懸索結構蘭州理工大學

3.4懸索結構懸索結構的形式懸索結構的計算要點懸索結構基本設計鋼索材料、錨固及連接構件11.懸索結構的概念懸索結構由受拉索、邊緣構件和下部支承構件所組成，如圖3-1所示。拉索按一定的規(guī)律布置可形成各種不同的體系，邊緣構件和下部支承構件的布置則必須與拉索的形式相協(xié)調(diào)，有效地承受或傳遞拉索的拉力。拉索一般采用由高強鋼絲組成的鋼絞線、鋼絲繩或鋼絲束，邊緣構件和下部支承構件則常常為鋼筋混凝土結構。3.4.1懸索結構的形式懸索結構的組成

22懸索結構具有以下特點：

1、懸索結構通過索的軸向受拉來抵抗外荷載的作用，可以最充分地利用鋼材的強度。索一般都是采用高強度材料制成的，更可大大減少材料用量并可減輕結構自重。因而，懸索結構適用于大跨度的建筑物，如：體育館、展覽館等?？缍仍酱螅?jīng)濟效果越好。2、懸索結構便于建筑造型，容易適應各種建筑平面，因而能較自由地滿足各種建筑功能和表達形式的要求。鋼索線條柔和，便于協(xié)調(diào)，有利于創(chuàng)作各種新穎的富有動感的建筑體型。3、懸索結構施工比較方便。鋼索自重很小，屋面構件—般也較輕，安裝屋蓋時不需要大型起重設備。施工時不需要大量腳手架，也不需要模板。因而，與其他結構型式比較，施工費用相對較低。

34、可以創(chuàng)造具有良好物理性能的建筑空間。雙曲下凹碟形懸索屋蓋具有極好的音響性能。因而可以用來遮蓋對聲學要求較高的公共建筑。懸索屋蓋對室內(nèi)采光也極易處理，故用于采光要求高的建筑物也很適宜。5、懸索屋蓋結構的穩(wěn)定性較差。單根的懸索是一種幾何可變結構，其平衡形式隨荷載分布方式而變，特別是當荷載作用方向與垂度方向相反時，懸索就喪失了承載能力。因此，常常需要附加布置一些索系或結構來提高屋蓋結構的穩(wěn)定性。6、懸索結構的邊緣構件和下部支承必須具有一定的剛度和合理的形式，以承受索端巨大的水平拉力。因此懸索體系的支承結構往往需要耗費較多的材料，無論是設汁成鋼筋混凝土結構或鋼結構，其用鋼量均超過鋼索部分。當跨度小時，由于鋼索錨固構造和支座結構的處理與跨度大時一樣復雜，往往并不經(jīng)濟4懸索結構分為單層懸索體系、預應力雙層懸索體系、預應力鞍形索網(wǎng)、預應力橫向加勁單層索系、預應力索拱及張弦結構、懸掛薄殼、張拉整體結構、索膜結構及混合懸掛結構等形式（1）單層懸索體系：單層懸索體系是由按一定規(guī)律布置得單根懸索組成，懸索兩端錨掛在支撐結構上。索系布置有平行式、輻射式、網(wǎng)格式三種。（2）預應力雙層懸索體系（索桁架）：雙層懸索體系是由一系列下凹的承重索、上凸的穩(wěn)定索及兩者之間的連系桿（拉桿活壓桿組成）2.

懸索結構分類5（3）預應力鞍形索網(wǎng)：鞍形索網(wǎng)是由曲率相反的兩組鋼索相互正交做成的負高斯曲率的曲面懸索結構，索網(wǎng)周邊懸掛在邊緣構件上。下凹的承重索在下，上凸的穩(wěn)定索在上，兩組索在交點處連接。（4）預應力橫向加勁單層索系：在平行布置的單層懸索上敷設與索方向垂直的實腹梁或桁架等勁性構件，通過下壓這些橫向構件的兩端并加以固定，在索與橫向構件組成的體系中建立起預應力，形成橫向加勁單層索系屋蓋結構也稱索梁體系。（5）預應力索拱及張弦結構在鞍行索網(wǎng)中，以實腹式或格構式進行構件代替上凸的穩(wěn)定索，張拉承重索或下壓拱的兩端，使索與拱互相壓緊，形成預應力索拱體系。6（6）預應力懸掛薄殼：為改善索體系的工作性能，在單層索系、雙層索系和鞍形索網(wǎng)中采用預制鋼筋混凝土屋面時，可做成預應力混凝土懸掛薄殼。（7）張拉整體結構：張拉整體結構是由分散的壓桿與連續(xù)的索網(wǎng)構成的自平衡體系，通過施加預拉力使體系成形，他的剛度與體系內(nèi)部的預應力大小有關。張拉整體結構可以設稱有勁可能多的受拉索構成，以便最大限度地利用材料性能。（8）索膜結構：索膜結構是利用剛性構件提供支點，將鋼索和膜懸掛起來，利用拉索對膜面施加足夠預拉力將膜材料繃緊形成具有一定形狀和剛度的構件鋼索被用來加強薄膜并作為薄膜的邊緣構件。膜材兼具圍護和承重兩種功能。薄膜材了由柔性織物和涂層復合而成，具有較高的抗拉強度和彈性模量，良好的耐久性能。71.設計基本規(guī)定

（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1/10~l/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1/8~1/17，索的垂度可取跨度的1/10~l/20。對雙層懸索體系，當平面為矩形時，承重索的垂度可取跨度的1/15~l/20，穩(wěn)定索的拱度可取跨度的1/15~l/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1/5~l/12，承重索的垂度可取跨度的1/17~l/22，穩(wěn)定索的拱度可取跨度的1/16~l/26。對索網(wǎng)結構，承重索的垂度可取跨度的1/10~l/20，穩(wěn)定索的拱度可取跨度的1/15~l/30。（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-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）。3.4.2懸索結構的計算要點8（3）鋼索宜采用鋼絲、鋼絞線、熱處理鋼筋，質(zhì)量要求應分別符合國家現(xiàn)行有關標準，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）。鋼絲、鋼絞線、熱處理鋼筋的強度標準值、強度設計值、彈性模量應按表4-3采用。表1

鋼索的抗拉強度標準值、設計值和彈性模量

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（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。（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(nèi)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(nèi)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(nèi)力和位移可按彈性階段進行計算。（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。（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。（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。10

（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。2荷載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，主要有：（1）恒載：包括覆蓋層、保溫層、吊頂、索等自重。按現(xiàn)行國家標椎《建筑結構荷載規(guī)范》GB50009-2001進行計算。（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》GB50009-2001取用。對于懸索結構，一般取0.3kN/mm2，不與雪荷載同時考慮。（3）雪載：基本雪壓值按《建筑結構荷載規(guī)范》GB50009-2001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。當平面為矩形、圓形或橢圓形時，不同形狀屋面上需考慮的雪荷載情況及積雪分布系數(shù)可參考圖4-15采用。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。

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（4）風載：基本風壓值按《建筑結構荷載規(guī)范》GB50009-2001取用，風荷載的體型系數(shù)宜進行風洞試驗確定，對矩形、菱形、圓形及橢圓形等規(guī)則曲面的風荷載的體型系數(shù)可參考表4-4采用。對輕型屋面應考慮風壓脈動影響。（5）動荷載：考慮風力、地震作用等對屋蓋的動力影響。（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(nèi)；為了避兔發(fā)生共振現(xiàn)象，需將體系的固有頻率控制在一定的范圍之內(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。（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

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對非抗震設計，荷載效應組合應按《建筑結構荷載規(guī)范》GB50009-2001計算。在截面及節(jié)點設計中，應按荷載的基本組合確定內(nèi)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》GB0011-2001確定屋蓋重力荷載代表值。3鋼索設計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、鋼絲繩或平行鋼絲束，其中鋼絞線和平行鋼絲束最為常用。但也可采用圓鋼筋或帶狀薄鋼板。平行鋼絲束中各鋼絲不經(jīng)纏繞，受力均勻，能充分發(fā)揮鋼材的力學性能，其承載能力和彈性模量均較鋼絞線或鋼絲繩為高，造價也較低，應用廣泛，在懸索拉力較大時宜優(yōu)先采用；在相同直徑下，鋼絞線的強度和彈性模量高于鋼絲繩，但由于鋼絲繩比較柔軟，在需要彎曲且曲率較大的懸索結構中宜采用。

13單索截面根據(jù)承載力按下式驗算：

式中——結構重要性系數(shù)，取=1.1或1.2；——單索最大軸向拉力設計值；——單索材料抗拉強度設計值，由表4-1查得；——單索截面面積。14懸索結構基本設計（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1/10~l/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1/8~1/17，索的垂度可取跨度的1/10~l/20。對雙層懸索體系，當平面為矩形時，承重索的垂度可取跨度的1/15~l/20，穩(wěn)定索的拱度可取跨度的1/15~l/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1/5~l/12，承重索的垂度可取跨度的1/17~l/22，穩(wěn)定索的拱度可取跨度的1/16~l/26。對索網(wǎng)結構，承重索的垂度可取跨度的1/10~l/20，穩(wěn)定索的拱度可取跨度的1/15~l/30。

（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-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）。（3）鋼索宜采用鋼絲、鋼絞線、熱處理鋼筋，質(zhì)量要求應分別符合國家現(xiàn)行有關標準，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）。鋼絲、鋼絞線、熱處理鋼筋的強度標準值、強度設計值、彈性模量應按表4-3采用。15表4-1鋼索的抗拉強度標準值、設計值和彈性模量（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。

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（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(nèi)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(nèi)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(nèi)力和位移可按彈性階段進行計算。（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。

（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。

（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。（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。17節(jié)點的構造應符合結構分析中的計算假定。其所選用的鋼材及節(jié)點中連接的材料應按國家標準《鋼結構設計規(guī)范》GB50017—2003、《混凝土結構設計規(guī)范》GB50010-2002及《碳素結構鋼》GB700的規(guī)定。節(jié)點采用鑄造，鍛壓或其它加工方法進行制作時尚應符合國家相應的有關規(guī)定。節(jié)點及連接應進行承載力、剛度驗算以確保節(jié)點的傳力可靠。節(jié)點和鋼索的連接件的承載力應大于鋼索的承載力設計值。節(jié)點構造尚需考慮與鋼索的連接相吻合，以消除可能出現(xiàn)的構造間隙和鋼索的應力損失。1、鋼索與鋼索連接鋼索與鋼索之間應采用夾具連接，夾具的構造及連接方式可選用：①U形夾連接；②夾板連接。鋼索材料、錨固及連接構造18U形夾衫連接夾板連東接19（2魄）鋼索藏連接件鋼索餃的連哄接件銷可選洽用下口列幾豆種形舞式：靠①擠債壓螺習桿；甘②擠勵壓式