建筑知识：建筑结构中的索网结构
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。
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。
索网幕墙的设计
拉索的伸长
不锈钢索的极限强度σt约为1100~1500N/mm2, 其弹性模量Ε约为1.2×105~1.3×105N/mm2, 到达极限强度时其伸长率约为1%~1.2%。对 应的钢索挠度为（1/14~1/18）l. 钢索的强度设计值取为600~830N/mm2,相应 地，到达强度设计值时不锈钢索的挠度为 （1/25~1/32）l，钢索的伸长小于1%，在允 许范围内。
非平面索网幕墙
谢谢大家
单层双向索网
索网结构的特点
拉索的挠度 拉索的伸长 初始应力
拉索的挠度
平直的拉索不可能产生法向反力，因此直索不能受法向荷载 （如风力和地震力，透光屋面的重力荷载等）。拉索只有在挠 曲的情况下才能与法向荷载或作用平衡。例如，当拉索承受跨 d P 2 N sin 4 N 中单个集中力P时，其其平衡关系为： l
大尺度的平面索网幕墙
北京中关村文化商厦 中庭幕墙，索网达 70m×27m（图8、 图9）。采用夹板式 支承玻璃（图10、图 11）。
多跨组合索网幕墙
多跨组合索网幕墙
北京中国青年旅行社 大厦（图12、图13） 中庭由6片大小不同 的索网幕墙竖向排列 而成，索网尺寸分别 为9m×20m、 7.9m×20m和 14.5m×20m（三 片）。
大尺度的平面索网幕墙
德国慕尼黑凯宾斯基 酒店，在两座高层客 房楼之间的屋面下， 布置了尺度为 40m×30m（高）的 两片索网幕墙，围成 一个酒店大堂 （图3、图4）。
大尺度的平面索网幕墙
网索分格1.5m×1.5m， 室内非常通透（图5）。 钢索直径为19mm，竖向 索上端固定在钢板屋面 拱上，下端通过铸钢件 固定在钢筋混凝土地梁 上。在最大瞬时风力作 用下，最大挠度为跨度 的1/35，达±900mm。
悬索理解——大跨度建筑设计分析
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1794年，Fuss在一次悬索桥的设计中収现荷重沿悬索 的跨距均匀分布时形成的“抛物线”。“抙物线” 理论之所以被重视，丌仅仅是因为“抙物线”是简单 的二次函数，而且由于在很多情况下，悬索的荷重确 实是沿悬索的跨距均匀分布的。
但对于自重是沿曲线均匀分布的悬挂绳索，“抙物线” 理论的计算只是“悬链曲线”展开级数式叏前一项进 行改造后的近似计算，其适应范围为中央挠度系数等 于百分之八左右。
1 刚不柔
• 大跨度空间结构分类中，大体分为三类：
实体结构（刚性结构）：拱、穹顶、折板、薄壳 网格结构：网架、网壳、悬索 张力结构（柔性结构）：膜、混合结构
•
悬索作为一种受拉构件，丌能单独作为承重构 件，而须不其他结构配合。
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悬索结构便于建筑造型，适应于各种建筑平面 和外形轮廓，因而能较自由地满足各种建筑功 能和表达形式的要求。
悬索结构
以一系列叐拉钢索为主要承 重构件，按照一定的规律组 成各种丌同形式的布置斱式， 幵悬挂在边缘构件或支撑结 构上而形成的一种空间结构。
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1、刚不柔 2、平面不空间
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3、叐力特点
4、材料特性 5、几何形式 6、传力斱式 7、建筑形式
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8、跨度
9、可不那哪些结构相结合使用 10 预应力索网的工程实例
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下部支承结构一般是受压构件，常采用柱结构
10 预应力索网的工程实例
——加拿大卡尔加里滑冰馆
结构体系：鞍型索网
几何形状柱的安装来自梁安装完毕索网安装完毕
索网网格平面图
屋面板安装
网格结构相对复杂，外部围合 的平面多为囿形、斱形，斲工 复杂。结构特性介于刚性和柔 性之间，轻盈不厚重平衡。不 线结构比，可以在两个斱形达 到很大跨度。
索网结构对主体结构动力特性的影响
【 摘 要】 采用子空间迭代法， 结合工程实例 ， 对索网次结构对主体结构 自 振特性的影响进行了计算分析 ，
研 究了主体结构 的频率分布特性以及索网预应力 、 玻璃及索连接 件的质量等结 构参数对 自振 特性 的影 响。此外 ，
还 考虑 了几何非 线性 对结构应力刚度的影 响 ， 考虑位形修正进行 了模 态分析 。最后 ， 采用振 型分解反应谱法 进行 了结构模 型的多遇地震响应分析。研究结果 表明 ： 玻璃及索连接件 的质量对主体结 构频率影 响较 大 ， 体结 构振 整
［ ］ 李然 ． ３ 钢板剪力 墙与组 合剪力 墙滞 回性 能研究 ［ ］ Ｄ ．哈尔
参考文献
［ ］ Ｆ ￣ ｙ Ｌ Ａ ａ ｓ ｔｎｓ ｅ ｐ ｔ ｓ ａ ｗ ｌ Ｊ． ｏｒ １ Ｊ ｉ Ｓ Ｍ， ｕ ｎｌ ｉ ｏ ｈ ｅ ｌｅ ｈ ｒ ａ ｓ ］ Ｊ － ｙ ｓ ｆ ｉ ｔ ｌ ａ ｅ ｌ ［ ｕ
ｈ ｆ ｔ ｃ ｒｌ ｎｉ ｅｎ ， Ｓ Ｅ １９ ． ２ （１ ：４７—１９． ｌ ｕｕ Ｅ ｎ ｉ ａ ｏＳｒ ｔ ａ ｇ ｅｒ ｇ Ａ Ｃ ， ９７ １３ １） １８ ４６
型表现为主体结构振型加索 网局部振型 ； 主体结构代替整体结构通 过振型分解 反应 谱法进行 地震效应分析 时 ， 结 构地震效应降低 。
【 关键 词】 索网结构 ； 模态特性 ； 预应力 ； 大变形 【 中图分 类号 】 Ｔ ３１３ Ｕ １． 【 文献标识码 】 Ｂ
单层平面索网支承式 玻璃幕 墙结构 ， 有建筑 造型美 具
面板（ 屋面板 ） 采用 Ｓ ｅ １３单元 。 ｈｕ ６
呈现 出较强的几何非线性 ； 同时 ， 结构 自振频率 对其反应谱
分析 影 响较 大 ， 因此 ， 进行 自振 频率 分析时 ， 有必 要考 虑大 变形和预应 力效应 Ｊ 。本 文采用 Ａ Ｓ Ｓ有 限元 软 件进 行 ＮＹ 数值模拟分析 。首先通过结 构 自振特 性研究 了索 网次 结构 对 于主体结构频率 、 振型的影 响 ， 次通过玻 璃及连接 件质 其
19-悬索结构
3．适应性强，造型美观。悬索结构适应于各种建筑平面 和外形轮廊。利用曲线索，采用不同的支承形式，可方便 地创造出各种新颖独特的建筑造型，是建筑师们乐于采用 的一种结构形式。 4．与桁架、刚架、拱和网架等常规结构相比，悬索结 构的工作性能有以下特点： (1)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，计算悬索要采用几何非线性理论。 (2)悬索是一种可变体系，其平衡形式随荷载分布方式而 变化。悬索抵抗机构性位移的能力就是悬索的形状稳定性， 它与悬索的张紧程度有关。为使悬索结构具有足够的形状 稳定性，应在悬索体系内建立适当的预应力，使悬索绷紧。
2．双曲面双层拉索体系
双曲面双层拉索体系也称为双层辐射体系， 承重索和稳定索均沿辐射方向布置，周围 支承在周边柱顶的受压环梁上，中心则设 置受拉内环梁，整个屋盖支承于外墙或周 边的杆上．根据承重索和稳定索的关系所 形成的屋面可为上凸、下凹或交叉形，相 应地在周边柱顶应设置—道或两道受压环 梁．如图9-16所示，通过调控承重索、稳定 索或腹杆的长度并利用中心环受拉或受 压．也可以对拉索体系施加预应力。
悬索结构的形式
悬索屋盖结构按屋面几何形式的不同．可 分为单曲面和双曲面两类；根据拉索布置 方式的不同，可分为单层悬索体系、双层 悬索体系和交叉索网体系三类。
一、单层悬索体系
单层悬索体系的优点是传力明确，构造简 中，缺点是屋面稳定性差，抗风(上吸力)能 力小。为此常采用重屋面．适用于中小跨 度的屋盖。单层悬索体系有单曲面单层拉 索体系和双曲面单层拉索体系。
1．单曲面单层拉索体系
单曲面单层拉索体系也称单层平行索系。 它由许多平行的单根拉索组成。屋盖表面 为筒状凹面。需从两端山墙排水，如图9-4 所示。
建筑结构选型8建筑结构的表现形式
① 开放式：肥皂泡沫的膜形式 ② 封闭式：六角形网格式
3）泡沫状仿生的最小表面
肥皂泡是具有最小张力的表面形式 形式：网格线状
索网结构 封闭膜面 螺旋体表面
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4.2 生物学与建筑学
1）生物结构的启示
① 植物与建筑： ② 动物与建筑： ③ 人体与建筑：
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4.2 生物学与建筑学
1）均衡与稳定 均衡 — 防止结构扭转 稳定 — 利于抵抗倾覆
2 ）韵律与节奏 韵律 — 体现建筑柔美 节奏 — 强化结构刚毅
3 ）连续与渐变 连续 — 内力分布均匀 渐变 — 避免应力集中
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5 结构的美学表现
5.2 结构的逻辑美
1）高效发挥材料特性
① 高强： ② 轻质：
2）合理组织传力关系
① 简捷： ② 流畅： ③ 平衡：
发城
如唐
尚
随冈
少子
满
开
太
年密
月
张
守
狂州
26
出 猎
27
不同的技法 相似的结构
28
29
7 结构的高技术表现
7.1 高技术与艺术
1）效能
结构必须有效，首先就是天然 资源的利用。要充分发挥结构材料 的优势，把它们做成尽可能有效地 承受施加在它们上面的荷载。
2）经济 3）美观
结构艺术，不但要暴露结构， 而且要表现结构系统的性能，并使 建筑物在视觉上有助于说明该结构 性能。新的结构形式又为结构艺术 的表现创造了条件。
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4.3 仿生结构形式
4.3.1 壳结构
1）自然界的壳体
① 植物：果实的坚壳 ② 动物：外壳、角、蹄
2）形式与结构
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%。
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建筑知识：建筑结构中的索网结构索网结构是指利用大量的钢缆或钢杆组成的空间网格结构体系。
它的主要作用是在高层建筑及大跨度建筑中，承受建筑物的自重和外
部荷载，成为现代建筑结构中不可或缺的重要组成部分。
近年来，随
着建筑技术的不断发展，索网结构在建筑结构中得到越来越广泛的应用。
索网结构的优点主要在于其在承重的同时，可以提供优越的空间
感受和视觉效果。
与传统的静态建筑结构相比，索网结构具有灵活性，能够适应不断变化的环境和应用需求。
索网结构可以采用各种不同的
形式，如钢索网、钢筋网、钢桁架网等，以满足不同的建筑需求。
钢索网是一种由钢索构成的网格结构体系，常用于建筑物的屋顶
和悬挑结构中。
该结构的优点在于其轻便、高效、稳定性好，具有较
好的节能性能和防震性能。
钢索网的设计需要考虑钢索的选材、张力
控制以及支承系统的设计等因素。
此外，钢索网结构还需要进行防腐
和防锈处理，以延长其寿命。
钢筋网结构是一种由钢筋构成的网格结构体系，常用于地面板面
的大跨度悬挑结构中。
该结构的优点在于具有较高的抗震和承载能力，能够满足大跨度地面板面的建筑需求。
钢筋网结构的设计需要考虑钢
筋的选材、弯曲和成型等因素。
此外，钢筋网结构还需要进行耐久性
和防锈处理，以保证其使用寿命。
钢桁架网结构是指利用钢管或钢杆组成桁架，在其上方覆盖钢板
或玻璃等材料的建筑结构。
该结构的优点在于其稳定性和高承载能力，能够满足建筑物大跨度结构的需要。
钢桁架网的设计需要考虑杆件的
选材、受力状态和接头等因素。
此外，钢桁架网结构还需要进行耐久
性和防锈处理。
索网结构在建筑领域中应用广泛。
例如，现代高层建筑的塔杆和
桥梁的桥塔经常采用索网结构。
另外，一些文化和体育场馆也采用索
网结构，如鸟巢体育馆和北京国家大剧院等。
此外，索网结构还能够
被应用于建筑物的大面积玻璃幕墙和悬挑结构等。
总之，索网结构作为现代建筑结构的一种重要形式，代表了建筑
技术的当代水平。
其优异的承载能力、良好的设计灵活性和视觉效果，使得其在建筑工程中得到了广泛的应用。
未来随着科学技术的不断进
步，索网结构将继续发挥其作用，成为现代建筑领域不可或缺的一部分。