第八章懸索結(jié)構(gòu)第一節(jié)概述懸索結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況：懸索結(jié)構(gòu)的適用范圍：60?100M左右的體育館、展覽館、會議廳等大型公共建筑。目前，索結(jié)構(gòu)的跨度已達160M。一一結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵問題：屋面剛度一一剛?cè)崾峭耆鄬Φ?，但必須做到索柔而屋面剛。一一對于單根柔索。。。。。而多根柔索組合使用。。。。。。因此，懸索屋蓋必須要有足夠的剛度，既能保持其原有形狀，又能使各索共同受力工作，且限制屋面變形不能過大，不致使屋面防水層開裂而影響使用。結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性：柔索只能單向受力，即荷載q必須與懸索的垂度f同向，若反向（如：風(fēng)吸力、地震荷載等），則其形狀立即失去穩(wěn)定，根本無能力反向荷載，非常危險嚴(yán)重者甚至屋蓋局部被掀起或完全揭頂。因此，剛度與穩(wěn)定是懸索的首要問題，應(yīng)二者結(jié)合起來予以考慮。共振：風(fēng)載與地震具有隨機性。懸索自身像繃緊的弦，會產(chǎn)生振動，一旦發(fā)生共振，房屋即遭破壞，故必須避免屋蓋產(chǎn)生共振。這個問題在橋梁建筑中尤為重要（一一）。懸索結(jié)構(gòu)支座拉力的結(jié)構(gòu)處理：這一問題與拱腳推力結(jié)構(gòu)問題同等重要，若懸索支承拉力無可靠著落點，則懸索結(jié)構(gòu)屋蓋將全部報廢。第二節(jié)懸索結(jié)構(gòu)的組成及受力特點懸索結(jié)構(gòu)的組成：受拉索：一般采用高強鋼絲組成的鋼鉸線、鋼絲繩和鋼絲束。鋼拉索按一定的規(guī)律布置可形成各種不同的體系，是結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件。其特點是只承受拉力，抗彎剛度很小。因此，對集中荷載及不均勻的分布荷載（風(fēng)、地震荷載）比較敏感。邊緣構(gòu)件和支承結(jié)構(gòu)：拉索結(jié)構(gòu)都設(shè)有支承在下部支承結(jié)構(gòu)上的邊緣構(gòu)件，它的細微變化，都會引起拉索內(nèi)力的變化；支承結(jié)構(gòu)除了承受豎向力以外，還承受拉索傳來的橫向拉力。因此，要求具有較強的側(cè)向結(jié)構(gòu)。一般說來，拉索自身的用鋼量很小，而邊緣構(gòu)件和支承結(jié)構(gòu)卻要耗費較多的材料。懸索的基本力學(xué)原理：拉索是一個中心受拉構(gòu)件，既無彎矩，也無剪力。由于索本身是一個非常柔軟的構(gòu)件，抗彎剛度可忽略不計，而且其形狀隨荷載的性質(zhì)不同而變化。如圖：支座反力：如圖：單跨懸索結(jié)構(gòu)在豎向均布荷載作用下，懸索呈拋物線型，根據(jù)力學(xué)平衡原理：￡Ny=O,則支座豎向反力：Va=Vb=1/2ql.??索中任一截面的彎矩為零，則對跨中取矩，1/8ql—fH=0.?.H=M0/f，或f=M0/H（其中：M0為與索結(jié)構(gòu)同跨等荷載的簡支梁的跨中彎矩）在圖示荷載下，結(jié)論：索支座的水平力方向向外（為拉力），其值大小與索的垂度成反比，與跨度的平方成正比。當(dāng)跨度及荷載一定時，垂度越小，水平拉力越大。因此，設(shè)計中應(yīng)找出索結(jié)構(gòu)的合理垂度，以處理好拉索的水平力的傳遞和平衡。索的內(nèi)力：如圖：取任意截面，代之以索的拉力N（沿索的切線方向，與水平線夾角為a）?！闤=O,NXCOSa=H.?.N=H/COSa由上式可以看出，索內(nèi)的軸力在支座截面處最大，跨中截面時最小，為N=qB/8/，索的拉力同支座水平力一樣，與跨度的平方成正比，與垂度/成反比。邊緣構(gòu)件的內(nèi)力分析：邊緣構(gòu)件是拉索的支座，根據(jù)建筑平面和懸索屋蓋類型的不同，邊緣構(gòu)件也可以有不同的形式。如：連續(xù)梁、桁架、環(huán)梁等。一一（如前索結(jié)構(gòu)示意圖中的邊緣構(gòu)件為連續(xù)梁，在V和H的分別作用下，梁雙向受彎）。下部支承結(jié)構(gòu)：根據(jù)支承形式的不同，支承邊緣構(gòu)件的下部支承結(jié)構(gòu)的受力也不同。若為豎柱和斜拉錨索，則豎柱為受壓構(gòu)件，斜拉錨索為受拉構(gòu)件。一般采用梁、桁架、拱、柱以及錨拉繩等。支承結(jié)構(gòu)處的拉力在結(jié)構(gòu)上的處理有下面幾種形式：（1） 。水平結(jié)構(gòu)：懸索結(jié)構(gòu)兩端可以直接錨固在豎向結(jié)構(gòu)上，將力直接傳給基礎(chǔ)。但當(dāng)一一懸索間距較小，而豎向結(jié)構(gòu)間距較大時。則必須在豎向結(jié)構(gòu)頂部設(shè)置錨固懸索的水平結(jié)構(gòu)。 （2） 。豎向結(jié)構(gòu)：當(dāng)密排懸索通過水平結(jié)構(gòu)把索端拉力傳給豎向結(jié)構(gòu)，豎向結(jié)構(gòu)就要承受索端拉力，其結(jié)構(gòu)處理有如下幾種方案豎向反拱：索兩端遙遙相對的兩水平梁或桁架端頭之間，設(shè)置抗壓結(jié)構(gòu)。斜拉錨索：懸索兩端支座下為壓桿，也可以是縱墻、豎柱、斜柱、豎桿、斜桿相結(jié)合的三角架或三角板墻?？傊?，都是承壓為主的構(gòu)件。從其頂端向外引出斜拉索，直接錨固地下錨梁上，也可以錨固于地面錨墩上。但錨墩之下必須設(shè)置錨梁以防錨墩拔出，且錨墩內(nèi)側(cè)要設(shè)橫梁頂住錨墩，以防其內(nèi)移。如；1959西德多特蒙特園藝聯(lián)合展覽會展覽大廳。外側(cè)斜撐：為了取消斜拉錨索，可以設(shè)置上端向外傾斜的撐桿。也可以取看臺斜梁的方式（如：游泳館）；也可以取斜撐桿方式（如：候機樓）采用兩不等高斜撐桿，斜撐桿下有水平推力，必須妥善解決（如：游泳池底的水平梁與看臺斜梁連通，斜桿自身解決。橫向結(jié)構(gòu)：抗側(cè)力的橫向結(jié)構(gòu)，可以取門式剛架方式，（如：奧地利維也納許威夏特機場候機樓；西德法蘭克福機場飛機庫）第三節(jié)懸索結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式一.單層懸索結(jié)構(gòu)單曲面單層懸索結(jié)構(gòu)（也稱單層平行索系）由許多單根拉索組成，表面為筒狀凹面。所以，需從山墻排水。 優(yōu)點：傳力明確，構(gòu)造簡單。缺點：屋面穩(wěn)定性差?？癸L(fēng)（吸力）能力小，為了保證屋面的穩(wěn)定性，這種體系必須采用重屋面（一般為裝配式鋼筋混凝土屋面）。這種形式的索的水平拉力不能在上部結(jié)構(gòu)實現(xiàn)自平衡（連續(xù)跨的中間支座除外）。因此，一般采用前面講過的A：通過具有足夠水平剛度的豎向承重結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)°B：拉索在柱頂改變方向直接通過拉錨傳至基礎(chǔ)。C：通過剛性水平構(gòu)件集中傳至抗側(cè)力墻（利用山墻受壓或設(shè)置扶壁實現(xiàn)力的平衡）垂度一般取/=（1/20?1/50）L世界上最早的單層索是1956年建成的德國烏柏特市游泳館屋蓋。雙曲面單層懸索結(jié)構(gòu)（單層輻射索系）：通常用于圓形建筑平面。單層索網(wǎng)輻射狀布置形成圓形或橢圓形平面。整個屋面形成一個旋轉(zhuǎn)曲面。拉索的一端支承在周邊柱頂?shù)沫h(huán)梁上，另一端支承在中心內(nèi)環(huán)梁上或柱上。前者稱為碟形懸索，后者稱為傘形懸索。一一（排水）。這種結(jié)構(gòu)必須采用鋼筋混凝土重屋面，并施加預(yù)應(yīng)力。最后形成一個旋轉(zhuǎn)面殼體。這種索系，在索拉力水平分量作用下，內(nèi)環(huán)受拉，外環(huán)受壓；內(nèi)環(huán)、懸索、外環(huán)形成一個自平衡體系，受拉的外環(huán)采用鋼材，受壓的內(nèi)環(huán)一般采用鋼筋混凝土構(gòu)件，才盡其用。（目前，最大的碟形懸索結(jié)構(gòu)是1967年美國的阿拉美達郡比賽館屋蓋，跨徑128M）單層網(wǎng)狀布置索系：網(wǎng)狀布置的單層索系形成下凹的雙曲平面，兩個方向的索一般呈正交布置，可用于圓形，矩形等各種平面。用于圓形平面時，與輻射式布置相比，省去了中心拉環(huán)，但邊緣構(gòu)件的彎矩大于輻射式布置，其屋面板規(guī)格較統(tǒng)一。二.雙層懸索體系：雙層懸索體系是由一系列位于同一平面內(nèi)（也可不在同一平面內(nèi)）的承重索和曲率相反的穩(wěn)定索組成，兩者之間通過受拉鋼索或受壓撐桿連系，由于連系桿布置的方式不同，形成拉索桁架或索梁。優(yōu)點：穩(wěn)定性好，整體剛度大，自重輕，節(jié)約材料，適用于采用輕屋面材料，（如：鐵皮、鋁板、石棉瓦等）和輕質(zhì)高強的保溫材料。單曲面雙層拉索體系（也稱雙層平行索系）：如圖：承重索與穩(wěn)定索在同一平面，也可不在同一平面（后者有利于屋面排水），雙層索系的兩端仍必須錨固在側(cè)邊構(gòu)件上或通過錨索固定于基礎(chǔ)上。雙曲面雙層懸索結(jié)構(gòu)（雙層輻射索系）：均沿輻射方向布置，周邊支承在受壓的外環(huán)梁上（可設(shè)置一道或兩道），一般中心設(shè)置受拉內(nèi)環(huán)梁（此內(nèi)環(huán)梁不僅受力復(fù)雜，而且耗費較多的鋼材。索系常用于圓形建筑平面，也可用于橢圓形、正多邊形平面。由于承重索與穩(wěn)定索的關(guān)系不同，雙層拉索體系形成的屋面形狀有凸、凹、凸凹形等，其中凸與凸凹形對屋面排水有利。雙曲面交叉索網(wǎng)體系（鞍形索網(wǎng)）有兩組正交的、曲率相反的拉索直接疊交組成。其曲面為雙曲拋物面。適用于各種建筑平面。索系中下凹者為承重索，上凸者為穩(wěn)定索。一般是對穩(wěn)定索施加預(yù)應(yīng)力，使承重索張緊，以增強屋面剛度。鞍形懸索屋蓋剛度大，可以采用輕屋面，屋面排水容易處理，它適用于各種形狀的建筑平面，應(yīng)用廣泛。由于鞍形索網(wǎng)中每根索所受的拉力的大小及方向不同，使得其邊緣構(gòu)件內(nèi)力復(fù)雜，其彎矩和扭矩都很大，因此，為了支承索網(wǎng)，保證索網(wǎng)的剛度，要求邊緣構(gòu)件要有強大的截面。根據(jù)建筑平面的不同，索網(wǎng)的邊緣構(gòu)件的形式有如下幾類：（1） 。閉合空間曲梁：圓形和橢圓形的雙曲拋物面索網(wǎng)多采用這種形式?？臻g的曲梁可以設(shè)柱支承，也可直接放置在承重墻上。這種邊緣構(gòu)件，索內(nèi)水平力的分量由閉合曲梁承擔(dān)，形成自平衡體系不下傳。因此，下部支承結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)得以簡化。（2） ?？臻g框架：菱形平面雙曲拋物面索網(wǎng)的邊緣構(gòu)件，即為由直梁組成的空間框架。其受力不如曲梁合理，在索的拉力作用下，將產(chǎn)生很大彎矩，從而給下部支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計帶來麻煩，這種形式很少應(yīng)用。（3） 拱：由于拱主要以軸向壓力抵抗外荷作用，因此，其作為鞍形索網(wǎng)的邊緣構(gòu)件比較合理。兩拱傾斜交叉不直接落地時，要在交叉點設(shè)置剪力墻、扶壁柱或斜框架等以將交叉點處推力傳至基礎(chǔ)。如圖E（9-11）（4） 柔性邊緣構(gòu)件：即同樣用拉索作為邊緣構(gòu)件。如圖：第四節(jié)懸索屋蓋的剛度采用重屋面即通過加重屋面荷載（如：采用鋼筋混凝土屋面板、增加吊頂重量等）的方法。當(dāng)屋蓋自重超過最大風(fēng)吸力1.1?1.3倍時，即是安全的，屋面不會被掀起。對于大風(fēng)的瞬時作用，風(fēng)吸力在邊緣處最大，且常變換方向。風(fēng)吸力的位置也不斷變化，而對這種急速強烈的風(fēng)載變化，屋面的質(zhì)量慣性反應(yīng)卻很微小。故在滿足上述屋蓋自重要求下。一般不會出現(xiàn)危險，但必須加強屋蓋邊緣構(gòu)件與墻的聯(lián)接，以抵抗屋蓋邊緣局部高的吸力。大跨結(jié)構(gòu)要求屋蓋輕，增加屋蓋自重以保證其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性實非上策，故應(yīng)掌握其分寸，屋蓋不宜過輕，也不宜過重。預(yù)應(yīng)力方案：靠增加屋蓋自重即使保證了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，仍不能確保屋面剛度與抗裂性。所以，有了預(yù)應(yīng)力方案的提出：1957年烏拉圭蒙特維多體育館，碟形懸索屋蓋。直徑94M，垂度8.9M，中間有個直徑19.5M錐形鋼框架作天窗內(nèi)環(huán)。外墻頂鋼筋混凝土外環(huán)截面為1980X450MM，錨固著周圈256根懸索。屋面為9000塊扇形預(yù)制混凝土板，板邊甩出鋼筋掛在懸索上。先用磚荷壓在板上，達到超載50%后澆灌板縫，待板縫混凝土達到強度后卸掉磚荷，使板獲得預(yù)應(yīng)力。其屋面水集中在中央，導(dǎo)入掛吊在屋面下四根落水管排于室外。整個屋面成為一個圓形殼面。這種殼板，穩(wěn)定性大為提高，有很大剛度，能很好承受風(fēng)的吸力和不對稱荷載的作用，同時，使用期間屋面產(chǎn)生裂縫的可能性大大減少。對懸索施加預(yù)應(yīng)力：這種方案較合理。一般是對雙層鋼索的上凸索（穩(wěn)定索）施加預(yù)應(yīng)力。（承重索施加也可以），使索張緊并處于受拉狀態(tài)；也可調(diào)整受壓撐桿的長度，使上、下索均施加預(yù)應(yīng)力。其結(jié)果，同樣可以增強懸索結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性。而且，由于上、下索施加的預(yù)應(yīng)力值不同，上、下索的松緊程度不同，其自振的固有頻率不同，可以防止兩層鋼索的共振。足夠大的拉力提高了整個結(jié)構(gòu)抵抗豎向荷載的能力及穩(wěn)定性和抗震性。預(yù)應(yīng)力橫向加勁單層索系：在平行布置的單層懸索上，把索錨固好以后，在索上敷設(shè)與索方向垂直的實腹梁或桁架等橫向勁性，下壓這些橫向勁性構(gòu)的兩端，使之產(chǎn)生強迫位移后固定其位置，便在整個索與橫向構(gòu)件組成的體系內(nèi)建立起預(yù)應(yīng)力，形成了橫向加勁單層索系屋蓋結(jié)構(gòu)，（有些書上稱此為索一梁（桁架）體系。橫向加勁單層索系工作階段分三個：第一階段為錨固好的索上敷設(shè)橫向構(gòu)件；第二階段為預(yù)應(yīng)力階段。下壓橫向構(gòu)件的兩端產(chǎn)生強迫位移后，索與橫向構(gòu)件相互壓緊，各索受力不再保持均勻，橫向構(gòu)件受索向上的作用呈上拱狀態(tài)。并承受負彎矩作用；第三階段為荷載階段，這一階段的結(jié)構(gòu)受力性能有很大變化，索與橫向構(gòu)件共同承擔(dān)外加荷載作用，結(jié)構(gòu)的剛度大大增加，尤其是橫向構(gòu)件能有效地分擔(dān)和傳遞荷載，結(jié)構(gòu)抵抗不均勻荷載作用地能力大大提高。體系也由原來地平面受力狀態(tài)改變?yōu)榭臻g受力。橫向構(gòu)件在所分配地荷載作用下，產(chǎn)生下?lián)系刈冃?，?nèi)力方向和預(yù)應(yīng)力方向相反，其中相當(dāng)一部分與之抵消。由于橫向構(gòu)件參與承擔(dān)荷載，減輕了索的負擔(dān)，索傳給支承結(jié)構(gòu)地水平力也隨之減小。此種結(jié)構(gòu)型式不但受力合理，用料經(jīng)濟，而且施工比較方便。施加預(yù)應(yīng)力一般只需千斤頂、手動葫蘆、板手等簡單工具即可完成。但應(yīng)注意體系中施加地預(yù)應(yīng)力應(yīng)適中。預(yù)應(yīng)力能增大體系地剛度和穩(wěn)定性；但過大地預(yù)應(yīng)力勢必加大索及支承結(jié)構(gòu)地負擔(dān)，它們分擔(dān)大部分荷載，索的作用不能充分發(fā)揮，喧賓奪主，從而體現(xiàn)不出懸索體系的優(yōu)越性；其剛度過柔，又起不到要求的加勁作用。所以，各種條件的結(jié)構(gòu)，其預(yù)應(yīng)力值和橫向構(gòu)件的剛度應(yīng)優(yōu)化確定。我國在世界上首先成功地將預(yù)應(yīng)