第七節(jié)懸索結構

1、l單層索網(wǎng)l單層單向懸索結構l單層輻射狀懸索結構l雙層懸索體系l雙層單向懸索結構l雙層雙向懸索結構l雙層輻射懸索結構l索網(wǎng)結構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)固的支承結構上。在懸索結構中,單層懸索體系在構造和理論計算上都比較簡單。l單層懸索體系又可細分為單層單向懸索結構、單層輻射狀懸索結構和單層網(wǎng)狀懸索結構。l單層單向懸索結構，由一群平行走向的承重索組成,并構成單曲下凹屋面。拉索兩端懸掛在穩(wěn)定的支承結構上,也可設置專門的錨索或端部水平結構來承受懸索的拉力l單層輻射狀懸索結構。當屋蓋為圓形或橢圓形平面時,懸索一般按輻射狀布置,整個屋面形成下凹的旋

2、轉曲面,懸索支承在周邊構件受壓圈梁上，這種下凹的屋面不便于排水。當房屋中央客廳設支柱時,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)狀懸索結構。網(wǎng)狀布置的單層索形成下凹的雙曲率曲面,兩個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)狀懸索結構其邊緣構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.采用預應力鋼筋混凝土懸掛薄殼。 c.采用橫向加勁構件。在平行布置的單層懸索上,把索錨固好以后,在索上敷設與索方向垂直的實腹梁或絎架

3、等橫向勁性構件,下壓這些橫向構件的兩端,使之產(chǎn)生強迫位移。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。雙層索系中的每對承重索、穩(wěn)定索一般位于同一豎向平面,二者之間通過受拉或受壓的連系桿相連,其外形與受力特點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,應綜合考慮建筑功能,建筑造型及結構受力的合理性等條件進行選取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高斯曲率的曲面懸索結構。下凹的鋼索為承重索,上凸的鋼索為穩(wěn)定索,兩組索在交點處相互連接在一起,索

4、網(wǎng)周邊懸掛在強大的周邊構件上。 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)突出開闊的環(huán)境耶魯大學冰球館耶魯大學冰球館羅馬體育館羅馬體育館北京朝陽體育館（二元并聯(lián)）北京朝陽體育館（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)大學體育館（四元并聯(lián)）哈爾濱工業(yè)大學體育館（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懸索結構與其它結構形式相比,具有如下一些特點:(1)受力合理,經(jīng)濟性好。懸索結構依靠索的受拉抵抗外荷載,因此能夠充分發(fā)揮高強鋼索的力學性能,用料省,結構自重輕,可以較經(jīng)濟地跨越很大的跨度。索的用鋼量僅為普通鋼結構的1/51/

5、7,當跨度不超過150m時,每1m2屋蓋的用鋼量一般在10kg以下。(2)施工方便。鋼索自重小,屋面構件一般也較輕,施工、安裝時不需要大型起重設備,也不需要腳手架,因而施工周期短,施工費用相對較低。l(3)建筑造型美觀。懸索結構不僅可以適應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形式的要求,實現(xiàn)建筑和結構較完美的結合。(4)懸索結構的邊緣構件或支承結構受力較大,往往需要強大的截面、耗費較多的材料,而且其剛度對懸索結構的受力影響較大,因此,邊緣構件或支承結構的設計極為重要。(5)懸索結構的受力屬大變位、小應變,非線性強,常規(guī)結構分析中的疊加原理

6、不能利用,計算復雜l對矩形平面可采用單層單向懸索,承重索沿長邊方向布置?；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)結構，在接近方形平面和橢圓形平面中則選用索網(wǎng)結構較為合適。當平面為梯形、扇形,采用單層或雙層懸索體系時,索的兩端支點應按等距離設置。單層索系應采用重屋面,雙層懸索體系索網(wǎng)結構宜采用輕屋面也可用重屋面。l1.設計基本規(guī)定l(1)對單層懸索體系,當平面為矩形時,懸索兩端支點可設計為等高或不等高,索的垂度可取跨度的1/101/20;當平面為圓形時,中心受拉環(huán)與結構外環(huán)直徑之比可取1/81/17,索的垂度可取跨度的1/101/20。對雙層懸索體系,當

7、平面為矩形時,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;當平面為圓形時，中心受拉環(huán)與結構外環(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。對索網(wǎng)結構,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)懸索結構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)結構-1/250(自預應力態(tài)算起)。l(3)鋼索宜采用鋼絲、鋼絞線、熱處理鋼筋,質量要求應分別符合國家現(xiàn)行有關標準,

8、即預應力混凝土用鋼絲(GB5223)、預應力混凝土用鋼絞線(GB5224、預應力混凝土用熱處理鋼筋(GB4453)。l(4)懸索結構的計算應按初始幾何狀態(tài)、預應力狀態(tài)和荷載狀態(tài)進行,并充分考慮幾何非線性的影響。l(5)在確定預應力狀態(tài)后,應對懸索結構在各種情況下的永久荷載與可變荷載下進行內力、位移計算:并根據(jù)具體情況,分別對施工安裝荷載、地震和溫度變化等作用下的內力、位移進行驗算。在計算各個階段各種荷載情況的效應時應考慮加載次序的影響。懸索結構內力和位移可按彈性階段進行計算。l(6)作為懸索結構主要受力構件的柔性索只能承受拉力,設計時應防止各種情況下引起的索松弛而導致不能保持受拉情況的發(fā)生。l

9、(7)設計懸索結構應采取措施防止支承結構產(chǎn)生過大的變形,計算時應考慮支承結構變形的影響l(8)當懸索結構的跨度超過100m且基本風壓超過0.7KN/m2時,應進行風的動力響應分析,分析方法宜采用時程分析法或隨機振動法。l(9)對位于抗震設防烈度為8度或8度以上地區(qū)的懸索結構應進行地震反應驗算。 l2.荷載l懸索結構設計時除索中預應力外,所考慮的荷載與一般結構相同,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)行國家標準建筑結構荷載規(guī)范(GBJ5009)進行計算l(2)活載:包括保養(yǎng)、維修時的施工荷載。按建筑結構荷載規(guī)范(GBJ5009)取用。對于懸索結構,一般取0.3KN/

10、mm2,不與雪荷載同時考慮。l(3)雪載:基本雪壓值按建筑結構荷載規(guī)范(GBJ5009)取用,在懸索結構中應根據(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,并應按多種荷載情況進行靜力分析。復雜形狀的懸索結構屋面上的雪荷載分布情況應按當?shù)貙嶋H情況確定。 l(4)風載:基本風壓值按建筑結構荷載規(guī)范(GBJ5009)取用,風荷載的體型系數(shù)宜進行風洞試驗確定。對輕型屋面應考慮風壓脈動影響。l(5)動荷載:考慮風力、地震作用等對屋蓋的動力影響。l(6)預應力:為了在荷載作用下不使鋼索發(fā)生松弛和產(chǎn)生過大的變形,需將鋼索的變形控制在一定的范圍之內;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。這要求屋蓋具有一定的剛度,因此,必須在索中施加預應力,預應力的取值一般應根據(jù)結構形式、活載與恒載比值以及結構最大位移的控制值等因素通過多次試算確定。 l(7)安裝荷載:應分別考慮每一安裝過程中安裝荷載對結構的影響,在邊緣構件和支承結構中常常會出現(xiàn)較大的安裝應力。結構的蠕變和溫度變化將導致鋼索和結構剛度減小,在結構設計中還應考慮它們的影響。對非抗震設計,荷載效應組合應按建筑結構荷載規(guī)范(GBJ5009)計算。在截面及節(jié)點設計中,應按荷載的基本組合確定內力設計值,在位移計算中應按荷載短期效應組合確定其撓度。對抗震設計,應按建筑抗震設計規(guī)范(GBJ50011)確定屋蓋重力荷載代表值 。l3.鋼索設計l懸索結構中的鋼索可根據(jù)結構跨度、荷載、施工方法和使用條件等因素,分別采用有高強鋼絲組成的鋼絞線、鋼絲繩或平行鋼