第七節(jié)懸索結(jié)構(gòu)

1、l單層索網(wǎng)l單層單向懸索結(jié)構(gòu)l單層輻射狀懸索結(jié)構(gòu)l雙層懸索體系l雙層單向懸索結(jié)構(gòu)l雙層雙向懸索結(jié)構(gòu)l雙層輻射懸索結(jié)構(gòu)l索網(wǎng)結(jié)構(gòu)l單層懸索體系l單層懸索體系由一系列按一定規(guī)律布置的單根懸索組成,懸索兩端錨掛在穩(wěn)固的支承結(jié)構(gòu)上。在懸索結(jié)構(gòu)中,單層懸索體系在構(gòu)造和理論計(jì)算上都比較簡(jiǎn)單。l單層懸索體系又可細(xì)分為單層單向懸索結(jié)構(gòu)、單層輻射狀懸索結(jié)構(gòu)和單層網(wǎng)狀懸索結(jié)構(gòu)。l單層單向懸索結(jié)構(gòu)，由一群平行走向的承重索組成,并構(gòu)成單曲下凹屋面。拉索兩端懸掛在穩(wěn)定的支承結(jié)構(gòu)上,也可設(shè)置專門的錨索或端部水平結(jié)構(gòu)來(lái)承受懸索的拉力l單層輻射狀懸索結(jié)構(gòu)。當(dāng)屋蓋為圓形或橢圓形平面時(shí),懸索一般按輻射狀布置,整個(gè)屋面形成下凹的旋

2、轉(zhuǎn)曲面,懸索支承在周邊構(gòu)件受壓圈梁上，這種下凹的屋面不便于排水。當(dāng)房屋中央客廳設(shè)支柱時(shí),可利用支柱升起為懸索提供中間支承,做成傘形屋面。l單層網(wǎng)狀懸索結(jié)構(gòu)。網(wǎng)狀布置的單層索形成下凹的雙曲率曲面,兩個(gè)方向的索一般是正交布置,適用于圓形、矩形等各種平面。單層網(wǎng)狀懸索結(jié)構(gòu)其邊緣構(gòu)件的彎矩大于輻射式布置的,但省去了中心拉環(huán)。 l單層懸索體系的工廠與單根懸索相似,其穩(wěn)定性較差。首先,單層懸索體系是一種可變體系l為增大單層懸索體系的穩(wěn)定性,一般可采取如下措施:a.采用重屋面b.采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土懸掛薄殼。 c.采用橫向加勁構(gòu)件。在平行布置的單層懸索上,把索錨固好以后,在索上敷設(shè)與索方向垂直的實(shí)腹梁或絎架

3、等橫向勁性構(gòu)件,下壓這些橫向構(gòu)件的兩端,使之產(chǎn)生強(qiáng)迫位移。l雙層懸索體系是由一系列下凹的承重索和上凸的穩(wěn)定索以及它們之間的連系桿組成。雙層索系中的每對(duì)承重索、穩(wěn)定索一般位于同一豎向平面,二者之間通過(guò)受拉或受壓的連系桿相連,其外形與受力特點(diǎn)類似于承受橫向荷載的傳統(tǒng)平面衍架,所以又稱為索衍架。承重索與穩(wěn)定索的布置形式有多種方式,應(yīng)綜合考慮建筑功能,建筑造型及結(jié)構(gòu)受力的合理性等條件進(jìn)行選取l索系的布置也有平行布置、輻射式布置和網(wǎng)狀布置三種形式 l鞍形索網(wǎng)是由相互正交,曲率相反的承重索和穩(wěn)定索疊交而形成的負(fù)高斯曲率的曲面懸索結(jié)構(gòu)。下凹的鋼索為承重索,上凸的鋼索為穩(wěn)定索,兩組索在交點(diǎn)處相互連接在一起,索

4、網(wǎng)周邊懸掛在強(qiáng)大的周邊構(gòu)件上。 東京駒澤公園體育館東京駒澤公園體育館 采用多片殼體組合起伏多變的索網(wǎng)突出開(kāi)闊的環(huán)境耶魯大學(xué)冰球館耶魯大學(xué)冰球館羅馬體育館羅馬體育館北京朝陽(yáng)體育館（二元并聯(lián)）北京朝陽(yáng)體育館（二元并聯(lián)）北京石景山體育館（三元并聯(lián)）北京石景山體育館（三元并聯(lián)）哈爾濱工業(yè)大學(xué)體育館（四元并聯(lián)）哈爾濱工業(yè)大學(xué)體育館（四元并聯(lián)）漢中體育館漢中體育館(四元并聯(lián)四元并聯(lián))l懸索結(jié)構(gòu)與其它結(jié)構(gòu)形式相比,具有如下一些特點(diǎn):(1)受力合理,經(jīng)濟(jì)性好。懸索結(jié)構(gòu)依靠索的受拉抵抗外荷載,因此能夠充分發(fā)揮高強(qiáng)鋼索的力學(xué)性能,用料省,結(jié)構(gòu)自重輕,可以較經(jīng)濟(jì)地跨越很大的跨度。索的用鋼量?jī)H為普通鋼結(jié)構(gòu)的1/51/

5、7,當(dāng)跨度不超過(guò)150m時(shí),每1m2屋蓋的用鋼量一般在10kg以下。(2)施工方便。鋼索自重小,屋面構(gòu)件一般也較輕,施工、安裝時(shí)不需要大型起重設(shè)備,也不需要腳手架,因而施工周期短,施工費(fèi)用相對(duì)較低。l(3)建筑造型美觀。懸索結(jié)構(gòu)不僅可以適應(yīng)各種平面形狀和外形輪廓的要求,而且可以充分發(fā)揮建筑師的想象力,較自由地滿足各種建筑功能和表達(dá)形式的要求,實(shí)現(xiàn)建筑和結(jié)構(gòu)較完美的結(jié)合。(4)懸索結(jié)構(gòu)的邊緣構(gòu)件或支承結(jié)構(gòu)受力較大,往往需要強(qiáng)大的截面、耗費(fèi)較多的材料,而且其剛度對(duì)懸索結(jié)構(gòu)的受力影響較大,因此,邊緣構(gòu)件或支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)極為重要。(5)懸索結(jié)構(gòu)的受力屬大變位、小應(yīng)變,非線性強(qiáng),常規(guī)結(jié)構(gòu)分析中的疊加原理

6、不能利用,計(jì)算復(fù)雜l對(duì)矩形平面可采用單層單向懸索,承重索沿長(zhǎng)邊方向布置?；螂p層單向懸索,索沿短邊向布置較有利;在圓形平面中可采用單層或雙層輻射狀懸索及索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在接近方形平面和橢圓形平面中則選用索網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為合適。當(dāng)平面為梯形、扇形,采用單層或雙層懸索體系時(shí),索的兩端支點(diǎn)應(yīng)按等距離設(shè)置。單層索系應(yīng)采用重屋面,雙層懸索體系索網(wǎng)結(jié)構(gòu)宜采用輕屋面也可用重屋面。l1.設(shè)計(jì)基本規(guī)定l(1)對(duì)單層懸索體系,當(dāng)平面為矩形時(shí),懸索兩端支點(diǎn)可設(shè)計(jì)為等高或不等高,索的垂度可取跨度的1/101/20;當(dāng)平面為圓形時(shí),中心受拉環(huán)與結(jié)構(gòu)外環(huán)直徑之比可取1/81/17,索的垂度可取跨度的1/101/20。對(duì)雙層懸索體系,當(dāng)

7、平面為矩形時(shí),承重索的垂度可取跨度的1/151/20,穩(wěn)定索的拱度可取跨度的1/151/25;當(dāng)平面為圓形時(shí)，中心受拉環(huán)與結(jié)構(gòu)外環(huán)直徑之比可取1/51/12,承重索的垂度可取跨度的1/171/22,穩(wěn)定索的拱度可取跨度的1/161/26。對(duì)索網(wǎng)結(jié)構(gòu),承重索的垂度可取跨度的1/101/20,穩(wěn)定索的拱度可取跨度的1/151/30。l(2)懸索結(jié)構(gòu)的承重索撓度與其跨度之比及承重索跨中豎向位移與其跨度之比不應(yīng)大于下列數(shù)值:單層懸索體系一1/200(自初始幾何態(tài)算起),雙層懸索體系、索網(wǎng)結(jié)構(gòu)-1/250(自預(yù)應(yīng)力態(tài)算起)。l(3)鋼索宜采用鋼絲、鋼絞線、熱處理鋼筋,質(zhì)量要求應(yīng)分別符合國(guó)家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn),

8、即預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲(GB5223)、預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線(GB5224、預(yù)應(yīng)力混凝土用熱處理鋼筋(GB4453)。l(4)懸索結(jié)構(gòu)的計(jì)算應(yīng)按初始幾何狀態(tài)、預(yù)應(yīng)力狀態(tài)和荷載狀態(tài)進(jìn)行,并充分考慮幾何非線性的影響。l(5)在確定預(yù)應(yīng)力狀態(tài)后,應(yīng)對(duì)懸索結(jié)構(gòu)在各種情況下的永久荷載與可變荷載下進(jìn)行內(nèi)力、位移計(jì)算:并根據(jù)具體情況,分別對(duì)施工安裝荷載、地震和溫度變化等作用下的內(nèi)力、位移進(jìn)行驗(yàn)算。在計(jì)算各個(gè)階段各種荷載情況的效應(yīng)時(shí)應(yīng)考慮加載次序的影響。懸索結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移可按彈性階段進(jìn)行計(jì)算。l(6)作為懸索結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件的柔性索只能承受拉力,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)防止各種情況下引起的索松弛而導(dǎo)致不能保持受拉情況的發(fā)生。l

9、(7)設(shè)計(jì)懸索結(jié)構(gòu)應(yīng)采取措施防止支承結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過(guò)大的變形,計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮支承結(jié)構(gòu)變形的影響l(8)當(dāng)懸索結(jié)構(gòu)的跨度超過(guò)100m且基本風(fēng)壓超過(guò)0.7KN/m2時(shí),應(yīng)進(jìn)行風(fēng)的動(dòng)力響應(yīng)分析,分析方法宜采用時(shí)程分析法或隨機(jī)振動(dòng)法。l(9)對(duì)位于抗震設(shè)防烈度為8度或8度以上地區(qū)的懸索結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行地震反應(yīng)驗(yàn)算。 l2.荷載l懸索結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)除索中預(yù)應(yīng)力外,所考慮的荷載與一般結(jié)構(gòu)相同,這些荷載有:l(1)恒載:包括覆蓋層、保溫層、吊頂、索等自重。按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GBJ5009)進(jìn)行計(jì)算l(2)活載:包括保養(yǎng)、維修時(shí)的施工荷載。按建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GBJ5009)取用。對(duì)于懸索結(jié)構(gòu),一般取0.3KN/

10、mm2,不與雪荷載同時(shí)考慮。l(3)雪載:基本雪壓值按建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GBJ5009)取用,在懸索結(jié)構(gòu)中應(yīng)根據(jù)屋蓋的外形輪廓考慮雪荷載不均勻分布所產(chǎn)生的不利影響,并應(yīng)按多種荷載情況進(jìn)行靜力分析。復(fù)雜形狀的懸索結(jié)構(gòu)屋面上的雪荷載分布情況應(yīng)按當(dāng)?shù)貙?shí)際情況確定。 l(4)風(fēng)載:基本風(fēng)壓值按建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GBJ5009)取用,風(fēng)荷載的體型系數(shù)宜進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)確定。對(duì)輕型屋面應(yīng)考慮風(fēng)壓脈動(dòng)影響。l(5)動(dòng)荷載:考慮風(fēng)力、地震作用等對(duì)屋蓋的動(dòng)力影響。l(6)預(yù)應(yīng)力:為了在荷載作用下不使鋼索發(fā)生松弛和產(chǎn)生過(guò)大的變形,需將鋼索的變形控制在一定的范圍之內(nèi);為了避免發(fā)生共振現(xiàn)象,需將體系的固有頻率控制在一定的

11、范圍之內(nèi)。這要求屋蓋具有一定的剛度,因此,必須在索中施加預(yù)應(yīng)力,預(yù)應(yīng)力的取值一般應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式、活載與恒載比值以及結(jié)構(gòu)最大位移的控制值等因素通過(guò)多次試算確定。 l(7)安裝荷載:應(yīng)分別考慮每一安裝過(guò)程中安裝荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響,在邊緣構(gòu)件和支承結(jié)構(gòu)中常常會(huì)出現(xiàn)較大的安裝應(yīng)力。結(jié)構(gòu)的蠕變和溫度變化將導(dǎo)致鋼索和結(jié)構(gòu)剛度減小,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中還應(yīng)考慮它們的影響。對(duì)非抗震設(shè)計(jì),荷載效應(yīng)組合應(yīng)按建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GBJ5009)計(jì)算。在截面及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中,應(yīng)按荷載的基本組合確定內(nèi)力設(shè)計(jì)值,在位移計(jì)算中應(yīng)按荷載短期效應(yīng)組合確定其撓度。對(duì)抗震設(shè)計(jì),應(yīng)按建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GBJ50011)確定屋蓋重力荷載代表值 。l3.鋼索設(shè)計(jì)l懸索結(jié)構(gòu)中的鋼索可根據(jù)結(jié)構(gòu)跨度、荷載、施工方法和使用條件等因素,分別采用有高強(qiáng)鋼絲組成的鋼絞線、鋼絲繩或平行鋼