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1、悬索结构和膜结构施工技术,主讲：肖天崟,1 悬索结构的形式和特点,2 悬索结构的构造,3 悬索结构施工,4 悬索桥的构造,5 悬索桥的施工,悬索结构施工技术,课程内容,悬索结构：以一系列受拉钢索为主要承重构件，按照一定规律组成各种不同形式的布置方式，并悬挂在边缘构件或支承结构上而形成的一种空间结构。钢索一般采用由高强钢丝组成的钢丝束，钢绞线或钢线绳用圆钢筋或带状的薄钢板。边缘构件或支承结构用于锚固钢索并承受悬索的拉力，其结构形式可依据建筑物不同类型采用圈梁、拱、桁架或框架等。,3.1 悬索结构的形式和特点3.1.1 概述,悬索结构,单层悬索结构,双层悬索结构,悬索结构的分类,一、单层悬索体系:
2、由一系列按一定规律布置的单根悬索组成，悬索两端锚挂在稳固的支承结构上。在悬索结构中，单层悬索体系在构造和理论计算上都比较简单。单层悬索体系又可细分为单层单向悬索结构、单层辐射状悬索结构和单层网状悬索结构三种。,单层单向悬索结构。由一群平行走向的承重索组成，并构成单曲下凹屋面。如图所示：,图5-1 单层单向悬索结构,单层辐射状悬索结构。当屋盖为圆形或椭圆形平面时，悬索一般按辐射状布置，整个屋面形成下凹的旋转曲面，悬索支承在周边构件受压圈梁上。如图所示：,图5-2 辐射式布置的单层索体系,单层网状悬索结构。网状布置的单层索形成下凹的双曲率曲面，两个方向的索一般是正交布置，适用于圆形、矩形等各种平面
3、。单层网状悬索结构其边缘构件的弯矩大于辐射式布置，但省去了中心拉环。如图所示：,图5-3 网状布置的单层索体系 图5-4 淄博市化纤厂的单层悬索屋盖,单层悬索体系与单根悬索相似，其稳定性较差：,a)单层悬索体系是一种可变体系，平衡形式随 荷载分布方式而变。,b)单层悬索体系抗风能力差。作用在屋盖上的风 力主要是吸力，而且分布不均匀，会引起较大的 机构性位移，降低屋盖稳定性。当屋面较轻时，甚至可被风力掀起。,为增大单层悬索体系的稳定性，一般可采取如下措施：,a)采用重屋面，如装配式钢筋混凝土屋面板等；b)采用预应力钢筋混凝土悬挂薄壳；c)采用横向加劲构件（如图5-5）。,图5-5 预应力横向加劲
4、单层索系,横向加劲单层索系一般有三个工作阶段：a)第一阶段在锚固好的索上敷设横向构件 b)第二阶段为预应力阶段 C)第三阶段为荷载阶段,横向加劲单层索系不但受力合理，用料经济，施工也比较方便。我国是世界上首先成功地将预应力横向加劲单层索系应用于工程实践的国家之一。先后在1989 年、1992 年建成安徽省体育馆、潮州体育馆，上海杨浦体育馆等工程。如图所示：,图5-6 安徽省体育馆的结构示意图,双层悬索体系是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组成。双层索系中的每对承重索、稳定索一般位于同一竖向平面，二者之间通过受拉或受压的连系杆相连（图5一8)，其外形与受力特点类似于承受横向
5、荷载的传统平面桁架，所以又称为索桁架。,二.预应力双层悬索体系,图5 一8 预应力双层悬索体系的平面布置简图,图5 一9 预应力双层悬索体系的一般形式,双层索系的布置也有平行布置、辐射式布置和网状布置三种形式:双层单向悬索结构（平行布置）。双层单向悬索结构是由一群平行走向的索桁架组成，图5一10，多用于矩形、多边形建筑平面，并可用于单跨或多跨建筑结构（图5 一11）。,图5一10 双层单向悬索结构 图5一11 平行布置的多跨双层索系,双层辐射状悬索结构。当平面为圆形时，常将承重索、稳定索沿辐射状布置，周边锚固在受压圈梁上，中心宜设置受拉环。,双层双向悬索结构。双层双向悬索结构是将平面索桁架沿相
6、互正交的两个方向布置的结构形式,鞍形索网是由相互正交，曲率相反的承重索和稳定索叠交而形成的负高斯曲率的曲面悬索结构。下凹的钢索为承重索，上凸的钢索为稳定索，两组索在交点处相互连接在一起，索网周边悬挂在强大的周边构件上。常见的鞍形索网形式如图21 所示。为了保证索网具有足够的刚度和稳定性，必须对索网施加预应力。由于两组索的曲率相反，因此可以对其中任意一组或同时对两组索进行张拉，均可实现预应力。,三.预应力鞍形索网,组合悬索结构是指将悬索体系（索网、单层索系、双层索系等）与中间支承结构组合在一起而形成的一种新型结构。中间支承结构由于要承受较大载，因此多采用刚度大，受力合理的拱、刚架、索拱体系等结构
7、形式。,四.组合悬索结构,混合悬挂体系是由柔性悬索与刚性构件组合而成。在这类体系中，或用钢索悬挂其他构件，或由钢索对其他构件提供附加支点，以减轻这些构件的担；或用刚性的受弯构件来加强悬索的稳定性，以减少不均匀荷载作用下的机构性位移。混合悬挂结构常见的形式有索拱体系、吊挂式混合结构和斜拉式混合结构等。索拱体系包括平面索拱体系和鞍形索拱体系两种。,五.混合悬挂体系,吊挂式混合结构应用悬索桥的结构原理，用一系列吊杆把刚性的屋面构件连接在悬索，由悬索承担大部分刚性屋盖构件荷载，不仅节省了结构所占空间，而且总体受力较为合理。,斜拉式混合结构应用斜拉桥的结构原理，由塔柱顶部挂下斜拉索直接与刚性的屋盖构件相
8、连，大部分刚性屋盖构件荷载经斜拉索传递到塔柱，最终传至基础。,预应力悬挂薄壳 悬挂薄膜结构（钢悬膜结构、涂层织物悬挂薄膜）,六.悬挂薄壳与薄膜结构,3.1.3 悬索结构的特点,受力合理，经济性好，悬索结构依靠高强度钢索的轴向拉伸来抵抗外荷载作用，最充分地利用了钢材的强度，因而可以较经济地跨越很大的跨度。施工方便。建筑造型多样、美观。悬索结构的边缘构件或支承结构受力较大，一般需要强大的截面，耗费较多的材料，而且其刚度对悬索结构的受力影响较大，因此边缘构件或支承结构的设计极为重要。悬索结构设计计算理论相对复杂。,一、钢索的分类用于悬挂结构的钢索有如下数种：圆钢、型钢、钢绞线、钢丝绳及钢丝束等。,3
9、.2 悬索结构的构造3.2.1 钢索,二、钢索的制作 钢索制作一般须经下料、编束、预张拉力及防护等几个程序。,3.2.2 锚具,一、螺杆式锚具,二、镦头式锚具,三、夹片式锚具,四、锥销式锚具,五、其他形式的锚具,3.2.3 其他节点构造,一、钢索与钢索连接,二、钢索连接件,三、钢索与屋面板连接,图5-47 连接板连接,图5-48 混凝土板内伸出钢筋连接,四、钢索与中心环的连接,图5-49 钢索与中心环的连接之一,五、钢索的锚固,钢索的锚固可根据拉力的大小、倾角和地基土等条件采用下列方法：重力式；板式；挡土墙式；桩式。,3.3 悬索结构施工3.3.1 单层单向悬挂屋盖结构施工,钢索的制作。钢丝的
10、下料长度L 可由下式计算：L=两锚头之间钢丝束的净长2(锚头长锚头端部 露出钢丝长垫圈厚 例如，本工程钢丝束中钢丝的下料长度为：L=54.8+2(0.155+0.05+0.036)=55.282(m)装锚具（又称挂锚）。挂索。（图5-52）铺槽形板。槽板加荷。挂稳定索。（图5-53）槽形板灌缝。预留孔道灌浆。卸去红砖。,3.3.2 双层辐射式悬索屋盖结构施工,双层辐射式悬索屋盖适用于圆形的建筑平面，它由外环、内环、辐射形承重索及稳定索等构成。该结构体系分两种：拉环体系和压环体系,悬索各阶段进行施工,3.3.3 索网悬索屋盖结构施工,该结构由索网和它的支承结构（边梁或边梁与拱组合）组成，索网由承
11、重索（负高斯曲率）和稳定索（正高斯曲率）组成。稳定索的作用是使索网屋面在各种荷载作用下能维持预定的曲面。制索。穿索。标高控制。张拉。,3.4 悬索桥的构造3.4.1 概述,悬索桥主要由悬索（主缆）、塔柱、吊杆、锚碇和桥道系组成。悬索包括主索、边索和锚索；桥道系包括桥面、桥道和加劲梁。,新世纪大跨度桥梁的发展趋势,世界桥梁发展的历史是桥梁跨度不断增大的历史，是桥型不断丰富的历史，是结构不断轻型化的历史。发展现状预示本世纪将迎来世界桥梁更大规模的建设高潮。洲际跨海、建立全球交通网的构想 跨海工程不是可望而不可即的宏伟蓝图。,大跨度桥梁向索结构方向发展,特大跨桥梁采用以斜缆为主的空间网状承重体系或采
12、用悬索加斜拉的混合体系。采用流线型钢箱或采用轻型而刚度大的复合材料作加劲梁。采用自重小强度高的碳纤维材料做主缆。斜拉桥在密索体系的基础上采用开口截面，减小梁的高跨比。大跨度桥梁上部结构轻型化问题。,大跨度桥梁的动力稳定性问题,跨海工程常年受台风、海浪频繁袭击；海峡地震带，多支地震力激励；多车、快车、重车等行车动力作用；研究特大跨桥梁气动特性，改善气动弹性稳定性。跨海结构振动控制，抗震、减震、抑震。避免车激共振，增大特大跨桥梁刚度。,大型深水基础工程的难点突破,目前世界桥梁基础工程实践尚未超过100m深海。直布罗陀海峡桥的悬索桥和多跨斜拉桥方案，基础深达300m。美国将在墨西哥湾修建的石油钻井平
13、台基础，水深达411m.解决100300m深海基础施工难题迫在眉睫。基础及桥墩分大块预制安装。,大跨度桥梁应是建筑艺术精品,空间艺术精品增添湖光山色、海空景观；成为世界名城永久的标志性建筑；重视建筑艺术造型，重视桥梁美学和景观设计，重视环境保护，达到人文景观同环境景观的完美结合。杰出的桥梁工程师，也应是卓越的桥梁建筑师。,3.4.2 悬索桥的构造特点,一、主缆,主缆是悬索桥的主要承重构件，除承受自重和吊索（吊杆）重外，又通过吊索承受加劲梁、桥面系恒载及活载。悬索桥一般采用双面主缆，一般是一侧布置一根，分别有一侧用两根主缆的设计，对称设置在加劲梁的上方，主缆下的吊索吊挂加劲梁的上弦或上弦伸出的抚
14、架。悬索桥主缆主要有三种类型：平行钢丝；平行钢丝束；钢丝绳。,二、加劲梁,加劲梁由均匀间隔的分布吊索悬挂在主缆的索夹上，其主要功能是提供桥面系和防止桥面发生过大的挠曲和扭曲变形。悬索桥加劲梁主要有两种形式：钢桁架和扁平钢箱梁,三、吊索,吊索也称吊杆，是主要传力杆件，通过吊索将桥面荷载传给悬索。吊索有直吊索和斜吊索两种，如图 66，其上端通过索夹与悬索相连，下端与加劲梁连接。,图5-68 吊索与主缆连接方式,四、索塔,索塔是支承主缆的重要构件，恒载和活载大都通过索塔传到塔墩和基础。索塔还承受作用于塔身、加劲梁及主缆上的风力。主塔顶设有鞍座，底部支承于主墩，由立柱、横撑组成平面框架。,五、锚碇,锚
15、碇是主缆的锚固体，与索塔一样是支承主缆的重要部分，它将主缆的拉力传递给地基。锚碇一般由锚碇基础、锚块、主缆的锚碇架及固定装置、遮棚等部分组成。当主缆需要改变方向时，锚碇中还包括主缆支架和锚固鞍座。,六、鞍座,塔顶鞍座。由主缆传来的很大的竖直力通过鞍座均匀分布到塔柱顶截面。主缆支架鞍座。主缆支架鞍座主要功能是改变主缆方向，并把主缆的钢丝束股在水平及竖直方向分散开来，然后把这些钢丝束股引人各自的锚固位置。其构造类同塔顶鞍座。,七、桥面,多用钢板铺设，也有浇筑沥青混凝土和铺设木板等的。目前，大跨度吊桥一般采用正交异性板作行车桥面。正交异性板在桥宽内是一块很薄的钢板，在板下全长内用连续、间距很密的纵肋
16、加固，使它足以承受活载的压力，且能减轻桥梁自重。,3.5 悬索桥的施工3.5.1 悬索的施工,一、悬索的制作,悬索由缆索制成。缆索在运输、丈量、切割和安装中应注意避免扭转、松散。钢缆索安装时应做破断试验，要检查破断所在部位，总破断力是否达到设计要求，钢索应不致从锚头中拔出。下料；切割。,二、锚头的制作,锚头制作是将钢索端部钢丝散开并理直做成锚头套筒相似的锥形，以便插入套筒后浇铸合金时能均匀分布。,三、索鞍的安装,索鞍的安装与斜拉桥相同，有强制法和预偏法。,四、主索的安装 安装主索时，要检查锚碇，索鞍和索塔的中心线，标高、距离。,五、索夹和吊杆的安装,索夹和吊杆可在施工索道上安装。,3.5.2
17、索塔的施工,索塔材料可用金属、钢筋混凝土或预应力混凝土。钢索塔需要用铆、栓、焊等连接形式进行装配，截面一般是由型钢组成的桁架和框架形式。混凝土索塔施工大体上可分为搭架现浇、预制吊装、滑升模板浇筑等几种方法。一、搭架现浇二、预制吊装三、滑模施工 这种方法的最大优点是施工进度快，适用于高塔的施工。,3.5.3 加劲梁的架设,加劲梁架设的主要工具是缆载起重机。架设顺序可 以从主跨跨中开始，向桥塔方向逐段吊装；也可以从桥塔开始，向主跨跨中及边跨岸边前进。一、架设方式,二、缆载起重机,缆载起重机由主梁、端梁及各种运行、提升机构组成。,3.5.4 支座、桥面和锚碇的施工,一、支座,固定和活动支座、混凝土垫
18、块等均要在吊桥全部构件的安装、加劲梁的建筑拱度调整、桥端标高的调整和临时支座垫搁置等工序全部完成后，再安装。,二、桥面,安装正交异性板桥面时，可将正交异性板作为加劲梁的上弦杆或上翼缘的一部分，使之与梁共同受力。板上设一层38 一51 mm厚的沥青磨耗层使之与钢板牢固粘结在一起。,三、锚碇,空间膜结构,3.6.1 概述,膜结构又叫张拉膜结构（Tensioned Membrane structure），是以建筑织物，即膜材料为张拉主体，与支撑构件或拉索共同组成的结 构体系，它以其新颖独特的建筑造型，良好的受力特点，成为大跨度空 间结构的主要形式之一。膜结构是一种建筑与结构完美结合的结构体系。它是用
19、高强度柔性薄膜材料与支撑体系相结合形成 具有一定刚度的稳定曲面，能承受一定外荷载的空间结构形式。其造型自由轻巧、阻燃、制作简易、安装快捷、能易于施工、使用安全等优点，因而使它在世界各地受到广泛应用。这种结构形式特别适用于 大型体育场馆、入口廊道、小品、公众休闲娱乐广场、展览会场、购物中心等领域。,3.6.2 膜结构的分类,膜结构按其支承方式的不同，一般可以分为空气膜结构、悬挂膜结构、骨架模结构和复合膜结构（索穹顶）等。,一、空气膜结构,图5-85 空气膜结构,二、悬挂膜结构,一般采用独立的桅杆或拱作为支承结构将钢索与膜材悬挂起来，然后利用钢索向膜面施加张力将其绷紧，这样就形成了具有一定刚度的屋
20、盖,图5-86 悬挂膜结构,三、骨架支承膜结构,以钢骨架代替了空气膜结构中的空气作为膜的支承结构，骨架可按建筑要求选用拱、网壳之类的结构，然后在骨架上敷设膜材并绷紧，适用于平面为方形、圆形或矩形的建筑物。,图5-87 骨架支撑膜结构,四、复合膜结构,这是膜结构中最新发展的一种结构体系，由钢索、膜材及少量的受压杆件组成，由于主要用于圆形平面，称“索穹顶”。,图5-88 复合膜结构,3.6.3 膜结构的构造及施工,用作膜材的建筑织物是一种以织物基材和外敷涂层组成的复合材料。基材为膜材提供抗拉与抗撕裂的强度，而涂层则是对外界的天气、紫外线以及火等起防护作用。当前国际上最常用的膜材有两种：基材采用聚酯
21、，以聚氯乙烯（PVC）为涂层基材采用玻璃纤维，以聚四氟乙烯（PTEE，商品名Teflon）为涂层 在选定膜材后，还要对其进行裁剪拼接，在从膜结构发展初期就开始使用物理模型法。,一、膜,二、膜结构施工,裁剪：膜结构的裁剪拼接过程无论如何都是会有误差的，这是因为首先用平面膜片拼成空间曲面就一定会有误差，其次膜布是各向异性非线性材料，在把它张拉成曲率变化多端的空间形状时，不可避免的会与初始设计形状有出入。迄今为止，已建立了很多种方法来处理这一问题。很难评价哪个方法的精确度一定就高，但还是有几个标准可以用来判断这些裁剪方法是否实用。那就是可靠性、灵活性和完成时间。,膜结构施工的主要问题在于钢索等支撑的架设（这可以借鉴悬索网架及悬索结构的施工），其他的构件都比较轻，利用已架设的支撑进行吊装即可。,
