Cable-suspended structures 第四章 悬索结构 Cable-suspended structures

一、悬索结构的概念和受力变形特点 1、概念 悬索结构是指悬索结构由受拉索、边缘构件和下部支承构件组成。一系列受拉的索按照一定规律组成各种不同形式的体系，并悬挂在承重支承构件上，边缘构件和下部支承构件的布置必须与拉索的形式相协调，有效地承受或传递拉索拉力。

随着新材料的出现和经济的发展，对大跨度建筑的需求日益增大，悬索结构是比较适合的结构形式，其特点如下： 悬索结构是以一系列受拉的索作为主要的受力构件，通过索的轴向拉伸来抵抗外荷载作用。其结构体系及受力特性区别于传统的结构形式。 结构材料的性能得到了充分发挥，减轻结构自重，降低造价。悬索结构在同一断面上具有同样符号的应力，充分发挥了材料的性能，从而大大节省了材料。 造型丰富多彩，易于大跨度。采用悬索结构时我们可以自由的选取建筑的造型，使得建造的建筑非常美观，并且由于自重轻，可以实现较大跨度。

施工快捷。由于悬索结构很轻，屋面多为膜结构或者预制钢筋混凝土板，这样不需要重型的起重设备及搭设脚手架就可以实现装配施工，降低了施工成本。 悬索结构与通常的刚性屋盖结构有显著的区别在于较大的柔性和几何可变特性，产生大机构性位移，这样就对结构的屋面板施工过程中就要引起足够的重视，此外，在风吸力作用下结构可能会被风掀起的危险，甚至遭受破坏。 悬索结构的边缘构件和下部支承必须具有一定的刚度和合理的形式，以承受悬索端巨大的水平拉力。

2、悬索结构的受力变形分析 悬索结构在外荷载作用下，尽管应变很小，但结构会产生较大的位移。传统结构的小变形分析理论将不再适用，必须考虑结构的大变形的影响，即平衡方程不是以变形前的初始位置建立，而必须以变形后的几何位置建立平衡条件，这就是悬索结构的几何非线性问题。当在不同的初始状态上施加相同的荷载增量时，引起的效应（内力和变形）各不相同。因此，在求解悬索问题时其初始状态必须明确给定，在此状态下的一切量均为已知，以此为参照来求解在荷载增量下的悬索的内力和变形。荷载增量作用后的状态的为荷载状态。两端支座为固定铰支座的索为单索，属于轴心受拉构件。既不能受拉，也不能受弯受剪。

索的平衡方程 单索沿跨度分布的竖向均布荷载作用下，跨中索的下垂度为，悬索的计算跨度为，悬索呈抛物线，即：

二、悬索结构形式及结构选型 1、悬索结构的形式 悬索结构形式极其丰富多彩，根据几何形状、组成方法、悬索材料以及受力特点等不同因素，可有多种不同的划分。本章按组成方法和受力特点将悬索结构分为：单层悬索体系、预应力双层悬索体系、预应力鞍形索网、预应力横向加劲索系、劲性悬索等形式。

（1）单层悬索体系

单层悬索体系的优点是传力明确，构造简单；缺点是屋面稳定性差。因此应采用重型屋面，适用于中小跨度建筑的屋盖。单层悬索体系中索的受力与单根悬索相似，其形状稳定性差。

（2）预应力双层悬索体系 双层索系由一系列下凹的承重索和上凸的稳定索以及它们之间的连系杆（受拉钢索或受压撑杆）组成。 当平面为矩形或多边形时，可平行布置，承重索和稳定索可采用不同的组合方式形成上凸（承重索布置在稳定索之下）、下凹（承重索布置在稳定索之上）或凹凸形（承重索和稳定索相互交叉）屋面，其外形和受力特点类似于承受横向荷载的传统平面桁架，又常称为索桁架；当平面为圆形时，承重索、稳定索可按辐射状布置，中心宜设置受拉环。

双层索系

（3）预应力鞍形索网 预应力鞍形索网是由两组相互正交、曲率相反的曲线形拉索直接交叠，而形成的一种“负高斯曲率”的曲面悬索结构，常称为“鞍形索网”。 两组索中，上凸的稳定索在上，下凹的承重索在下，两组索在交点处利用夹具相互连接，索网周边锚固在强大的边缘构件上，或通过拉索锚定在若干单独的固定支座上。

（4）预应力横向加劲索系 横向加劲单曲悬索屋盖是悬索结构一种重要形式。它不但保持单曲悬索屋盖的优点，又加强了悬索结构的结构整体稳定性。 柔性悬索体系要采取一定措施使其具有必要的结构刚度和保形能力，以满足结构的各种功能要求。横向加劲构件可以是梁式桁架，它们与索垂直相交，并置于索之上。 横向加劲构件具有一定的抗弯刚度，其两端固定并与各索连成整体，和索共同抵抗外荷。通过下压横向加劲构件端部支座，使之产生强迫位移，在结构中建立预应力，大大增加了屋面结构的刚度和形状稳定性。

横向加劲索系

（5）劲性悬索结构 所谓劲性悬索结构就是具有一定的抗弯和抗压刚度的曲线形实腹或格构式构件来代替通常的柔性索的悬挂结构。 在全跨荷载作用下，劲性索的受力仍然以受拉为主，钢材的强度可充分得到利用，实现了以较少材料跨越较大跨度的效果。由于劲性索具有一定的抗弯刚度，大大提升了抵抗局部荷载下机构位移的能力。结构无需施加预张力即有良好的结构承载性能，因而可减小对支承结构的作用，实现快捷施工。可见，劲性索结构兼有柔索与普通钢结构的优点。劲性索屋盖宜采用轻质屋面材料，以减轻劲性索和支承结构的负担。

劲性索结构

The Moscow Swimming Hall 第22届奥运会游泳馆劲性索屋盖结构 The Moscow Swimming Hall

The Moscow Swimming Hall 第22届奥运会游泳馆劲性索屋盖结构 The Moscow Swimming Hall (b 劲性索与拱的铰接 c 拱脚)

日本代代木体育馆建成图

（6）索支承玻璃结构 1）索支承玻璃幕墙体系 索支承玻璃幕墙结构是通过金属连接件以点支承的方式实现玻璃与支承结构的连接，具有独立的支承体系。这无疑提高了幕墙的通透性和安全性，促进了建筑物内外空间的流通和融合，人们可以透过玻璃清楚地看到支承玻璃的整个结构，这种系统已从单纯的支承作用转向表现其可见性；但同时也对幕墙支承结构提出了更高的要求，即支承结构在满足结构功能的同时，还应兼顾建筑美观的要求，尽量减少支承构件的数量，降低构件截面尺寸。

(a)单索 (b)平面单层索网 (c)曲面单层索网

(d)鱼腹式索桁架 (e)自平衡索桁架

(a)幕墙外立面 (b)幕墙内视图 德国外交部大楼索网玻璃幕墙

2）索系支承玻璃采光顶体系 索系支承玻璃采光顶也是由玻璃面板、连接爪件和支承结构三部分组成。采光顶的支承结构除了满足通透性的基本要求外，其结构体系与一般屋盖结构类似。当索结构用于支承玻璃采光顶时，可采用单层索系、双层索系和张弦结构。

(a) 鞍形曲面单层索网

(b) 鱼腹式索桁架

(c) 轮辐式索桁架

2、悬索结构选型 索结构的选型应根据建筑物的功能与形状，跨度以及承受的荷载等，综合考虑材料供应、加工制作与现场施工安装方法，选择合理的结构形式、边缘构件及支承结构，设计时应保证结构的整体刚度和稳定性。 各种形式的悬索结构对于不同建筑平面的适用性是不同的，设计时应根据具体的平面形状选用合理的结构形式。

1）建筑造型及使用功能方面的考虑 2）材料及施工安装方面的考虑 3）要处理好边缘构件和支承结构的设计

三、结构设计 1、初始形态分析 在悬索结构初始形态分析过程，“形”与“态”的平衡是非常重要的。初始形态分析中的“形”是指悬索结构的曲面几何形状；“态”是指结构的预张力分布状态，一种“形”对应一种“态”，二者不可分割。

在悬索结构初始形态分析过程，由于“形”与“态”之间的一一对应性，形与态的平衡是非常重要的。因此“形”的设定合理与否将直接影响到“态”的合理性，反之亦然。 由于悬索结构在荷载作用下一般处于小应变、大位移状态，所以对于该类柔性结构的有限元计算需考虑结构具有的几何非线性的特点。

对于双曲抛物面索网结构可以通过解析计算方法就可得到准确的初始平衡态；但对于其他类型的曲面，其初始状态通常可以采用非线性有限元法进行迭代计算来确定。 常用的悬索结构初始形态分析方法主要包括力密度法、动力松弛法、基于非线性有限元分析的节点平衡法和支座提升法等。不论采用上述哪种思路，都需要一个对“形”或“态”的反复试算过程。

2、悬索结构抗风设计 悬索结构充分利用材料的强度，大大减轻结构自重，在保证经济性的前提下能够具有较大的跨度。结构自重轻、阻尼低，对地震作用有较好的适应性，但是对风荷载却非常敏感，风荷载可能成为大跨度悬索结构设计的控制荷载。 悬索结构抗风设计理论的复杂性已成为制约其进一步发展的瓶颈，原因主要表现在如下几个方面：

(1)独特的受力体系 悬索结构的受力不同于常规的结构体系，在分析过程中通常假设悬索结构只能承受拉力而不能承受压力和弯矩作用。 通过施加预应力使得结构具有一定刚度从而能够承受外荷载的作用，在抗风分析过程中具有一定独特性。

（2）复杂的湍流特性和风荷载的非定常性 由于大跨度悬索结构在应用过程中创造了丰富多彩的结构形式，流动分离、再附等湍流现象导致结构表面风压场分析的复杂性。流场有明显的三维效应，风荷载具有非定常性。

(3)结构大变形、风与结构相互作用的影响 悬索结构通过施加初始预张力赋予结构一定形状，才能抵抗外荷载作用。该类结构作为柔性张拉结构，对外荷载的抵抗是通过调节自身形状来实现的，结构除产生弹性变形外还会产生较大机构性位移，具有很强几何非线性。

（4）敏感的结构自振特性 悬索屋盖结构的固有频率随跨度和重力荷载以及悬索中的初始预拉力而变。通常跨度大于30米的悬索屋盖，均具有相应于风频谱上的较低的共振频率。因此，不能忽视动力分析特别是非线性动力分析的重要性。

四、悬索材料及锚具 1、索材料 由于索只能承受拉力，因此所选取的材料通常是抗拉性能优异的材料。通常可以采用金属材质和非金属材质。较为常见的金属材质为钢丝束、圆钢等，非金属材料如有机纤维制成的束。 钢丝的高耐拉强度是钢丝在生产过程中由于冷拔处理的结果，由于纤维组织发生了变化，抗拉强度比原始材料高3~6倍。

（a） 单层护套索体 （b）双层护套索体 钢丝束索体截面形式

钢丝束外应以高强缠包带缠包，高强缠包带外应有热挤高密度聚乙烯(HDPE)护套，在高温、高腐蚀环境下护套宜采用双层。高密度聚乙烯技术性能应符合现行行业标准《建筑缆索用高密度聚乙烯塑料》CJ/T 3078的规定。 钢丝绳索体可分别采用单股钢丝绳、密封钢丝绳、多股钢丝绳。钢丝绳索体应由绳芯和钢丝股组成，结构用钢丝绳应采用无油镀锌钢芯钢丝绳。

（a） 单股钢丝绳 （b）密封钢丝绳 （c）多股钢丝绳 钢丝绳索体截面形式

2、锚具及钢拉杆 （1）锚具 锚具是悬索与支承结构连接的关键部件，可靠、实用的锚具能够保证结构传力的安全，从而能够可靠的工作。 钢丝束、钢丝绳索体可采用热铸锚锚具或冷铸锚锚具。钢绞线索体可采用夹片锚具，也可采用挤压锚具或压接锚具。承受低应力或动荷载的夹片锚具应有防松装置。

(a) 单叉耳连接热铸锚具 (b) 双叉耳连接热铸锚具

(c) 双螺杆连接热铸锚具

(d) 螺纹螺母连接冷铸锚具

(e) 夹片锚具

(f) 挤压锚具

(g) 压接锚具

(h) 锚具调节方式

（2）钢拉杆 钢拉杆可采用单叉耳、双叉耳或螺纹螺母连接接头，并可采用连接器进行连接或调节。 (a) 单叉耳连接钢拉杆接头 (b) 双叉耳连接钢拉杆接头

(c) 螺纹螺母连接钢拉杆接头 (d) 钢拉杆连接器