑
应尽量采用轻型屋面，使索结构的优越性得以充 分发挥。 可行的施工方案
单层索系→重屋面 平行布置的单层索系→横向加劲构件 圆形平面双层索系→对上索施加预应力 矩形平面双层索系→调整系杆 正交索网 →稳定索
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适当的预张力施加步骤
平行布置的索桁架结构，可分别施加预张力； 车辐式结构，应考虑索拉力对中心环产生的非 对称荷载作用； 应采用分区、对称张拉的方式，必要时还应将 总拉力分成几级来施加。
结构形态 (Morphology)
— 建筑功能与结构特点相协调
承载能力 (Capacity Limit)
— 结构都有其合理跨度区间；梁→桁架→拱→悬索
荷载条件 (Load Conditions)
— 抗风、抗震、抗火造价 (Cost)— 砖石→混凝土→钢结构→张力结构
3
1、建筑造型及使用功能方面的考虑
¾ ¾ ¾
椭圆形平面，104m×67m 中央落地平面钢拱+两片预应 力鞍形索网 索网边索固定在由立柱和锚杆 组成的锚架上
5
索网上面覆以木网格及白色透明的聚氯乙烯聚酯薄膜
6
中央钢拱为三角形截面的 格构式钢管结构
7
索网网格0.75m×0.75m， 两个方向的悬索均采用两 根φ11.5mm的镀锌钢绞线 组成，用铝合金夹具固定
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
索结构(3)-计算理论
xq、yq、zq为节点q的坐标
(1)
xp、yp、zp为节点q的坐标 T0i 为索段i内的初始张力 L0i为索段初始长度
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荷载态时节点q的平衡方程
Ti 为索段i内的张力 li 为荷载态索段长度
初始态
Pyq
荷载态
q
T0i
l0i
p
⎫ ⎡Ti ⎤ ∑⎢ l (xp + up − xq −uq )⎥ + Pxq = 0⎪ ⎣i ⎦ ⎪ i ⎪ ⎡Ti ⎤ ⎪ ∑⎢ l (yp + vp − yq − vq )⎥ + Pyq = 0⎬ ⎣i ⎦ ⎪ i ⎪ ⎡Ti ⎤ ∑⎢ l (zp + wp − zq − wq )⎥ + Pzq = 0⎪ ⎪ ⎣i ⎦ ⎭
2
qz = 常量 = q f
d 2z q =− 2 dx H
q 2 z=− x + C1 x + C2 2H
代入边界条件 （x=0, z=0）; （x=l, z=0）; （x=l/2, z=f ）
ql C1 = 2H
ql 2 H= 8f
索内的水平张力
C2 = 0
4 fx(l − x) z= l2
索曲线方程
0
⎡ 1 ⎛ dz ⎞ 2 ⎤ ds = ⎢1 + ⎜ ⎟ ⎥ dx ⎢ ⎣ 2 ⎝ dx ⎠ ⎥ ⎦
1 ⎡⎛ dz ⎞ ⎛ dz0 ⎞ ⎤ Δs = ∫ ⎢⎜ ⎟ − ⎜ ⎟ ⎥ dx 2l⎢ ⎣⎝ dx ⎠ ⎝ dx ⎠ ⎥ ⎦
2 2
⎡ dz0 dw 1 ⎛ dw ⎞ 2 ⎤ Δs = ∫ ⎢ ⋅ + ⎜ ⎟ ⎥ dx l ⎢ ⎣ dx dx 2 ⎝ dx ⎠ ⎥ ⎦
5.4 悬索结构计算理论
浅述我国建筑索结构的概念、类型与发展
浅述我国建筑索结构的概念、类型与发展来源：中国建设报近年来,索结构在建筑结构中越来越多地得到应用，其建造技术也得到迅速发展。
北京工业大学空间结构研究中心主任、中国钢结构协会空间结构分会理事长张毅刚教授在《建筑索结构的概念、类型与发展》一文中详细地介绍了悬索结构、管内预应力结构、张弦结构、拉索结构、斜拉结构、索拱结构、吊挂结构等七种类型的结构及其在我国最新的工程实践，并就各种类型建筑索结构的组成与受力特点及其在建筑钢结构与幕墙（采光顶）中的应用与发展进行了论述。
——编者⒈引言。
我国在建筑结构中应用预应力索始于20世纪50年代，1991年中国土木工程学会桥梁与结构分会在无锡召开了全国索结构学术交流会，尽管预应力索在桥梁结构中应用更多，会上还是展示了在建筑结构中应用的良好势头。
2002年，中国工程院院士、浙江大学教授董石麟和北京工业大学教授陆赐麟整理了我国主要预应力钢结构工程（不包括膜结构工程），截至到2001年有28项。
光阴荏苒。
目前，我国建筑结构中预应力索的应用已经遍地开花，无论是设计理论还是制作建造技术均有了长足的进步。
据不完全统计，仅新发展起来的空间张弦结构已经有18项工程；近几年新建的火车站已有12个应用了索结构；综合起来估计有数百项工程。
1997年，中国工程院院士、哈尔滨工业大学教授沈世钊等所著《悬索结构设计》中所列的索结构形式，均有了新的工程实践，且不断创新。
随着114米×144米跨度的双向张弦桁架、122米跨度的张弦网壳、148米跨度的张弦桁架、310米跨度的辐射布置索桁架等世界上最大的工程落户我国，相关的内容很值得总结、梳理，以推动行业更好地发展。
索结构通常由索与其它材料的结构组成，可包括：索与钢结构、索与膜结构、索与钢筋混凝土结构、索与玻璃结构组成的各种结构体系，应用于建筑结构、桥梁结构、围护结构（幕墙、采光顶）中。
建筑索结构是指在建筑结构中应用索作为承重结构或通过张拉索对刚性结构体系施加预应力，提高或改善结构的受力性能而形成的结构体系，这里主要讨论的是其在钢结构与幕墙（采光顶）的应用中形成的各种类型体系。
索结构(1)-材料
拉锚体系
¾拉丝体系和拉锚体系
拉丝体系要利用千斤顶对钢丝或钢绞线逐根张拉 锚固；而拉锚体系是利用锚环上的螺纹和配套的 张拉机具，对整束钢索进行张拉。 拉丝体系的锚具在支承构件上所需预留的穿索孔 道较小，对支承构件的截面削弱不大，但不宜多 次重复张拉，因而不便于调整索力。 拉锚体系要求在支承构件上预留较大的索孔，但 调整索力却很方便，组成索束的钢丝或钢绞线在 张拉和受荷阶段的受力也比较均匀。
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五、封端
1、在距工作夹片50mm处，切除多余的预应力筋，用混凝 土封住锚头； 2、48小时内往张拉孔道内压浆； 3、用混凝土将锚头端部封平。
46
The End !
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5.2 建 筑 缆 索
Cables for Civil Engineering
主讲人：武 岳
哈尔滨工业大学
1.建筑缆索分类
A Taxonomy of Cables
力学意义上的“索”
理想柔性，即不能受压，也不能抗弯； 截面尺寸与构件长度相比十分微小，在计算中可不 考虑截面的抗弯刚度。
1
物理意义上的“索”
35
镦头锚具的优点是：用钢量省，体积小，易于加 工，使用方便，钢丝无滑丝内缩，钢丝强度无损 失，除锚固高强度钢丝外，也可用于锚固圆钢。 缺点是：对钢丝的下料长度精度要求高，否则会 使各平行钢丝之间受力不均匀。
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¾ 锥塞式锚具
由锚环及锚塞组成，锚环内壁及锚塞均呈圆锥台 形，可锚固多根高强钢丝束。
三种典型的钢丝缆索力学特性比较扭转稳定性181013002000张拉刚度ea10145175204km987980自重kgm139132160极限承载力10密封式钢丝绳钢绞线半平行钢丝拉索建筑用钢拉杆高强度钢棒20510272019610460弹性模量mpa冲击强度抗拉强度mpa屈服强度mpa高强度钢棒的力学性能钢棒在韧性疲劳寿命整体性防火防腐性能方面均要优于钢丝缆索体系
建筑结构选型 专题5索结构
外景局部
慕尼黑奥林匹克体育中心（1972）
慕尼黑奥林匹克体育场索网结构（1972）
看台内景
看台挑蓬索网示意图
慕尼黑溜冰馆索网结构（1972）
结构示意图
索网节点
卡尔加里滑冰馆鞍形索网结构（1986）
索网安装完毕
索网网格平面图
屋面板安装
亚特兰大体育馆索穹顶（1996）
索穹顶结构示意图
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
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。
网状布置形式(适用于圆形，矩形等各种平面)
两向索正交布置屋面板规格统一边缘构件弯矩大于幅射式布置
单层索网结构的设计要点
单层悬索体系垂跨比经验取值： 1/201/10 加强形状稳定性的措施： 1）采用重屋面 2）采用预应力钢筋混凝土大型屋面板 3） 混凝土悬挂薄壳 4） 采用横向加劲构件
三、索的构成、材料及性能
1、索的组成：钢丝束、钢铰线、钢丝绳。 结构用索一般为全钢索，且为较粗的线 材制造。
D¡ ª ¹ « ³ Æ Ö ±¾ ¶
Aª ¡ 3¹ É ¸ Ö ½ Ê Ï ß Á ¿ ² â ³ ß ´ ç
2、索的材料：
钢索的弹性模量一般为147—190KN/mm2 索的线膨胀系数一般为：3.9E-5/℃
专题五——索结构
“索”是受拉单元的统称
独龙 河上 的藤 网桥
慕尼黑奥林匹克体育场索网结构（1972）
亚特兰大体育馆索穹顶（1996）
日本明石海峡大桥—1999年建成， 1991米跨
一、索结构的特点
通过施加预应力提供结构的初始刚度 通过轴向拉伸抵抗外荷作用，充分利用钢材强度 施工方便，费用低 便于建筑造型
索结构(2)-结构体系
①
②
③
9
Dulles International Airport Terminal，1957
华盛顿杜勒斯机场候机厅
• 矩形平面195.2×51.5m • 屋面采用预制轻质混凝土板，灌缝处理。
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★ 结构设计关键参数
索的垂度与跨度之比（垂跨比）是影响单层悬 索体系工作性能的重要参数。 • 垂跨比小——屋面较平，索拉力大，稳定性 和刚度较差； • 垂跨比大——索拉力小，稳定性和刚度好但 结构空间大，经济性不好； • 合理垂跨比 1/20~1/10
主索 (承重索）
副索 (稳定索）
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¾ 几种不同形式的平面双索结构
凸式
凸凹式
凹式
索桁架 （Jawerth体系）
15
Johanneshov Ice Stadium in Stockholm，1962
瑞典斯德哥尔摩约翰尼绍夫滑冰场
• 近似矩形平面118×83 m，采用Jawerth体系 • 屋面采用预制轻质混凝土板 • 屋面索耗钢量2.98kg/m2
5.3 悬索结构体系
Structural System of Cable Structures
主讲人：武 岳
哈尔滨工业大学
(a)
(d)
索结构的核心问题是形状稳定性问题，为使其 能够有效抵抗机构性位移，就必须采取不同的构造 措施，由此就形成各种不同的悬索体系。
(b) (e)
(c)
(f)
1
传统 悬索结构
a) 平行布置
b) 辐射布置
c) 网状布置
4
德国乌柏特市游泳馆
Swimming Hall at Wuppertal, German, 1956
最早的单层悬索结构,L=65m
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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。
我们的目的是利用它找到预应力状态和预应力分布。
所以说，它只是一种处理手法。
同一个项目，不同的人计算，就可以利用不同的零状态，但是都可以得到几乎相同的目标——预应力状态。
（2）预应力状态是具有实际意义的，它是我们设计的目标，也可以讲是建筑师
给结构工程师的要求、任务。
建筑施工刚完毕之后，大家看到的就是预应力状态。
这个时候拉索是绷紧的，此时的索力就叫做拉索的预应力。
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。
大家看到，上文中我叫预应力状态下的索力为“拉索的预应力”。
这就讲到了徐珂兄所讨论的问题。
在结构分析中，怎样让拉索起到提供刚度的作用，或者讲怎样得到拉索的预应力大小和分布。
这就是从“分析零状态”到“预应力状态”这个过程所干的事。
通常，在软件中我们先建立零状态计算模型，并给拉索一个初始条件，然后利用非线性有限元法，让软件计算并得到一个平衡的结果。
这就是找形过程的简单描述。
其中拉索的初始条件，可以有不同的处理方法，本网站文章“预应力在软件中的不同施加方法”讨论了常用的三种方法，分别为降温法、初始应变法和施加初始轴力法，大家可以看一下，这里就不详细讨论。
其中初始轴力法就是徐珂兄采用的方法。
可以看出，零状态对应的是“初始轴力”，而预应力态对应的才是“预拉力”，这是完全不同的两个概念，其中“初始轴力”只是一种处理手法，并没有实际意义；而“预拉力”则是具有工程意义的，是设计院提供给施工单位的张拉目标。
拿徐珂兄的工程来讲，4500则是初始轴力，而3090才是真正的拉索预拉力。
找形完成之后，4500就没有用途了，可以忘记这个数字。
为什么会出现这个问题呢，我觉得这可能是大家采用MIDAS这款软件导致的，这个软件是采用初始轴力的方式施加预应力，而且初始轴力这个数值“赫然”显示在软件界面左边的列表上，以至于大家忽视了预应力的真正概念，混淆了“手段”和“结果”。
关于索结构——（2）分析零状态和施工零状态
上一篇博文中我提到了零状态，大家注意的话，会发现后来我提到了“分析零状态”。
这是因为我觉得索结构分析、设计、施工过程中，可能会提到两个“零状态”。
而这两个“零状态”又完全不是一个概念，所以，这里想就这个问题再与大家深入讨论一下。
上一篇博文已经讲过，在结构找形分析之前，会建立一个用于找形分析的初始几何模型，这里不妨称其为“分析零状态”。
这个“零状态”模型只是一种简单的拓扑关系，在其基础上给拉索一定的初始条件，利用非线性有限元法，可以得到平衡的“预应力状态”。
这个零状态是利用软件分析时的起步状态，它没有任何实际的工程意义，只是我们利用它来得到平衡态的一种手段。
然后施工过程中，也有一种“零状态”，这里我们不妨称其为“施工零状态”。
这是设计完成后，施工单位根据设计院提供的几何拓扑关系（预应力态），简单地把各构件连接起来而得到的一种状态。
此时，虽然绝大部分构件都被连接起来，但是拉索的预应力并没有完全实现，因为还没有开始张拉。
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。
分析零状态在上一篇博文中已经讨论过，就不详细讨论了，这里说说施工零状态是怎么来的。
设计院设计完整后，给施工单位的资料有：拓扑关系、预应力具体数值。
这些数据通常都是预应力平衡状态下的结果。
也就是说，索长和预应力大小是拉索拉紧状态下的数据。
施工单位会根据这些数据，反算拉索松弛状态下的长度，也就是下料长度。
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，按照设计院提供的拓扑关系，拼装起来的结构就是施工零状态。
其实，施工零状态是很难用软件计算出来的，除非是比较简单的结构体系。
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。
不过，有一种理论叫“机构位移理论”，据说可以较为准确地算出索结构的施工零状态，记得同济大学的钱若军老师利用这种理论算过佛山世纪莲体育场的施工张拉过程。
感兴趣的朋友可以找钱老师讨论讨论。
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。