悬索结构理论与应用

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【摘要】悬索结构是大跨度空间结构的一种重要形式，在建筑工程、桥梁工程等领域得到广泛应用，针对悬索结构的一些特点，对于其理论与应用作一些分析研究。

【关键词】悬索结构；空间结构；理论与应用

1、悬索结构概况

1.1悬索结构的概念

悬索结构是由柔性受拉索、边缘构件及下部支撑构件所形成的承重结构。索的材料可以采用钢丝束、钢丝绳、钢绞线、链条、圆钢，以及其他受拉性能良好的线材。悬索结构能充分利用高强材料的抗拉性能，具有跨度大、自重小、材料省、易施工。

1.2 悬索结构的发展历程

世界上现代最早的悬索结构――Raleigh体育馆于1953年由美国结构工程师塞弗德和建筑师诺威基所设计，是一个鞍型正交索网结构。其平面近似圆形，尺寸为91.5m×91.5m，索网支承在一对与地面成20°倾角的抛物线拱上，两抛物线拱脚由设置预应力混凝土拉杆的倒置V形支架进行支承。斜拱的周边以间距2.4米的钢柱支承，立柱兼作门窗的竖框，形成了以竖向分割为主、节奏感很强的建筑造型。1962年瑞典工程师贾维斯在斯德哥尔摩滑冰馆中首先采用了索桁架结构，这种平面双层索系结构很快在世界各国得以广泛应用。1967年前苏联在列宁格勒建成列宁格勒纪念体育馆，其平面为圆形车辐式索桁架，直径达93m，索桁架的高跨比为1/17，这在当时被列为世界上巨型体育建筑之一。

2、悬索结构的特点

2.1 悬索结构的优点

（1）悬索结构通过索的轴向受拉来抵抗外荷载的作用，可以最充分地利用钢材的强度并可减轻结构自重。因而，悬索结构是大跨度结构的主要结构形式。跨度越大，经济效果越好。

（2）用钢量低，对于悬挂屋盖，当结构跨度小于150m，屋盖悬索的用钢量一般小于10kg/m2，但下部支撑结构材料用量加大。

（3）悬索结构施工比较方便，钢索自重小，屋面构件一般也较轻，安装屋盖时不需要大型起重设备，施工时不需要大量脚手架，也不需要模板，因而，与其他结构形式比较，施工费用相对较低。

（4）适应性强，造型美观。悬索结构适应各种建筑平面和外形轮廓，利用曲线索，采用不同的支承形式，可方便的创造出各种新颖独特的建筑造型。

2.2 悬索结构的缺点

（1）悬索屋盖结构的稳定性较差。单根的悬索是一种几何可变结构，其平衡形式随荷载分布方式而变，特别是当荷载作用方向与垂度方向相反时，悬索就丧失了承载能力。因此，常常需要附加布置一些索系或结构来提高屋盖结构的稳定性。

（2）动力特性比较复杂。在风荷载和地震作用下的结构分析和稳定性计算难度较大。

（3）结构初始形状、预应力的建立及正常使用阶段的工作特性属于几何非线性问题。

（4）施工技术要求较高，需要专业的施工队伍，需要配合施工进行多工况、多阶段的分析计算。

3、悬索结构的主要形式

悬索屋盖结构的组成主要包括悬索系统、屋面系统和支承系统三部分。悬索系统是指悬索屋盖中跨越水平距离、形成大空间的主要受力结构部分。其由一系列按一定规律布置的高强钢索及联系钢索之间的杆件组成。悬索系统起到形成屋面、承担屋面荷载并将其传至支承结构的作用。屋面系统由附着在悬索系统上的檩条、屋面板、吊顶等构件组成。除一些特别的情况，屋面覆盖系统通常并不作为屋盖的主体受力系统，其主要作用是形成一个保温、隔热、防水的面层，满足建筑维护功能的要求。 支承系统是由周边梁（桁架）、水平横梁、立柱或拱等构件构成。它承受是悬索系统传来的荷载，并将其可靠地传向基础。根据悬索系统、屋面系统和下部支承系统不同配置，可以形成一系列形式各异的悬索结构，主要包括单层悬索结构、双层悬索结构和预应力索网结构，下面就让我们对这几种结构进行简要的分析。

3.1 单层悬索结构

单层悬索结构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。单层悬索结构又根据所适用的建筑平面的不同，分为单曲面单层悬索结构和双曲面单层悬索结构。

3.1.1 单曲面单层悬索结构

单曲面单层悬索结构是由许多单根拉索平行构成的一种平行拉索体系，如图1所示。它的表面呈圆筒形，拉索两端支点可以等高，为了排水也可做成不等高。这种结构形式一般用于矩形平面的单跨建筑，有时也可用于多跨建筑或非矩形平面的个别工程中。平行拉索体系常呈平面受力状态，索中拉力值与跨中垂度成反比。对于一定跨度的悬索结构，如垂度太小则曲面安扁平，索中拉力将过大；如垂度太大则索中拉力减小，但是支承的高度也将增大。因此适宜的跨度一般取1/10至1/20之间。

3.1.2 双曲面单层悬索结构

双曲面单层悬索结构，常用于圆形平面的建筑，钢索由圆心向四周按辐射状布置，屋面形成一个下凹的旋转面。悬索支承在周边构件――受压圈梁上，中心可设置受拉的内环。显然，下凹的屋面不便于排水。所以，当房屋的中央容许设置支柱时，可利用支柱升起为悬索提供中间支承.

3.2 双层悬索结构

3.2.1单曲面双层悬索结构

设置稳定索不仅仅是为了抵抗风吸力的作用。由于设置相反曲率的稳定索和相应的系杆，就有可能对体系施加预应力，使承重索和稳定索中始终保持足够大的拉紧力，提高了整个体系的稳定性。此外，由于存在预张力，稳定索可以与承重索一起抵抗竖向荷载的作用，从而提高整个体系的刚度。

3.2.2 双曲面双层悬索结构

双曲面双层悬索结构是在双曲面单层悬索结构的基础上，增设了一层按辐射状布置的稳定索而形成的，其周围支承在周边构件（一道或两道受压圈梁）上，中心则设置受拉内环。由于增设了一层稳定索，屋面刚度进一步有所提高，抗风、抗震性能有所增强，这为悬索结构采用轻型屋面提供了条件。这也是在圆形平面建筑中应用较多的一种悬索结构。

3.3 索网结构

索网结构通常是由两组相互正交、曲率相反的钢索直接交叉组成的，这种索网由正、负高斯曲率构成的双曲抛物面形成，所以也常被称之为鞍形索网。两组钢索中，下凹者为承重索（主索），上凸者为稳定索（副索），两组钢索在交点处相互连接。

索网的周边构件受力较大，即使做成曲线形状，也常产生相当大的弯矩，因而需要有强大的截面。其实，边缘构件除用以锚固索网，承受索网轴力引起的压力和弯矩的作用外，还可以通过调整边缘构件的结构形式，获得建筑造型多样化的效果。

对索网结构必须施加预应力，以提高体系的稳定性和刚度。由于存在曲率相反的两组索，对其中任意一组或同时对两组进行张拉，均可实现预应力。不难看出，索网结构的工作原理同双层索系极为相似。当预应力值足够大时，索网结构具有相当好的稳定性和刚度，因而可采用轻屋面。

4、结论

悬索结构的巧妙地运用，不仅使建筑物在景观上取得了非常宏伟的效果，而且也更能适应复杂的环境了。虽然在以后的施工过程中还可能遇到更多的挑战与困难，但经过这么多年不断地努力和实践，关于悬索结构的理论体系也逐渐得到完善，材料性能的不断提高、实践经验的不断积累以及计算机在建筑领域的广泛应用，使悬索结构有了更为广阔和繁荣的发展空间。

参考文献：

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[3]严慧.悬索结构的形式和设计选型 [J].浙江大学，1994（1）.