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1、大跨空间结构之,4.悬索结构 (中)Cable Structures,主讲人：钱宏亮哈尔滨工业大学(威海）,1/98,4.3 悬索结构选型,4.3.1 形状稳定性问题4.3.2 悬索结构的基本类型4.3.3 悬索结构的选型原则,2/98,由于索结构的轻、柔特点，使其在风荷载和非对称荷载作用下，易产生较大的机构性位移和振动，因此形状稳定性是索结构的核心问题。,4.3.1 形状稳定性问题,(a),(b),(c),形状稳定性 结构抵抗机构性位移的能力。,3/98,为有效抵抗机构性位移，需要采取不同的构造措施，可能采用的办法有：,(d),(e),(f),增加结构重量增加结构刚度增加相反曲率的构件增加额
2、外的约束,由此就形成多种不同的悬索体系,4/98,由许多平行的单根拉索组成，拉索两端悬挂在稳定的支承结构上。,a) 平行布置,b) 辐射布置,c) 网状布置,4.3.2 悬索结构的基本类型,1.单层悬索体系,5/98,单层悬索与单根悬索相似，是一种可变体系，易产生铰大的机构性位移。此外，各根索之间的协同工作性能也需要加强。,6/98,重屋面使悬索截面增大，支承结构的受力也相应增大，从而影响经济效果。,使均布重力荷载具有优势以保证初始形状的相对稳定性。,改进措施1：设置重屋面,7/98,德国乌柏特市游泳馆Swimming Hall at Wuppertal, German, 1956,最早的单层
3、悬索结构,L=65m,8/98,德国多特蒙德展览大厅Exhibition Hall at Dortmund, German, 1956,跨度最大的单层单向悬索结构,L=80m,9/98,美国奥克兰市比赛馆Oakland Coliseum Arena，California，1966,最大跨径的碟形单层悬索结构，D=128m,10/98,索与外环梁的连接,索与内环梁的连接,Oakland Coliseum Arena- Details,11/98,1）索安装就位,2）肋板吊装,3）肋板落位,4）对称安装,12/98,5）成对就位,6）安装就位,13/98,1) 挂屋面板2) 加超载，然后灌缝 3)
4、 待缝结硬后卸去超载 形成悬挂薄壳,是重屋面体系的进一步演进，其屋面不仅提供重力，而且参加结构工作。,改进措施2：采用预应力混凝土悬挂薄壳,14/98,华盛顿杜勒斯机场候机厅Dulles International Airport Terminal，1957,矩形平面195.251.5m 屋面采用预制轻质混凝土板，灌缝处理。,15/98,Dulles International Airport Terminal - Under Construction,屋面混凝土灌缝,16/98,横向加劲构件的作用传递可能的集中荷载和局部荷载；提供了使整个体系建立起预张力的可能性。,改进措施3：设置横向加劲构
5、件,17/98,初始状态：单索平面受力；预应力阶段：索与横向构件相互压紧，各索受力不再保持均匀，横向构件呈上拱状态，并承受负弯矩。荷载阶段：索与横向构件共同承担外加荷载作用，体系也由原来的平面受力状态改变为空间受力状态。,各状态对应的桁架下弦位置,横向加劲单层索系的三个工作阶段,18/98,安徽体育馆 Anhui Gymnasium, 1989,梯形钢桁架，间距6m，最大跨42m，跨中截面高3.2m，端部高1.6m。屋盖总用钢量22kg/m2。,平面呈不等边六边形，84m69m。索跨度72m，垂跨比1/16，索水平力由看台框架承担。,19/98,垂跨比是影响单层悬索体系工作性能的重要参数。,垂
6、跨比小屋面较平，索拉力大，稳定性和刚度较差；垂跨比大索拉力小，稳定性和刚度好，但结构空间大，经济性不好；合理垂跨比 1/201/10, 结构设计要点,20/98,2.预应力双索体系 Pre-stressed Double-layer Cable System,2.1 平面双索系统,主索 (承重索）,副索 (稳定索）,拉杆,21/98,抵抗风吸力通过张拉稳定索对体系施加预张力与承重索协同工作，提高体系刚度无需重屋面，抗震性能较好,主索 (承重索）,副索 (稳定索）,稳定索的作用,22/98,承重索垂跨比：1/151/20稳定索拱跨比：1/201/25, 结构设计关键参数,承重索的垂跨比和稳定索的
7、拱跨比是影响双层索系工作性能的重要几何参数。,主索 (承重索）,副索 (稳定索）,23/98,几种不同形式的平面双索结构,凸式,凹式,凸凹式,索桁架 （Jawerth体系）,24/98,瑞典斯德哥尔摩约翰尼绍夫滑冰场Johanneshov Ice Stadium in Stockholm，1962,近似矩形平面11883 m，采用Jawerth体系 屋面采用预制轻质混凝土板 屋面索耗钢量2.98kg/m2,25/98,芬兰赫尔辛基冰上运动场Helsinki Ice Stadium，1966,罗马尼亚布加勒斯特文体宫Arena in Bucharest，1974,26/98,2.2 园形平面的双
8、层索系Double-layer Cable System with Circular Plan,辐射布置,网状布置,27/98,是圆形平面屋盖的常用结构形式之一。 由外环、内环及联系内外环的辐射方向布置的两层钢索组成。外环受压，一般用钢筋混凝土做成，支承在周边的柱上。内环受拉，一般采用钢结构。,轮辐式双层悬索体系,28/98,车辐式双索体系的演化,布鲁塞尔世博会美国馆,建成年份：1958圆形平面：D=104, d=20, h=8.5m耗钢量：53kg/m2,29/98,首都工人体育馆The Workers Gymnasium, Beijing, 1961,承重索垂跨比l/15.7，稳定索拱跨比
9、1/19，各144根。系杆的作用是防止下索下垂，并非受力构件。 上下索在平面上相间布置，以减小对环梁截面的削弱。中心钢环直径16m，高11.0m，由钢板和型钢焊成。,30/98,3. 预应力鞍形索网 Pre-stressed Cable Net,与双层索系的工作原理类似；区别在于后者属于平面体系，而前者属于空间体系。,31/98,索网的几何形状取决于所覆盖的建筑平面形状、支承结构形式、预张力的大小和分布等因素。当建筑物平面为矩形、菱形、圆形、椭圆形等规则形状时，索网有可能做成双曲抛物面；此时索网各钢索受力均匀，计算也较简单。,a) 空间曲梁支承 b) 直线梁支承 c) 抛物线形拱支承,结构设计
10、要点,32/98,多数情况下，索网曲面无法解析表达；此时需根据建筑造型要求和索力分布均匀的原则，通过“找形分析”确定索网几何形状。,g),f),e),d),d) 倾斜大拱支承e) 两对抛物线拱支承,f) 柔性边界索支承g) 桅杆支承,33/98,索网应保证必要的矢跨比，避免整体或局部过于扁平的。,承重索垂跨比：1/101/20稳定索拱跨比：1/151/30,34/98,美国雷里体育馆The Raleigh Arena, USA, 1953,第一个具有现代意义的大跨度索网屋盖结构 近圆形平面 9297 m，索网格1.831.83m 稳定索拱跨比1/10，承重索垂跨比1/9 钢筋混凝土拱截面4.2
11、70.76m，与地面呈 21.8角。,35/98,加拿大卡尔加里滑冰馆Pengrowth Saddle Dome, Calgary, Canada, 1983,1988年冬奥会主赛馆，最大跨径的预应力鞍形索网。 近圆形平面 135m129m，耗钢量55.8kg/m2 稳定索拱跨比1/21.6；承重索垂跨比1/9.7,36/98,Pengrowth Saddle Dome- Geometry Configuration,37/98,1) 柱的安装,Pengrowth Saddle Dome- Construction Process,2) 环梁安装,3) 索网安装,4) 屋面板安装,为加强刚度和
12、形状稳定性，屋盖采用了悬挂薄壳构造方案：,38/98,4. 劲性索结构 Rigid Cable Structures,是以具有一定抗弯和抗压刚度的曲线形实腹或空腹构件来替代柔性索的悬挂结构。,优点：由于构件具有一定的抗弯刚度，因而其抵抗局部荷载下机构性位移的能力大大增强。无需施加预张力，施工方便。可就地取材，降低材料造价。,39/98,代代木体育馆The National Indoor Stadium, Tokyo，1964,悬挂在中央塔柱上的两条主悬索+两侧的索网,鞍形索网的承重索采用高0.51.0m的工字钢,40/98,索节点图Cable Connecting,41/98,5. 索拱体系与
13、张弦体系 Cable-Arch System & Beam string Structure,预应力索拱体系,5.1 预应力索拱体系,稳定索拱构件,42/98,索拱体系的优点提高了结构抵抗不均匀荷载作用的能力。不需施加很大的预张力，减轻了支承结构的负担。 提高了拱的整体稳定性，所需拱截面较小。索拱体系的2个工作状态预应力阶段，拱受到索向上的作用而受拉；荷载阶段，索拱共同抵抗荷载作用，拱在荷载作用下受压，部分抵消了预应力阶段的拉力。,柔性索与刚性拱相互结合，相互补充，比任何一种单独的结构更合理、更经济。,43/98,北京朝阳体育馆 Chaoyang Gymnasium, Beijing, 199
14、0,近椭圆形，69m78m 中央索拱体系+两片鞍形索网,拱跨度57m 索跨度59m 耗钢量52.2kg/m2,44/98,立体索拱结构,中央索拱体系的两个钢拱之间设置透明屋面，作为体育馆的中央采光带。,45/98,由刚性构件和柔性索以及连接两者的撑杆组成的自平衡体系。,5.2 平面张弦体系,张弦结构的基本组成,1）结构形式,46/98,c) 辐射布置,a) 单向布置,b) 双向布置,张弦结构的几种布置方式,47/98,通过施加反拱减小结构挠度平衡支座推力调整刚性构件内部的弯矩大小和分布,2）受力特点,48/98,索拱体系两端一般为固定铰支座；索和拱可分别支承在不同结构上；体系自身通常不构成封闭
15、力系。张弦结构一端为滑动铰支座，刚性构件的水平推力通过支座滑动与索拉力平衡；为自平衡体系，简化了施工。,张弦结构与索拱体系的区别：,49/98,3）结构设计要点,（1）合理的预拉力值。 （2）合理的垂跨比。 张弦梁垂跨比：0.10.135（30m40m）和0.0750.1（5060m）；张弦桁架垂跨比为0.050.1。 （3）合理的矢跨比。 张弦梁矢跨比为0.10.125 (30m60m)； 张弦桁架矢跨比为0.050.1。,50/98,日本北九州穴生穹顶Kita-Kyushu Anoh Dome, 1994,矩形平面 61.8108m枝状柱+张弦桁架，柱两侧设有抗风索。,4）典型工程案例,5
16、1/98,52/98,哈尔滨国际会展体育中心（2002）（平面张弦体系,128m）,索头节点,53/98,日本Green Dome Maebashi多功能体育馆（辐射式张弦桁架，1990）,122mX167m,54/98,5.3 弦支穹顶 (Suspen-dome),+,单层网壳,环索、径向索和撑杆,弦支穹顶,1993年，日本川口卫教授（M. Kawaguchi）结合索穹顶和张弦结构的思想，提出的一种新型空间张弦结构体系。其基本思想是将索穹顶的柔性上弦用刚性的单层网壳替代，形成了一种索承网壳结构体系，亦称弦支穹顶。,55/98,成形阶段，通过给索施加预张力，使上层网壳产生反拱，建立起预应力；受
17、荷阶段，内力通过单层网壳传到下端的撑杆，再通过撑杆传给索。,弦支穹顶的工作原理,56/98,弦支穹顶结构设计要点：,矢跨比 影响较大，1/6、1/8较好撑杆高度 影响不大，L/16L/12较好环索布置方式 环索数不宜太多拉索预应力 对刚度影响较小，作用是改善结构内力分布，调整支座约束反力。 矢跨比、撑杆高度和环索数的变化对结构用钢量的影响幅度不大 。,57/98,大连市体育馆（2011）,58/98,巨型网格弦支穹顶结构，跨度116m145m，矢跨比1/10，撑杆长10m。,59/98,60/98,61/98,济南奥体中心体育馆，2008,62/98,主体结构圆形平面弦支凯威特型网壳,跨径12
18、2m，单层网壳 （联方型凯威特型），设3环索，径向采用钢拉杆。,63/98,6.悬挂结构与斜拉结构 Cable-suspended System & Cable-stayed Structure,6.1 悬挂结构,悬索+竖向吊杆+刚性屋盖悬索通过吊杆为屋盖构件提供弹性支承减小屋盖构件的尺寸和用料，节省结构所占空间。,64/98,德国某多功能厅屋盖结构Europahalle, Karlsruhe Germany, 1982,65/98,66/98,美国犹他州奥林匹克滑冰馆 Olympic Speed Skating at Utah Oval, 2000,2002年盐湖城冬奥会比赛场馆矩形平面95
19、200m,67/98,屋面梁高914mm，为实腹式宽翼缘工字钢 主索垂跨比1/8塔柱高33m，由两根钢柱组合而成,33.00,20000,94000,20000,68/98,美国联邦储备银行 Federal Reserve bank of Minneapolis, 1973,跨度84m，高67m，索垂度45.7m,共13层,69/98,Federal Reserve bank of Minneapolis, 1973- Details,70/98,2004年雅典奥运会主体育场,71/98,2004年雅典奥运会自行车馆,72/98,6.2 斜拉结构 Cable Stayed Structure,
20、通过桅杆和斜拉索为刚性构件（结构）提供弹性支承，减小刚性构件（结构）的受力跨度。,73/98, 斜拉结构设计的基本原则,选择合理的塔柱形式，尽可能设计成两端铰接 尽量采用均衡对称的布索方案 确定适宜的拉索倾角，应25防止风吸力作用下索发生松弛 ，出现结构倾覆合理的斜拉点，降低屋盖结构的内力峰值。,74/98,浙江黄龙体育场Huanglong Stadium, Zhejiang,2000年建成，斜拉网壳，塔距250m，耗钢量93.9kg/m2。,75/98,长春经济技术开发区体育场 （176m立体主桁架，2002）,76/98,营口体育场（2011）,钢索7x421平行钢丝束。桅杆放置角度为体系
21、优化的主要变化参数。,77/98,桅杆顶端铸钢节点重25吨，吊装安装难度较大。,78/98,屋盖下弦设置抗风索,79/98,深圳万科总部,80/98,4.3.3 悬索结构的选型原则,悬索结构选型应考虑的因素有：1）建筑造型与功能2）结构整体刚度和稳定性3）边缘构件及支承结构 4）材料供应、加工制作与现场安装,81/98,1）建筑平面要求矩形平面，宜选用平行布置的单层或双层悬索体系；方形平面，宜采用双曲型屋盖；圆形平面，宜采用辐射状布置的单层或双层索系或双曲抛物面鞍形索网等。网状布置的单层或双层索系可适应矩形、圆形、椭圆形和菱形等多种建筑平面的要求。,1、建筑造型及使用功能,82/98,2）屋面
22、的排水性能 鞍形索网屋面，沿负曲率方向向两侧排水。平行布置的单层悬索屋面，可通过适当抬高中央部分悬索的标高在纵向形成排水。圆形平面下凹的单层悬索屋面，可在屋盖最低点设置内排水。,83/98,a) 穹顶屋盖使声音集中 b）碟形屋盖使声音发散,3）声学性能、建筑能耗等,与穹顶屋盖相比，悬索屋盖具有如下优点：（1）节省采暖、空调空间，降低建筑物使用能耗；特别适用于滑冰馆类建筑；（2）有较好的声学效果，无音响反射集中,84/98,应确保悬索结构的刚度和稳定性，防止结构在风荷载或非对称荷载下产生较大的变形或振动。,2、结构力学性能,单层悬索结构的刚度较小，适用于中小跨度建筑双索体系的结构刚度大，但需占用
23、较多的结构空间，且需注意出平面稳定性鞍形索网的空间利用率较高，但在刚度方面要弱于双索体系张弦结构和斜拉结构是目前应用较多的形式，但需注意风吸力下的结构稳定性。,85/98,预张力和垂跨比是影响索结构刚度和稳定性的重要因素。,预张力太大会增加支承结构或刚性构件的负担，太小会导致索在风吸力作用下出现松弛。单层索系、双索体系和鞍形索网的预张力大于张弦结构和斜拉结构垂跨比小，结构刚度偏弱；垂跨比大，会占用较大的结构空间承重索的垂跨比通常在1/101/20，稳定索的垂跨比在1/151/25斜拉结构的拉索倾角，应大于25,86/98,对于大跨度悬索结构，设置中央支承结构，是增强结构刚度的有效措施之一。 合
24、理的中央支承结构设置还可以增强建筑表现力，解决排水、采光等问题。,代代木体育馆The National Indoor Stadium, Tokyo，1964,87/98,德国慕尼黑溜冰馆Ice Rink of Munich Olympia Park, 1982,88/98,中央钢拱为三角形截面的格构式钢管结构,89/98,3、边缘构件和支承结构的处理,a) 山墙+边梁,b) 框架+边梁,c) 框架,d) 柱+锚索,90/98,德国法兰克福机场5号机库 （1972）,日本古川市民会馆, A Auditorium in Janpan，1966,91/98,利用拱作为边缘构件时，应注意拱自身的稳定性
25、和拱脚推力的处理。,92/98,对于圆形或近圆形平面，可通过环形边梁形成自平衡体系，但应注意在非对称荷载作用下的边梁局部抗弯能力。,93/98,尽量采用轻型屋面，且屋面材料能够适应索结构变形大的特点，不会导致屋面渗漏； 可用木板、铝合金板、阳光板或钢丝网水泥板等，近年较多采用膜材和钢化玻璃；应考虑施工张拉及二次张拉的可行性；尽量减少锚具的种类和数量，降低工程造价。,4、材料及施工安装方面的考虑,94/98,小 结,95/98,悬索结构可分为柔性体系和混合体系两大类。,单层悬索体系 预应力双层索系预应力索网 劲性索,柔性体系主要由受拉索（可能包含少量压杆）构成，主要类型有：,混合体系是由刚性构件(梁、拱、桁架、网架、网壳等)与柔性索结合而成，主要类型有：,斜拉体系 悬挂体系 张弦体系 弦支穹顶,96/98,柔性体系的特点是： 1）造型轻巧、美观。 2）对设计和施工的水平要求较高； 3）需施加较大的预张力，支承结构受力不利。,要处理好边缘构件和支承结构，使它们受尽可能小的弯矩。,97/98,混合体系的特点是： 1）整体刚度较好，特别是抵抗非对称荷载和局部荷载的能力。 2）支承结构的受力得到改善。,要调整好刚性构件和柔性构件的刚度比，使之达到最佳组合。,98/98,To Be Continue,
