悬索结构代表建筑
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第八章悬索结构第一节概述一.悬索结构的发展概况:二.悬索结构的适用范围:60~100M左右的体育馆、展览馆、会议厅等大型公共建筑。
目前,索结构的跨度已达160M。
――三、结构的关键问题:1.屋面刚度――刚柔是完全相对的,但必须做到索柔而屋面刚。
――对于单根柔索。
而多根柔索组合使用。
因此,悬索屋盖必须要有足够的刚度,既能保持其原有形状,又能使各索共同受力工作,且限制屋面变形不能过大,不致使屋面防水层开裂而影响使用。
2.结构的稳定性:柔索只能单向受力,即荷载q必须与悬索的垂度f同向,若反向(如:风吸力、地震荷载等),则其形状立即失去稳定,根本无能力反向荷载,非常危险严重者甚至屋盖局部被掀起或完全揭顶。
因此,刚度与稳定是悬索的首要问题,应二者结合起来予以考虑。
3.共振:风载与地震具有随机性。
悬索自身像绷紧的弦,会产生振动,一旦发生共振,房屋即遭破坏,故必须避免屋盖产生共振。
这个问题在桥梁建筑中尤为重要(――)。
4.悬索结构支座拉力的结构处理:这一问题与拱脚推力结构问题同等重要,若悬索支承拉力无可靠着落点,则悬索结构屋盖将全部报废。
第二节悬索结构的组成及受力特点一.悬索结构的组成:1.受拉索:一般采用高强钢丝组成的钢铰线、钢丝绳和钢丝束。
钢拉索按一定的规律布置可形成各种不同的体系,是结构的主要承重构件。
其特点是只承受拉力,抗弯刚度很小。
因此,对集中荷载及不均匀的分布荷载(风、地震荷载)比较敏感。
2.边缘构件和支承结构:拉索结构都设有支承在下部支承结构上的边缘构件,它的细微变化,都会引起拉索内力的变化;支承结构除了承受竖向力以外,还承受拉索传来的横向拉力。
因此,要求具有较强的侧向结构。
一般说来,拉索自身的用钢量很小,而边缘构件和支承结构却要耗费较多的材料。
二.悬索的基本力学原理:1.拉索是一个中心受拉构件,既无弯矩,也无剪力。
由于索本身是一个非常柔软的构件,抗弯刚度可忽略不计,而且其形状随荷载的性质不同而变化。
悬索结构一、悬索结构的概念随着生产的发展和人民生活水平的提高,建筑事业也在不断发展。
作为建筑结构中的重要分支——钢筋混凝土结构在各个方面都发展得越来越完善,而具有经济指标低、施工快、便于建筑造型等优点,在国外应用很广的悬索结构,在我国却因实践和理论研究上的不足,均处于相对落后的地位。
土木建筑结构所指的悬索结构,就是指以一系列受拉的索作为主要承重构件,这些索按一定规律组成各种不同形式的体系,并悬挂在相应的支承结构体系边缘构件上的结构。
正是因为索主要承受轴向拉力,所以可以最充分地利用钢材的强度,如果再采用高强度材料时,更可大大减轻结构自重,因而,悬索结构可以较经济地跨越很大的跨度,是目前大跨建筑的主要结构形式之一。
二、悬索结构的特点(一)受力合理、节约材料悬索结构是一种受力比较合理的建筑结构形式,将悬索结构与简支梁两者的受力情况进行对比,就可以看出这种合理性。
如图I所示,简支梁在竖向荷载作用下,上纤维压应力的合力与下纤维拉应力的合力组成了截面的内力矩,合力间的距离即为内力臂,它总在截面高度的范围内,因此要提高梁的承载能力,就意味着要增加梁的高度。
但在悬索结构中,钢索在自重下就自然形成了垂度,由索中拉力与支承水平力间的距离构成的内力臂,总在钢索截面范围以外,增加垂度也就加大了力臂,从而可以有效地减少索中拉力和钢索截面面积。
图1 筒支梁与悬索结构受力的合理性比较上——筒支梁(M=Nh0);下——1II}素{M=Hf)(二)施工比较方便由于钢索自重很小,屋面构件一般也较轻,因而给施工架设带来了很大的方便。
安装时不需要大型起重设备,施工时不需要脚手架,也不需要模板。
这些都有利于加快施工进度,降低工程造价。
因而,与其它结构形式比较,施工费用相对较低。
(三)便于建筑造型悬索结构由于索网布置灵活,便于建筑造型,能适应多种多样的平面形状和外形轮廓,因而能较自由地满足各种建筑功能和表达形式的要求,使建筑与结构可以得到较完善的结合。
悬索结构一、悬索结构的概念随着生产的发展和人民生活水平的提高,建筑事业也在不断发展。
作为建筑结构中的重要分支——钢筋混凝土结构在各个方面都发展得越来越完善,而具有经济指标低、施工快、便于建筑造型等优点,在国外应用很广的悬索结构,在我国却因实践和理论研究上的不足,均处于相对落后的地位。
土木建筑结构所指的悬索结构,就是指以一系列受拉的索作为主要承重构件,这些索按一定规律组成各种不同形式的体系,并悬挂在相应的支承结构体系边缘构件上的结构。
正是因为索主要承受轴向拉力,所以可以最充分地利用钢材的强度,如果再采用高强度材料时,更可大大减轻结构自重,因而,悬索结构可以较经济地跨越很大的跨度,是目前大跨建筑的主要结构形式之一。
二、悬索结构的特点(一)受力合理、节约材料悬索结构是一种受力比较合理的建筑结构形式,将悬索结构与简支梁两者的受力情况进行对比,就可以看出这种合理性。
如图I所示,简支梁在竖向荷载作用下,上纤维压应力的合力与下纤维拉应力的合力组成了截面的内力矩,合力间的距离即为内力臂,它总在截面高度的范围内,因此要提高梁的承载能力,就意味着要增加梁的高度。
但在悬索结构中,钢索在自重下就自然形成了垂度,由索中拉力与支承水平力间的距离构成的内力臂,总在钢索截面范围以外,增加垂度也就加大了力臂,从而可以有效地减少索中拉力和钢索截面面积。
图1 筒支梁与悬索结构受力的合理性比较上——筒支梁(M=Nh0);下——1II}素{M=Hf)(二)施工比较方便由于钢索自重很小,屋面构件一般也较轻,因而给施工架设带来了很大的方便。
安装时不需要大型起重设备,施工时不需要脚手架,也不需要模板。
这些都有利于加快施工进度,降低工程造价。
因而,与其它结构形式比较,施工费用相对较低。
(三)便于建筑造型悬索结构由于索网布置灵活,便于建筑造型,能适应多种多样的平面形状和外形轮廓,因而能较自由地满足各种建筑功能和表达形式的要求,使建筑与结构可以得到较完善的结合。
第三章悬索结构3.1悬索结构的发展和应用概况悬索结构是以只能受拉的索作为基本承重构件,并将索按照一定规律布置所构成的一类结构体系。
在欧洲,十六世纪便开始出现悬索的计算理论,并广泛应用在悬索桥、索道、输电线等工程的计算分析中。
目前世界上最长的悬索桥——日本明石海峡大桥跨度达到1991米。
十九世纪末,俄国工程师苏霍夫系统提出了索网结构的计算理论。
悬索结构在房屋建筑结构中的应用是从二十世纪五十年代开始,世界上第一个现代悬索屋盖是美国于1952年建成的Raleigh竞技馆。
我国从上个世纪五十年代末开始研究悬索结构屋盖。
最早的代表性工程有1961年建成的北京工人体育馆。
工程实例(一)美国Raleigh竞技馆:平面为91.5m×91.5m的近似圆形,采用以两个斜放的抛物线拱为边缘构件的鞍形正交索网结构。
工程实例(二)德国多特蒙特展览大厅美国华盛顿杜勒斯机场候机楼工程实例(三)北京工人体育馆:屋盖为直径94m的圆形平面,采用的是车辐式双层悬索体系。
其他图片。
悬索结构的优点:1、悬索结构是通过索的轴向拉伸来抵抗外荷载的作用,结构中不出现弯矩和剪力效应,因此其可充分利用钢材的强度;2、悬索结构形式多样,布置灵活,并能适应多种建筑平面,因此能够较好地满足建筑功能和造型需求,是建筑师乐于采用的结构形式之一;3、当采用高强度钢材时,大大减轻结构的自重,同时由于屋盖结构一般也较轻,屋盖安装不需要大型起重设备,故可较为经济地跨越很大的空间;4、目前悬索结构连接节点的加工技术和锚固系统已很完善,预应力张拉工艺及控制技术也非常成熟,因此悬索结构的加工、制作和施工也比较方便。
3.2 悬索结构的形式与分类1.悬索屋盖的基本构成悬索屋盖结构通常由悬索系统,屋面系统和支承系统三部分构成。
(1) 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。
悬索结构代表建筑南京长江三桥南京长江三桥,是长江南京段继南京长江大桥、二桥之后建设的又一座跨江通道,2005年10月,三桥建成通车。
南京三桥位于现南京长江大桥上游约19km 处的大胜关附近,横跨长江两岸,南与南京绕城公路相接,北与宁合高速公路相连,全长约15.6km,其中跨江大桥长4.744km,主桥采用主跨648m的双塔钢箱梁斜拉桥,桥塔采用钢结构,为国内第一座钢塔斜拉桥,也是世界上第一座弧线形钢塔斜拉桥。
浙江黄龙体育中心主体育场工程概况主体育场(Main Stadium)浙江省新建的大型体育场,系省重点工程项目,总用地面积15公顷总建筑面积近10万平方米,该工程于1997年6月启动建设2000年10月建成并投入使用。
该体育场是座建筑造型新颖,设施齐全、设备先进的现代化体育场,可容纳观众近6万人。
结构类型及特点观众席上部建有双塔斜拉索悬吊式挑蓬,气势雄伟壮观。
结构上首次将斜拉桥的结构概念用于体育场的挑蓬结构,为斜拉网壳挑蓬式,由塔、斜拉索、内环梁、网壳、外环梁和稳定索组成。
网壳结构支撑于钢箱形内环梁和预应力钢筋混凝土外环梁上,通过斜拉锁悬挂在两端的吊塔上。
吊塔为85m搞的预应力混凝土通体结构,筒体外侧施加预应力,外环梁支承于看台框架上的预应力钢筋混凝土箱型梁;网壳采用双层类四角锥焊接球节点形式;斜拉索与稳定索采用高强度钢绞线,由此形成了一个复杂的空间杂交结构。
美国华盛顿DULLES机场美国华盛顿DULLES 机场,是现代主义者芬兰建筑师Eero Saarinen设计,1962 年建造的。
屋盖为平行布置的悬索结构。
华盛顿杜勒斯国际机场得名于1888年——1959年时,美国当时的国务卿约翰·福斯特·杜勒斯。
华盛顿杜勒斯国际机场位于华盛顿市区以西约43千米处,是美国联合航空公司的主要枢纽。
机场的柱子是向外倾斜的。
索拉紧外倾的柱子,在自重和屋面载荷下自然下垂成悬链状。
在柱子之间,有倾斜的梁板,这个板状梁倾斜方向是沿着索的方向的。
其外侧形成屋檐的形状。
内侧承受屋面索的拉力。
日本代代木体育馆国立代代木竞技场位于东京都涩谷区,为东京著名的运动场馆,分为第一体育馆与第二体育馆两个部分。
由日本名建筑师丹下健三所设计,建造时间为1961年至1964年,为了作为1964年的东京奥运游泳与跳水的场馆。
全部可容纳10,500人,现在主要作为冰上曲棍球与篮球的比赛场所,也有许多歌手或艺人曾经在代代木竞技场举行演唱会。
日本建筑大师丹下健三设计的代代木体育馆是60年代的技术进步的象征,它脱离了传统的结构和造型,被誉为划时代的作品。
代代木国立室内综合体育馆的整体构成、内部空间以及结构形式,展示出丹下健三杰出的创造力、想象力和对日本文化的独到理解,它是由奥林匹克运动会游泳比赛馆、室内球技馆及其他设施组成的大型综合体育设施。
采用高张力缆索为主体的悬索屋顶结构,创造出带有紧张感、力动感的大型内部空间。
特异的外部形状加之装饰性的表现,似乎可以追溯到作为日本古代原型的神社形式和竖穴式住居,具有原始的想象力。
这可以说是丹下健三结构表现主义时期的顶峰之作,最大限度地发挥出材料、功能、结构、比例,直至历史观高度统一的杰出才能。
该建筑是丹下健三,也是日本现代建筑发展的一个顶点,日本现代建筑甚至以此作品为界,划分为之前与之后两个历史时期。
南京站始建于1968年9月,位于金陵古城城北,地处浩浩长江畔,巍巍紫金山下,前临玄武湖,后枕小红山,地理位置优越,景观环境优美。
2002年由铁道部、江苏省、南京市三方共同投资在原址改建,新站房改建工程总投资3.5亿元,历时三年,于2005年9月1日投入试运行。
新建成的站房外型采用法国AREP公司的设计方案,内部功能采用铁道第四勘察设计院的设计方案,充分体现了标志性、功能性、系统性、先进性和文化性的有机结合。
车站站房采用桅杆斜拉索悬挂结构,用18根桅杆(钢管混凝土构件)支撑起横向钢梁,像一艘竖起桅杆、拉满风帆的巨型帆船停泊在美丽的玄武湖畔,既具有江南文化特色,又融合现代化气息。
站房东西长270m,南北进深53.5m,地下1层,地上3层,站房总建筑面积41000m2,是原站房面积的6倍。
车站站房采用桅杆斜拉索悬挂结构,用18根桅杆(钢管混凝土构件)支撑起横向钢梁,像一艘竖起桅杆、拉满风帆的巨型帆船停泊在美丽的玄武湖畔,既具有江南文化特色,又融合现代化气息。
站房东西长270m,南北进深53.5m,地下1层,地上3层,站房总建筑面积41000m2,是原站房面积的6倍。
站房外型采用法国AREP公司的设计方案,内部功能采用铁道第四勘察设计院的设计方案,充分体现了标志性、功能性、系统性、先进性和文化性的有机结合。
车站站房采用桅杆斜拉索悬挂结构,用18根桅杆支撑起横向钢梁,象一艘竖起桅杆、拉满风帆的巨型帆船停泊在美丽的玄武湖畔,既具有江南文化特色,又融合现代化气息。
金门大桥是世界著名大桥之一,被誉为近代桥梁工程的一项奇迹。
金门大桥的设计者是工程师史特劳斯,人们把他的铜像安放在桥畔,用以纪念他对美国作出的贡献。
结构及形式特点:金门大桥是典型的悬索结构。
大桥雄峙于美国加利福尼亚州宽1900m多的金门海峡之上。
金门海峡为旧金山海湾入口处,两岸陡峻,航道水深,为1579年英国探险家弗朗西斯·德雷克发现,并由他命名。
金门大桥主跨为1280m,曾保持世界最大桥梁跨度记录达27年之久。
金门大桥的巨大桥塔高227m,每根钢索重6412t,由27000根钢丝绞成。
1933年1月始建,1937年5月首次建成通车。
江阴长江大桥,位于中国江苏江阴市与靖江市之间,是规划的沿海南北主干线跨越长江的位置。
桥型方案为中跨1385m的大跨径悬索桥。
它是中国的第一座跨经超千米的桥梁,全桥总长近3km。
主跨桥道梁采用带风嘴的扁钢箱梁结构,箱高3m,总宽37.7m。
一对缆索的垂跨比为1:10.5,由Φ5镀锌高强钢丝组成,采用平行钢丝束法(PWS法)架设。
大桥桥下通航净高50m。
桥塔高约190m,为门式钢筋混凝土结构。
南塔位于南岸边岩石地基上。
北塔位于北岸外侧的浅水区,采用筑岛施工的桩基础。
南锚台为重力式嵌岩锚碇结构。
北边孔由多跨预应力连续刚构组成。
南北引桥为预应力混凝土梁桥,分别长132m和1365m。
苏通大桥位于江苏省东部的南通市和苏州(常熟)市之间,是交通部规划的黑龙江嘉荫至福建南平国家重点干线公路跨越长江的重要通道,也是江苏省公路主骨架网“纵一”——赣榆至吴江高速公路的重要组成部分,是我国建桥史上工程规模最大、综合建设条件最复杂的特大型桥梁工程。
苏通大桥工程起于通启高速公路的小海互通立交,终于苏嘉杭高速公路董浜互通立交。
路线全长32.4km,主要由北岸接线工程、跨江大桥工程和南岸接线工程三部分组成。
1.跨江大桥工程——总长8206m,其中主桥采用(100+100+300+1088+300+100+100=2088m)双塔双索面钢箱梁斜拉桥。
斜拉桥主孔跨度1088m,列世界第一;主塔高度306m,列世界第一;斜拉索的长度580米,列世界第一;群桩基础平面尺寸113.75mX48.1m,列世界第一。
专用航道桥采用140+268+140=548m的T型刚构梁桥,为同类桥梁工程世界第二;南北引桥工程:采用30、50、75m预应力混凝土连续梁桥;2.北岸接线工程——路线总长15.1km,设互通立交两处,主线收费站、服务区各一处;3.南岸接线工程——路线总长9.1km,设立交一处。
主桥通航净空高62m,宽891m,可满足5万吨级集装箱货轮和48000t船队通航需要。
全线共需钢材约250000t,混凝土1.40×106m3,填方3.20×106m3。
工程总投资约64.5亿元,计划建设工期为六年。
苏通大桥创造了四项世界之最:1.最大主跨:苏通大桥跨径为1088m,是当今世界跨径最大斜拉桥。
2.最深基础:苏通大桥主墩基础由131根长约120m、直径2.5m至2.8m的群桩组成,承台长114m、宽48m,面积有一个足球场大,是在40m水深以下厚达300m的软土地基上建起来的,是世界上规模最大、入土最深的群桩基础。
3.最高桥塔:苏通大桥采用高300.4m的混凝土塔,比多多罗大桥224m的钢塔高70m多,为世界最高桥塔。
4.最长拉索:苏通大桥最长拉索长达577m,比日本多多罗大桥斜拉索长100m,为世界上最长的斜拉索。
天津泰达足球场,2004年1月竣工。
天津泰达足球场工程总投资约5.3亿元,总建筑面积61000m2,设有38000个席位。
包括赛场、休息室、检测室、多功能厅、新闻发布厅、贵宾包房、专卖店、餐厅等。
钢结构制作、安装内容包括东西看台、南北看台、四角区看台设备房、东区餐厅及四角灯塔等五大部分·结构形式及特点总耗钢量达4300t,其中东西看台为悬吊索斜拉结构,由22榀高达45米的月牙形主桁架、26榀屋面桁架、22根拉索和混凝土平衡块组成。
其中主桁架单重52t,安装离地高达5m,屋面桁架单重11.2t,安装离地高33.2m;桁架钢管相交节点采用交叉插板形式,部分主弦杆为弯圆,主桁架变直径钢管对接采用锥形过渡段,制作难度极高。
南北看台和东区餐厅为蜂窝形变截面、变曲率焊接H型大梁结构,曲率截面高1.5m,翼缘板厚达40mm,卷板圆弧度要求高,须用大型卷板设备制作,南北看台的7榀弧形环梁,南看台每榀重达23.9t,北看台每榀重达31.9t。
水平布置的单层悬索体系形成下凹的单曲率曲面,适用于矩形或多边形的建筑平面,可用于单跨和多跨以上的建筑。
索的水平力一般通过水平梁、框架等支撑结构来传递。
美国华盛顿DULLES 机场(Dulles International Airport),现代主义者芬兰建筑师Eero Saarinen设计,1962 年建造的。
屋盖为平行布置的悬索结构。
法国米洛大桥,采用斜拉桥形式,横跨塔恩河(TarnRiver),桥面高270m,最高处达343m,比巴黎艾菲尔铁塔还高,是世界上最高的桥,大桥总长2.5km,重36000t,于2004年竣工开通。
小浪底水利枢纽工程位于河南省洛阳市以北40km的黄河干流上,坝后泄水渠渠顶宽约340 m,两岸为园林化活动中心,2002年在大坝下游泄水渠上修建了1座3跨连续平索索道人行桥,目前已成为连接坝后泄水渠两岸活动中心及花园的通道,观赏坝后出水口景观的最佳位置,并为水文观测提供了有利条件。
该桥型以其结构简捷、经济实用、美观等优点,在多种方案中脱颖而出,全桥长360.2 m,桥净宽为1 8m,是融观景、交通、水文观测为一体的实用性桥梁。
主体为悬索结构日本明石海峡大桥,大桥坐落在日本神户市与淡路岛之间(东经134度59分,北纬34度36分),全长3911m,主桥墩跨度1991m。