懸索結構

懸索結構

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由柔性受拉索及其邊緣構件所形成的承重結構。索的材料可以採用鋼絲束、鋼絲繩、鋼鉸線、鏈條、圓鋼，以及其他受拉性能良好的線材。

目錄

基本內容

中文名：懸索結構

應用領域：建築工程、橋樑工程

術語分類：建築

特點：跨度大、自重小、材料省、易施工

學科分類：建築學

簡介

懸索結構能充分利用高強材料的抗拉性能，可以做到跨度大、自重小、材料省、易施工。中國是世界上最早應用懸索結構的國家之一，在古代就曾用竹、藤等材料做吊橋跨越深谷。明朝成化年間（1465～1487年）已用鐵鏈建成霽虹橋。近代的懸索結構，除用於大跨度橋樑工程外，還在體育館、飛機庫、展覽館、倉庫等大跨度屋蓋結構中應用。

懸索按受力狀態分成平面結構和空間結構。

平面懸索結構

主要在一個平面內受力的平面結構，多用於懸索橋和架空管道。按結構形式分為：①單層懸索結構。可用做柔式懸索橋，也可用於屋蓋，結構剛度較小，在可變荷載作用下變形較大，宜在索上鋪設重屋面。②加勁式單層懸索結構。通過在索下面若干吊杆吊有加勁桁架（或加勁梁），以增強結構的剛度。③雙層懸索結構。其上索與下索曲率相反，並通過其間的受拉斜腹杆中施加預應力而具有較好的剛度。

空間懸索結構

一種處於空間受力狀態的結構，多用於大跨度屋蓋結構中。

按結構形式分為：

①圓形單層懸索結構。用於圓形平面的屋蓋，其索按輻射狀布置，整個屋面形成下凹的旋轉曲面。各根索的外端固定於周邊的鋼筋混凝土圈樑上，內端固定於圓心附近的拉環上。當圓心處允許設柱時，可形成傘形懸索結構。

②圓形雙層懸索結構。其外形與上述結構類似，只是有上下兩層索，從而可以有不同布置形式的預應力拉杆以增強剛度。中國北京工人體育館直徑94米的比賽大廳屋蓋即採用了這種結構形式（圖2）。其圓心附近的拉環除承受環向拉力外，在豎直方向還承受壓力。

③雙向正交索網結構。由互相正交的兩組索組成。下凹的一組為承重索,上凸的一組為穩定索,兩組索形成負高斯曲率的曲面。對其中一組索施加預應力時，另一組索也同時獲得預應力的效果。通過施加預應力，可使兩組索在屋面荷載作用下始終貼緊，且獲得良好的剛度。這種索網可用於橢圓平面、矩形平面、菱形平面或其他平面的屋蓋。意大利米蘭體育館屋蓋採用了圓形平面的馬鞍形索網結構,直徑140米，是目前世界上最大的索網結構。中國浙江省人民體育館屋蓋採用80×60米橢圓平面的馬鞍形索網，其索端固定於一個空間曲樑上。為了減 小曲梁內的彎矩，在索網下還設置了一層水平拉索。

除上述懸索結構外，工程中還常用斜拉索結構，如斜張橋和斜拉索屋蓋。這種斜拉索主要是用來減小屋面或橋面結構構件的跨度，以滿足整個結構的大跨度要求和達到節省材料的目的。

隨着卷材薄鋼板的發展，近年來，有的國家採用懸掛板帶結構。如聯邦德國法蘭克福航空港飛機庫的屋蓋，平面尺寸達270×100米，分為兩跨，每跨由10條長13米、寬7.5米的板帶組成，板帶之間用3米寬的採光帶隔開。

除上述各種懸索外，還有一種結構是利用鋼索來吊掛混凝土屋蓋的，這種結構叫懸掛式結構，其特點是：充分利用鋼索所具有的抗拉特點，而減小鋼筋混凝土屋蓋所承受的彎曲力。下圖所示日本代代木體育館，採用高張力纜索為主體的懸索屋頂結構，創造出帶有緊張感、力動感的大型內空間。

在各種形式的懸索結構中，索的邊緣構件及地錨的合理性和可靠性具有極其重要的意義，在一定程度上決定着結構的技術經濟指標和安全。

懸索結構在靜荷載作用下的分析，首先要確定在初始荷載作用下整個結構的初始狀態，然後計算在荷載增量、溫度變化和索支點位移所引起的整個結構的內力和變形。懸索結構的初始狀態是指在初始荷載(包括自重和預應力)作用下的平衡位置，可通過索的各點坐標和索內拉力的水平分量確定。初始狀態一般需要經過多次試算選定。索網結構可按離散的計算模型進行分析;對於索間距較小的正交索網結構,也可按連續的計算模型，即假設為一個沒有剪切剛度的各向異性薄膜進行分析。懸索結構具有幾何非線性的性質，即在各階段荷載作用下，無論是內力或變形均與荷載呈非線性關係。當採用離散方法分析懸索結構時會得出非線性代數方程組。採用連續方法分析時則得出非線性微分方程。對於雙曲拋物面正交索網也可採用能量原理進行分析。懸索結構當跨度較大而又較柔時宜考慮風振效應，進行動態分析。

懸索結構施工中要注意索的防腐處理和端頭錨固的可靠性（見懸索屋蓋施工）。