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1、第九章 悬索结构,建筑结构与选型,9.1概 述 9.2 悬索结构的受力和变形特点 9.3 悬索结构的形式 9.4 悬索结构的稳定,9.1概述,9.1.1 悬索结构的概念9.1.2 悬索结构的发展9.1.3 悬索结构的特点,9.1.1 悬索结构的概念 悬索结构由受拉索、边缘构件和下部支承构件所组成。拉索一般采用高强钢丝组成的钢铰线、钢丝绳或钢丝束；边缘构件和下部支承构件则常为钢筋混凝土结构。,9.1.2 悬索结构的发展：最早应用于桥梁工程中房屋建筑中，蒙古包、帐篷可看做悬索结构的雏形,现代大跨度悬索屋盖结构的广泛应用，则只有半个世纪的历史。第一个现代悬索屋盖是1953年建成的雷里竞技馆，采用以两
2、个斜置的抛物线拱作为边缘构件的鞍形正交索网。,我国现代悬索结构之发展始于50年代后期和80年代。北京的工人体育馆和杭州的浙江人民体育馆是当时的两个代表作。,北京工人体育馆：建于1961年，其屋盖为圆形平面，直径94m，采用车辐式双层悬索体系，由截面为2m X2m的钢筋混凝土圈梁、中央钢环，以及辐射布置的两端分别锚定于圈梁和中央钢环的上索和下索组成。中央钢环直径16m，高11m，由钢板和型钢焊成，承受由于索力作用而产生的环向拉力，并在上、下索之间起撑杆的作用。,9.1.3 悬索结构的特点索轴向受拉便于建筑造型，各种平面施工较方便。自重小（10kg/m2），屋面构件一般也较轻。可创造良好物理性能的
3、建筑空间。稳定性较差。边缘构件和下部支承必须具有一定的刚度和合理的形式，以承受索端巨大的水平拉力。,9.2.1 索的支座反力9.2.2 索的拉力9.2.3 索的变形,9.2悬索结构的受力特点,单根索的受力与拱的受力有相似之处，都是属于轴心受力构件。,9.2.1 索的支座反力,计算简图,由，支座反力为,索中任一截面的弯矩为零，以跨中截面为矩心，则有,式中，,9.2.2 索的拉力,将索在计算截面切断，如图所示，由,，可得,索的轴力在支座截面（,值最大）为最大，在跨中截面（）,时为最小。,9.2.3 变形特点悬索是一个轴心受拉构件，既无弯矩也无剪力。悬索承受单个集中荷载，形成三角形；悬索承受多个集中
4、荷载，形成索多边形；悬索自重作用时，处于自然悬垂状态，为悬链线；悬索承受均布竖向荷载，形成抛物线；悬索承受的竖向荷载自跨中向两侧增加时，形成椭圆。,9.3.1 单层悬索体系9.3.2 双层悬索体系9.3.3 交叉索网体系9.3.4 工程实例,9.3悬索结构的型式,悬索结构按屋面几何形式的不同，可分为单曲面和双曲面两类；根据拉索布置方式的不同，可分为单层悬索体系、双层悬索体系、交叉索网体系,9.3.1 单层悬索体系,水平梁和框架一起承受悬索拉力,水平梁承受悬索拉力,悬索直接锚挂于框架,斜拉索将悬索拉力拉向地锚,单曲面单层拉索体系(跨度可达80m，德国多特蒙特一展览厅，1956),拉索水平力的传递
5、的三种方式：1、通过竖向承重结构传至基础2、通过拉锚传至基础3、通过刚性水平构件集中传至抗侧力墙,下凹双曲率碟形屋面不便于排水，最大的碟形屋面：美国阿拉美达比赛馆，跨径128m(1967),伞形屋面最大的伞形屋面：前苏联伊利姆斯克汽车库，跨径206m,2.幅射式布置形式(适用于圆形，椭圆形平面),受拉内环采用钢制，受压外环采用钢筋混凝土制作。可比平行布置做到较大跨度。,2.幅射式布置形式,3.网状布置形式(适用于圆形，矩形等各种平面),设计要点单层悬索体系垂跨比经验取值：1/201/10加强形状稳定性的措施：采用重屋面 采用预应力钢筋混凝土悬挂薄壳 采用横向加劲构件,两向索正交布置屋面板规格统
6、一边缘构件弯矩大于幅射式布置,德国乌柏特市游泳馆,德国多特蒙特展览大厅,前苏联克达斯若牙尔斯克车库,日本古川市民会馆,9.3.2 双层悬索体系,1.一般形式,由下凹的承重索，上凸的稳定索及它们之间的连系杆组成 承重索垂跨比一般取1/201/15，稳定索拱跨比一般取1/201/25,2.平行索系,优点：稳定性好，整体刚度大。适宜于采用轻屋面对于平行索系，承重索和稳定索可在同一平面内，也可错开布置，构成波形屋面,错开布置，构成波形屋面,错开布置，构成波形屋面吉林滑冰馆屋盖结构形式,3.双曲面双层拉索索系,3.双曲面双层拉索索系,上索既是稳定索，又直接承载a)双层内环梁 b)双层外环梁c)双层内外环
7、梁d)单层外环梁网状布置e)双层外环梁网状布置,瑞典斯德哥尔摩约翰尼绍夫滑冰场,芬兰赫尔辛基冰上运动场,德国法兰克福机动车检修场,罗马尼亚布加勒斯特文体宫,9.3.3 交叉索网体系,交叉索网体系也称为鞍形索网，由两组相互正交的、曲率相反的拉索直接交叠组成，形成负高斯曲率的双曲抛物面。两组拉索中，下凹者为承重索，上凸者稳定索，稳定索应在承重索之上。,交叉索网体系的边缘构件：,a),交叉索网体系,前南斯拉夫莱士科瓦克纺织博览馆,加拿大卡尔加里滑冰馆,9.4 悬索内结构的稳定,悬索屋盖结构的稳定性差，表现在两个方面，一是适应荷载变化的能力差，二是抗风吸、风振能力差。,1 增加悬索结构上的荷载2 形成
8、预应力所壳组合结构3 形成索梁或索桁架组合结构4 增设相反曲率的稳定索,为使单层悬索屋盖结构具有必要的稳定性，一般可采取以下几种措施：,1 增加悬索结构上的荷载,一般认为，当屋盖自重超过最大风吸力的1.11.3倍，即可认为是安全的。,2 形成预应力索壳组合结构,对钢筋混凝土屋面施加预应力，使之形成一倒挂的薄壳与悬索共同受力、整体工作。,3 形成索梁或索桁架组合结构,对于单曲面单层拉索结构体系（单层平行索系）可在索上搁置横向加劲梁或加劲桁架形成索梁或索桁架。,我国悬索结构工程一览表,我国悬索结构工程一览表,我国悬索结构工程一览表,1 斜拉索的布置2 斜拉混合结构的工程实例,斜拉混合结构,利用斜拉
9、索可以组成各种斜拉混合结构。在梁、板、刚架、桁架、拱、壳体、网架、网壳等大跨度建筑结构中，都可以利用塔柱顶端伸出的斜拉索作为附加的弹性支承点，使结构的跨度减小，将受弯构件的传力途径改为由索和塔柱承受拉、压的传力途径，以达到减小结构截面、减少材料用量的目的。在悬挑结构中，斜拉索可以增加悬臂构件的约束，提高结构的安全度，平衡倾覆力矩。,1 斜拉索的布置,辐射式竖琴式扇形星形单向布置,设计要求：尽量使塔柱轴心受压，减小塔柱顶点的水平合力，避免塔柱内出现过大的弯矩,2 斜拉混合结构的工程实例,1、法国卡巴里奥收费站 Cabariot收费站长152m，最宽处32m，由4个35m高的圆锥形桅杆构成的主支撑
10、，托起中央主粱通过横穿的流线型梁与周边的三腹粱连接。稳定支撑杆则连接结构边缘和4大桅杆的基座。整个膜材被双重绳套和橡皮带固定在构架上。,1、法国卡巴里奥收费站,1、法国卡巴里奥收费站,1、法国卡巴里奥收费站,2、北京奥林匹克体育中心综合馆,该屋盖平面尺寸为80m112m。屋盖结构由三部分组成：一为两榀双层圆柱面网壳，采用斜放四角锥结构体系；二为设置在中间屋脊部位的立体桁架，作为网壳一边的支座；三为8对共16根斜拉索。,3、北京奥林匹克体育中心游泳馆,该屋盖平面尺寸为78m117m。斜拉索一端锚固在钢筋混凝土塔筒上，另一端拉住沿建筑物纵向布置的中央箱形钢梁。横向布置的人字平面钢桁架一端支承在中央
11、钢桁架上，另一端支承在钢筋混凝土框架柱上。,4、斜拉桥,世界十大斜拉桥,苏通大桥（在建）多多罗桥 诺曼底桥 南京长江第三大桥 南京长江第二大桥 武汉第三长江大桥 青州闽江大桥 杨浦大桥 名港中央大桥 徐浦大桥 杭州湾跨海大桥,苏通大桥 全长：32.4km 四项世界第一：最大主跨：1088m最高塔桥：300.4m最深基础：131根长约120米、直径2.5米至2.8米的钻孔灌注桩组成，承台长114米、宽48米 最长拉索：577m,香港昂船洲大桥 主跨：1018m,多多罗大桥 多多罗大桥是本四连络桥项目总长59.4公里中尾道-今治线上的一部分，连接着生口岛和大三岛。桥梁形式：钢箱梁斜拉桥全长：1,4
12、80m主跨：890m桥塔高：222m,诺曼底大桥 主跨：856m,南京长江二桥 南汊大桥主跨：628m,悬索桥梁,1、明石海峡大桥,明石海峡大桥全长3,911m，主跨1,991m，桥面宽35m，往返6车道，是目前世界最长的悬索桥，通航净空65m。此桥是一座位于明石海峡上的3跨2铰钢桁加劲梁结构的公路悬索桥，连接着淡路岛和本州岛，索塔高约300m。该桥梁上部结构共使用钢材200,000吨，下部结构使用混凝土约1,420,000立方。,视频1,1、明石海峡大桥,1、明石海峡大桥,1、明石海峡大桥,明石海峡大桥是世界上第一座主跨超过1英里(为1609m)及l海里(合l852m)的桥梁。两边跨达960
13、m，是目前世界上最长的边跨。钢桥塔高为297m，是世界上第二高的桥塔（仅次于法国密佑高架橋 343米）。用钢桁式加劲梁，横截面尺寸为35.5m14.0m。其梁高比其它任何一座悬索桥都高。本桥桥面设有6车道，通航净空高为65m。原来曾计划在下层桥面上修建铁路，但并未采纳。因铁路荷载要求有4条主缆，而公路交通只要2条主缆就足够了。该桥2根主缆直径为1122mm，为世界上直径最大的主缆；主缆钢丝的极限强度为1800 MPa，也是世界记录。主缆由预制平行钢丝束组成，这项工艺也适用于同样规模的悬索桥。牵引钢丝由直升飞机牵引跨越明石海峡，这是世界上首次应用的新工艺 l995年1月，日本神户地区发生里氏72
14、级地震。造成5000多人死亡。震中位于明石海峡大桥南端，距神户几公里。明石海峡大桥经历了一次严竣的抗震检验，因为桥址处的震级也接近里氏8级，当时在距该桥50 km远的桥梁与建筑都已经倒塌。地震发生时，该桥刚刚完成桥塔与主缆施工工作，开始架设加劲梁。根据初步研究，明石海峡大桥设计荷载可承受里氏85级地震，该桥在阪神地震中仅有微小损坏，由于地面运动。两塔基础之间的距离增加了80 cm，桥塔顶倾斜了10 cm，使主跨增加了近80 cm，从而接近于l991m，主缆垂度因此减少了130 cm。,1、明石海峡大桥,2、大伯尔特桥（丹麦）,主跨1624米，1996年建成,大伯尔特桥,也叫斯托伯尔特桥、大带桥
15、，它将丹麦第一大城市首都哥本哈根所在的西兰岛和第三大城市欧登塞所在的菲英岛连接在一起。两岛海面距离18公里。以1988年价格计算，大贝尔特桥实际耗资337亿丹麦克朗，约合48亿美元，是欧洲当时预算最高的桥梁工程。大贝尔特桥分为东、西两段，中间以斯普奥人工岛作为中间站。西桥从菲英岛到斯普奥岛，跨度6.6公里。,2、大伯尔特桥（丹麦）,2、大伯尔特桥（丹麦）,2、大伯尔特桥（丹麦）,3、润扬长江大桥（中国）,主跨1490米，2005年建成,润扬大桥西距南京二桥约60公里，东距江阴大桥约110公里。工程全长35.66公里，由北接线、北汊桥、世业洲互通高架桥、南汊桥、南接线及延伸段等部分组成，主桥(包
16、括北汊桥、世业洲互通高架桥和南汊桥)长7.21公里,北引桥及北接线高架桥长1.74公里，北接线长10.27公里，南接线及延伸段长16.44公里。其中南汊主桥采用单孔双铰钢箱梁悬索桥，主跨径1490米，为目前中国第一、世界第三，桥下最大通航净宽700米、最大通航净高50米，可通行5万吨级巴拿马货轮。北汊桥采用176+406+176米的三跨双塔双索面钢箱梁斜拉桥，长758米，桥下最大通航净宽210米、最大通航净高18米。全线采用双向六车道高速公路标准，桥面平均宽31.5米（行车道宽30米），设计车速100公里/小时，桥梁设计荷载等级汽车-超20级，挂车-120。大桥设计使用寿命为100年。,3、润
17、扬长江大桥（中国）,视频1,4、英国亨伯尔桥，主跨1410米，1981年建成 英国亨伯尔桥（又译恒贝尔桥），主跨1410米（280+1410+530），正交异性板桥面，桥宽28.5米，混凝土桥塔高155.5米，三道横梁支撑，1981年建成。,4、英国亨伯尔桥,5.中国江阴长江公路大桥，主跨1385米，1999年建成 江阴长江公路大桥，位于江苏省江阴市黄田港以东3200米的西山，主跨1385米（328+1385+295），桥塔高190米，为两根钢筋混凝土空心塔柱与三道横梁组成的门式框架结构，重力式锚碇，主梁采用流线型箱梁断面，钢箱梁全宽36.9米，梁高3米，桥面宽29.5米，双向六车道，两侧各设
18、宽1.8米的风嘴，1999年建成。,5.中国江阴长江公路大桥,6中国香港青马桥，主跨1377米，1997建成 香港青马大桥，公铁两用桥，主跨1377米（333+1377+300），但300米边跨侧主缆不设吊杆，实际上只有2跨加劲桁。桥塔高131米，在青衣岛侧采用隧道式锚碇，在马湾岛侧采用重力式锚碇,加劲桁梁高7.54米，高跨比1/185，纵向桁架之间为空腹式桁架横梁，中部空间可容纳行车道及路轨，大桥上层桥面中部和下层桥面路轨两侧均设有通气空格，形成流线型带有通气空格的闭合箱型加劲梁，1997年建成。,6中国香港青马桥,6中国香港青马桥,6中国香港青马桥,6中国香港青马桥,6中国香港青马桥,7.
19、美国纽约维拉扎诺桥，主跨1298米，1964年建成 美国维拉扎诺桥，主跨1298.45米(370.33+1298.45+370.33)，双层桥面，桥宽31.4米，加劲桁架高8米，塔高210米，1964年建成。,7.美国纽约维拉扎诺桥,8美国旧金山金门大桥，主跨1280米，1937年建成 美国金门大桥，主跨1280.2米（343.9+1280.2+343.9），加劲梁高7.6米，公路面宽18米，两边各设3.3米的人行道，桥塔高228米，采用由闭合格组成的截面，表面上组成显著的肋形线条，宽度分三次作阶梯式收缩减小，每阶段高度及横梁高度自下而上逐渐减小，1937年建成。,视频1 视频2 视频3 视频
20、4 视频5,8美国旧金山金门大桥,8美国旧金山金门大桥,8美国旧金山金门大桥,8美国旧金山金门大桥,9.美国麦金纳克大桥，主跨1158米，1957建成 美国麦金纳克大桥，又称麦基诺海峡大桥，主跨1158.2米，公路面宽14.6米，中间设宽0.6米的中间岛，两边各设一条宽0.9米的人行道，钢塔架高160米，1957年建成,9.美国麦金纳克大桥,10.日本南备赞濑户桥，主跨1100米，1988年建成 日本南、北备赞濑户大桥，位于本四连络桥工程儿岛-坂出线上，两桥均为三跨连续加劲桁梁双层公铁两用桥。南备赞濑户大桥主跨1100米（274+1100+274），北备赞濑户大桥主跨990米（274+990+274），两桥宽30米，塔高109.4米，加劲桁梁高13米，1988年建成。,10.日本南备赞濑户桥,中国在建的两座悬索桥梁1、舟山西堠门大桥 1650米，中国，在建 2、阳逻长江大桥 1280米，中国，在建,
