課件-建筑構(gòu)造

懸索結(jié)構(gòu)

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(gòu)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(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)的類型BasicTypesofCable-suspendedStructures1.單層懸索加重屋面

Single-LayerCableSystemwithHeavy(R.C.)Slabs2.預(yù)應(yīng)力“懸掛薄殼”

Pre-stressed“SuspendedShell”3.預(yù)應(yīng)力雙層索系

Double-LayerCounter-StressedCableSystem4.預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)

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(jié)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)理論與常規(guī)結(jié)構(gòu)相比有很大區(qū)別，不能為大多數(shù)設(shè)計(jì)人員所掌握，成為目前限制該類結(jié)構(gòu)不能得到廣泛應(yīng)用的主要原因之一。并且，盡管懸索結(jié)構(gòu)的施工并不復(fù)雜，但是一般的施工單位對(duì)其并不熟悉，專業(yè)的懸索施工隊(duì)伍也很少，這也是影響該類結(jié)構(gòu)應(yīng)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(gòu)件。它由一系列按一定規(guī)律布置的高強(qiáng)度索組成，起著承擔(dān)屋面荷載并將其傳至支承結(jié)構(gòu)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(gòu)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(chǔ)。支承結(jié)構(gòu)的合理性和可靠性直接影響著整個(gè)屋蓋結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)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(yù)制板組成。其作用是形成一個(gè)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(duì)索施加預(yù)應(yīng)力形成自平衡體系而實(shí)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)功能。1.單層索系加重屋面

設(shè)置重屋面的作用——使均布重力荷載具有優(yōu)勢(shì)，以保證初始形狀的相對(duì)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(gòu)成的結(jié)構(gòu)體系。此類懸索結(jié)構(gòu)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(gè)方向相交（或正交）并曲率方向相同的承重索系構(gòu)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(jìn)一步演進(jìn)。

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

(2)加超載，然后灌縫

Overloadingandthenfilltheseams(3)縫結(jié)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(qiáng)屋面剛度，提高抗風(fēng)掀起性能，此時(shí)屋面也參與結(jié)構(gòu)作用。德國烏柏特市游泳館ASwimmingHallinGerman結(jié)構(gòu)剖面StructuralCross-Section

雙層懸索體系

雙層懸索屋蓋的基本構(gòu)成單元是索桁架（圖6.3-3）。索桁架承重索、穩(wěn)定索和聯(lián)系承重索和穩(wěn)定索的腹桿組成，其中，負(fù)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(yù)應(yīng)力可以互相平衡，因此索桁架中能維持預(yù)應(yīng)力。正是由于預(yù)應(yīng)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(gè)結(jié)構(gòu)的剛度。在動(dòng)荷載作用下，這種體系也具有很好的抗震性能。根據(jù)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(duì)主索來說，預(yù)應(yīng)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(nèi)（圖6.3-4a），但也有將其交錯(cuò)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(shí)例ExamplesofPlaneDouble-CableSystem荷蘭鹿特丹體育館德國法蘭克福技術(shù)檢查局機(jī)動(dòng)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(shí)例ExamplesofPlaneDouble-CableSystem芬蘭赫爾辛基冰上運(yùn)動(dòng)場吉林滑冰館JilinIce-SkatingRink，China吉林滑冰館——預(yù)應(yīng)力空間雙層索系SpatialDouble-layerCableSystemforJilinIce-SkatingRink（2）輻射式懸索結(jié)構(gòu)，又叫做車輻式懸索結(jié)構(gòu)，通常用于圓形屋蓋，其結(jié)構(gòu)布置就像自行車輪一樣，結(jié)構(gòu)中部設(shè)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(gòu)件上（一般為受壓圈梁），承重索和穩(wěn)定索之間可以設(shè)腹桿，也可不設(shè)（圖6.3-5）。在圖6.3-5c不設(shè)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(yù)應(yīng)力施加通過拉環(huán)這一集中腹桿得以實(shí)現(xiàn)。雙向雙層懸索結(jié)構(gòu)（圖6.3-6），將索桁架沿相互交叉（或正交）的兩個(gè)方向布置，形成交叉網(wǎng)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(shí)例ExamplesofDouble-layerCableSystemwithCircularPlan

前蘇聯(lián)列寧格勒體育館結(jié)構(gòu)簡圖1958年布魯塞爾世界博覽會(huì)美國館結(jié)構(gòu)剖面圓形平面雙層索系實(shí)例ExamplesofDouble-layerCableSystemwithCircularPlan

首都工人體育館TheWorkers’Gymnasium,Beijing

4.預(yù)應(yīng)力鞍形索網(wǎng)Pre-stressedCableNet為了施加預(yù)應(yīng)力，兩個(gè)方向的索曲率相反，因此預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)的曲面必定是負(fù)高斯曲率的鞍形曲面。

Pre-tensionrequiresthatthecablesoftwodirectionsshouldhavecountercurvatures,SothatcablenetalwayshasasurfaceofnegativeGaussioncurvature.索網(wǎng)結(jié)構(gòu)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(fù)高斯曲率的網(wǎng)狀懸索結(jié)構(gòu)體系，也稱為鞍形索網(wǎng)（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(shè)置強(qiáng)大的邊緣構(gòu)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(qiáng)大的邊拱，將荷載直接傳給基礎(chǔ)（圖6.3-7b、c）。圖6.3-7索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的典型形式對(duì)索網(wǎng)結(jié)構(gòu)也必須施加預(yù)應(yīng)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(duì)其中任何一組或?qū)山M同時(shí)進(jìn)行張拉，均可實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力。索網(wǎng)的工作原理和雙層索系非常相似，因此預(yù)應(yīng)力足夠大時(shí)索網(wǎng)具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和剛度，可以采用輕屋面。索網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系多樣，容易適應(yīng)建筑需要，屋面排水也較易處理，因此近年來獲得了廣泛應(yīng)用。索網(wǎng)的各種形式DifferentFormsofCableNet預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)的工程實(shí)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(yù)應(yīng)力混凝土拉桿

)圖6.3-11華盛頓國際航空港大廳懸索結(jié)構(gòu)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(wǎng)：承重索垂跨比1/20～1/10

穩(wěn)定索拱跨比1/30～1/15

由兩個(gè)邊緣水平拱和一個(gè)垂直中央拱組成。中央拱與兩邊看臺(tái)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(dāng)兩側(cè)荷載變化時(shí)，原來的平衡就被破壞。而拱平面外剛度很小，對(duì)拱面外力幾乎沒有辦法，因此將中央拱設(shè)計(jì)為具有平面外轉(zhuǎn)動(dòng)功能的大拱，當(dāng)拱兩側(cè)屋面撓度變化時(shí)，拱也跟著轉(zhuǎn)動(dòng)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(tái)的帳篷式索網(wǎng)示意圖TheSketchoftheCableNetfortheStadium體育場主看臺(tái)的帳篷式索網(wǎng)

TheCableNetoftheStadium施工中的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)CableNetunderConstruction青島體育館的組合索網(wǎng)結(jié)構(gòu)

TheQingdaoGymnasium,China5.設(shè)置橫向加勁構(gòu)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(gòu)件(梁或桁架)的作用：借以施加預(yù)應(yīng)力勻開集中荷載6.勁性索RigidCable（具有一定抗彎剛度的構(gòu)件或桁架）第22屆奧運(yùn)會(huì)游泳館勁性索屋蓋結(jié)構(gòu)

TheMoscowSwimmingHall第22屆奧運(yùn)會(huì)游泳館勁性索屋蓋結(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)受力性能的不同，或不同材料的強(qiáng)度性能的不同，使各種結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮各自的特長，使各種材料取長補(bǔ)短共同工作，有時(shí)還可使承重結(jié)構(gòu)與維護(hù)構(gòu)件合二為一，達(dá)到材盡其用的目的。即各種“復(fù)合結(jié)構(gòu)