課件-建筑構造

懸索結構

Cable-suspendedstructures

索的形狀是不穩(wěn)定的(隨荷載分布形式變化)。必須采取不同的構造措施，以形成各種具有形狀穩(wěn)定性的懸索體系。使索具有一定剛度的方法就是施加預應力，要改變一根松弛的繩子的形狀容易，把繩子繃緊，它就具有了一定的剛度，可以承受垂直于它的荷載作用。

圖6.3-1美國Raleigh競技館懸索結構的類型BasicTypesofCable-suspendedStructures1.單層懸索加重屋面

Single-LayerCableSystemwithHeavy(R.C.)Slabs2.預應力“懸掛薄殼”

Pre-stressed“SuspendedShell”3.預應力雙層索系

Double-LayerCounter-StressedCableSystem4.預應力索網

Pre-stressedCableNet5.

勁性懸索

Suspended“RigidCables”6.橫向加勁平行索系——索-梁(桁)體系

ParallelCablesStiffenedwithTransverseBeamsorTrusses7.索-拱體系

Cable-ArchSystem懸索結構的分析設計理論與常規(guī)結構相比有很大區(qū)別，不能為大多數設計人員所掌握，成為目前限制該類結構不能得到廣泛應用的主要原因之一。并且，盡管懸索結構的施工并不復雜，但是一般的施工單位對其并不熟悉，專業(yè)的懸索施工隊伍也很少，這也是影響該類結構應用的重要原因。懸索屋蓋的組成懸索屋蓋由三部分組成：懸索系統(tǒng)（索系）、支承系統(tǒng)和覆蓋系統(tǒng)。懸索系統(tǒng)是懸索屋蓋中跨越水平距離的主要承重構件。它由一系列按一定規(guī)律布置的高強度索組成，起著承擔屋面荷載并將其傳至支承結構的作用。支承系統(tǒng)由圈梁或水平橫梁和壓桿、立柱或斜拱等構件組成。它承受著懸索系統(tǒng)傳來的荷載，并將它們可靠地傳至基礎。支承結構的合理性和可靠性直接影響著整個屋蓋結構的經濟與安全。覆蓋系統(tǒng)一般位于索系之上，由檁條、彩板、保溫防水材料或鋼筋混凝土預制板組成。其作用是形成一個保溫、隔熱、防水的屋面，完成屋蓋的建筑功能。在一些情況下如單層索體系屋蓋中也可對索施加預應力形成自平衡體系而實現其結構功能。1.單層索系加重屋面

設置重屋面的作用——使均布重力荷載具有優(yōu)勢，以保證初始形狀的相對穩(wěn)定性。

Single-layerCableSystemwithheavyslabs,inwhichthesuperiorityofuniformdeadloadensuresthebasicshape-stability.

單層懸索體系又可以分為以下三種：（1）單向單層懸索體系是由一系列的承重單索構成的結構體系。此類懸索結構形式常適用于矩形平面的建筑屋蓋，可以是單跨，也可以用于多跨。圖6.3-2a單向單層懸索體系

（2）輻射式單層懸索體系（圖6.3-2b）。是由一系列的沿徑向輻射布置的承重索組成，通常適用于圓形平面的建筑屋蓋。（3）雙向單層懸索體系（圖6.3-2c），是由兩個方向相交（或正交）并曲率方向相同的承重索系構成，可以適用于圓形、矩形等多種平面的建筑屋蓋。圖6.3-2c雙向單層懸索體系1—1圖6.3-2b輻射式單層懸索體系112.懸掛薄殼——單層重屋面體系的進一步演進。

SuspendedShell-thefurtherdevelopmentofsingle-layercablesystemwithheavyslabs.(1)掛屋面板Hangslabs

(2)加超載，然后灌縫

Overloadingandthenfilltheseams(3)縫結硬后卸去超載，形成懸掛薄殼Unloadingtoform

apre-stressedshell

單層懸索體系通常做成懸掛薄殼的形式，以加強屋面剛度，提高抗風掀起性能，此時屋面也參與結構作用。德國烏柏特市游泳館ASwimmingHallinGerman結構剖面StructuralCross-Section

雙層懸索體系

雙層懸索屋蓋的基本構成單元是索桁架（圖6.3-3）。索桁架承重索、穩(wěn)定索和聯系承重索和穩(wěn)定索的腹桿組成，其中，負高斯曲率的為承重索，正高斯曲率的為穩(wěn)定索。正是由于承重索和穩(wěn)定索曲率相反，其通過腹桿傳遞的預應力可以互相平衡，因此索桁架中能維持預應力。正是由于預應力的存在，穩(wěn)定索能和承重索一起抵抗豎向荷載的作用，從而提高整個結構的剛度。在動荷載作用下，這種體系也具有很好的抗震性能。根據索桁架的平面布置方式，雙層懸索體系可以分為三種形式：圖6.3-3索桁架的一般形式對主索來說，預應力的作用同重屋面是相似的Theeffectofpre-stressestothemaincableissimilartothatoftheslabload.（1）單向雙層懸索體系，是由一系列平行布置的索桁架組成。通常索桁架的承重索與穩(wěn)定索位于同一水平面內（圖6.3-4a），但也有將其交錯布置的做法，以提高屋蓋的縱向整體穩(wěn)定性和剛度（圖6.3-4b）。圖6.3-4單向雙層懸索體系a）b）平面雙索系統(tǒng)實例ExamplesofPlaneDouble-CableSystem荷蘭鹿特丹體育館德國法蘭克福技術檢查局機動車檢修場瑞典斯德哥爾摩約翰尼紹夫滑冰場平面雙索系統(tǒng)實例ExamplesofPlaneDouble-CableSystem芬蘭赫爾辛基冰上運動場吉林滑冰館JilinIce-SkatingRink，China吉林滑冰館——預應力空間雙層索系SpatialDouble-layerCableSystemforJilinIce-SkatingRink（2）輻射式懸索結構，又叫做車輻式懸索結構，通常用于圓形屋蓋，其結構布置就像自行車輪一樣，結構中部設置一剛性拉環(huán)，承重索和穩(wěn)定索沿輻射方向布置，周圍支承在周邊構件上（一般為受壓圈梁），承重索和穩(wěn)定索之間可以設腹桿，也可不設（圖6.3-5）。在圖6.3-5c不設腹桿的體系中，上索既是穩(wěn)定索，又直接承受屋面?zhèn)鱽淼暮奢d，以支反力的形式將部分荷載傳給剛性拉環(huán)，承重索（下索）即承受拉環(huán)傳來的集中荷載。其預應力施加通過拉環(huán)這一集中腹桿得以實現。雙向雙層懸索結構（圖6.3-6），將索桁架沿相互交叉（或正交）的兩個方向布置，形成交叉網格。一般用于圓形平面，也可以用于矩形平面。圖6.3-6雙向雙層懸索圖6.3-5車輻式雙層懸索圓形平面的雙層索系

Double-layerCableSystemwithCircularPlan(arrangedradicallyororthogonally)圓形平面雙層索系實例ExamplesofDouble-layerCableSystemwithCircularPlan

前蘇聯列寧格勒體育館結構簡圖1958年布魯塞爾世界博覽會美國館結構剖面圓形平面雙層索系實例ExamplesofDouble-layerCableSystemwithCircularPlan

首都工人體育館TheWorkers’Gymnasium,Beijing

4.預應力鞍形索網Pre-stressedCableNet為了施加預應力，兩個方向的索曲率相反，因此預應力索網的曲面必定是負高斯曲率的鞍形曲面。

Pre-tensionrequiresthatthecablesoftwodirectionsshouldhavecountercurvatures,SothatcablenetalwayshasasurfaceofnegativeGaussioncurvature.索網結構是同一曲面上兩組曲率相反的懸索直接交疊，形成的一種負高斯曲率的網狀懸索結構體系，也稱為鞍形索網（圖6.3-7）。兩組鋼索中，下凹的為承重索（主索），上凸的為穩(wěn)定索（副索）。兩組鋼索在相交處相互連接。沿索往邊緣需設置強大的邊緣構件，以錨固兩組鋼索。周邊可以做成閉合圈梁（圖6.3-7a），也可以做成強大的邊拱，將荷載直接傳給基礎（圖6.3-7b、c）。圖6.3-7索網結構的典型形式對索網結構也必須施加預應力，以提高體系的穩(wěn)定性和剛度。由于兩組相反曲率的懸索的存在，對其中任何一組或對兩組同時進行張拉，均可實現預應力。索網的工作原理和雙層索系非常相似，因此預應力足夠大時索網具有良好的結構穩(wěn)定性和剛度，可以采用輕屋面。索網結構體系多樣，容易適應建筑需要，屋面排水也較易處理，因此近年來獲得了廣泛應用。索網的各種形式DifferentFormsofCableNet預應力索網的工程實例ExamplesofCableNet美國雷里體育館

TheRaleighArena,USA(a剖面

Sectionb立面

Elevation)美國雷里體育館

TheRaleighArena(c平面d索水平力的傳遞e拱截面f屋面做法與鋼牽索

g拱腳處預應力混凝土拉桿

)圖6.3-11華盛頓國際航空港大廳懸索結構的尺度單層索系：承重索垂跨比1/20～1/10雙層索系：承重索垂跨比1/20～1/15

穩(wěn)定索拱跨比1/30～1/20鞍形索網：承重索垂跨比1/20～1/10

穩(wěn)定索拱跨比1/30～1/15

由兩個邊緣水平拱和一個垂直中央拱組成。中央拱與兩邊看臺后的水平拱間拉承重索，穩(wěn)定索與之正交。中央拱兩邊承重索的水平拉力形成平衡，但當兩側荷載變化時，原來的平衡就被破壞。而拱平面外剛度很小，對拱面外力幾乎沒有辦法，因此將中央拱設計為具有平面外轉動功能的大拱，當拱兩側屋面撓度變化時，拱也跟著轉動到新的位置（圖6.3-10）。德國慕尼黑奧林匹克體育中心體育場

TheMunichOlympicStadium體育場主看臺的帳篷式索網示意圖TheSketchoftheCableNetfortheStadium體育場主看臺的帳篷式索網

TheCableNetoftheStadium施工中的索網結構CableNetunderConstruction青島體育館的組合索網結構

TheQingdaoGymnasium,China5.設置橫向加勁構件——形成“索梁體系”或“索桁體系”

Cable-Beam(Truss)System——IntroductionofTransverseRigidElementsBymeansoftheTransversebeams(ortrusses):Thecablescanbepre-tensioned.Theconcentratedloadcanbedistributedtoadjacentcables.橫向加勁構件(梁或桁架)的作用：借以施加預應力勻開集中荷載6.勁性索RigidCable（具有一定抗彎剛度的構件或桁架）第22屆奧運會游泳館勁性索屋蓋結構

TheMoscowSwimmingHall第22屆奧運會游泳館勁性索屋蓋結構

TheMoscowSwimmingHall(b

勁性索與拱的鉸接

c拱腳)7.HybridSystem混合體系利用不同型式的結構受力性能的不同，或不同材料的強度性能的不同，使各種結構充分發(fā)揮各自的特長，使各種材料取長補短共同工作，有時還可使承重結構與維護構件合二為一，達到材盡其用的目的。即各種“復合結構