建筑结构选型结课论文悬索结构的形式和设计选型
姓名：李超
学号：1401102-01
所在院系：建筑与城市规划学院
学科专业：城乡规划
指导教师：张弘
二〇一六年十二月
标题：悬索结构的形式和设计选型
申明：本人申明提交作业文章所有内容均有本人完成，文中引用他人观点均已标明出处。
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日期：
悬索结构的形式和设计选型
摘要：本文在简述悬索结构构成和受力特点的基础上,根据索网曲面形式和结构特征,何恳索结构迸仃了分类,介绍了各种单(双)曲面单(双)层悬索结构、交叉索网、斜拉结构的组成特点和国内外卜程应用状况。文章还对悬索结构设计选型的若干主要问题,如建筑平面形状、结构跨度、刚度与稳定性、边缘构件与支承结构、片画材料与排水等进行了论述,并提供了一些可供设计参考的有效措施。
关键词：悬索结构设计选型索网杂交结构
1．悬索结构的组成与发展
土木建筑结构所指的悬索结构,就是指以柔性拉索或将拉索按一定规律布置成索网来直接承受屋面荷载作用的结构(见图1)这些索或索网均悬挂在支承结构体系的边缘构件上。在竖向荷载作用下,索或索网均承受轴向拉力,并通过边缘构件和支承结构将这些拉力传递到建筑物的基础上去。
悬索结构中承受轴向拉力的柔性拉索多采用高强度钢丝组成的钢铰线、钢丝绳、钢丝束等,有的也可以采用圆钢筋或带状薄钢板。边缘构件是用来锚固拉索(索网)的,起到承受索在支座处的拉力作用。根据建筑平面和结构类型的不同,
边缘构件可以选用圈梁、拱、析架、刚架等劲性构件,也可以直接选用柔性拉索。支承结构主要是用作承受边缘构件传来的压力和水平推力引起的弯矩。常选用钢筋混凝土独立柱、框架、拱等结构形式。这样受拉的索网和以受压、受弯为主
的边缘构件和支承结构,就可以分别采用受拉强度较高的钢材和抗压强度较好的钢筋混凝土,使不同材料的力学性能能得到合理利用。由于对柔性拉索与刚性结构的优化组合,就可以用较少的材料(一般索的用钢量仅为普通钢结构的l/5一
1/7,11一般都在10kg/m以下)做成较大跨度的悬索结构。由于钢索自重很轻,屋面构件也不很大,囚而给施工架设带来了很大的方便。安装时不需大型起重设备,也不需另设脚手架。这些都有利于加快施工进度,降低工程造价。同时索网布置灵活,便于建筑造型,能适应平面形状与外形轮廓的各种变化,这使建筑与
结构可以得到较完美的结合。因此悬索结构在友跨度建筑中得到了越来越多的应用。
悬索结构是一种受力比较合理的建筑结构形式。它与简支梁受力情况对比,就可以看出这种合理性。众所周知,图2中的简支梁住竖向荷载作用下,上纤维压应力的合力与「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。
悬索结构在桥梁中的应用已有悠久历史,但在建筑工程中的广泛应用还只是50年代以来的事情。通过40多年来各国不断进行的研究和工程实践,它的应用范围正在不断扩大,结构形式在日趋丰富,计算理论与设计、施工技术亦趋于完善,现已成为一种成熟的建筑结构体系。目前在大、中跨度的体育馆、展览馆、商场、机(车)库等公共建筑和一些工业厂房、仓库中得到了较多的应用,它是空间结构的一种重要结构形式。
在国外大跨度屋盖中,悬索结构一直是选用中的主要结构形式。如1980年莫斯科奥运会有5项跨度在66M以上的主要体育建筑,都采用了悬挂钢板膜的或刚性索的悬挂结构;加拿大卡尔加里冬季奥运会的双曲抛物面索网屋盖(D=i20m),
美国纽约麦迪逊广场的双层辐射式悬索屋盖(D二123m),日本东京代代木体育馆
以两侧索网索为中间支承的悬索屋盖(120mxZ14m)等等,都是世界上比较著名的大跨度悬索结构。
我国从60年代以来也先后建成了30座左右的悬索结构工程。除60年代建成的北京工人体育馆(D二94m),浙江体育馆(椭圆形平面,80rnx60rn),成都城北体育馆 (D二6lm)等屋盖外,近年来又有很多创新与发展。新建的一批悬索结构形式就相当丰富:如吉林冰球馆(59mx76.8rn),采用了承重索和稳定索交错布置构成的立体拉索析架;安徽省体育馆(六边形平面,72mx69m)、上海杨浦体育馆(45m义48.6m),采用了横向加劲单曲悬索结构;四川省体育馆(六边形平面,72二、79.4m)、青岛市体育馆(卵形平面,87mx72m),采用了在中间相互倾斜或交叉的双拱两侧悬挂两片索网的形式;北京朝阳体育馆则采用了索拱组合体系作为索网屋盖的中间支承;淄博化纤厂餐厅采用的正方形对角线支承索网 (30mx3om)等等。此外,伞形悬索、斜拉屋盖结构在我国也得到了应用与发展。
吉林冰球馆浙江省体育馆如此众多的悬索结构工程的建成,不仅大大丰富了我国建筑结构的形式,而且也为悬索结构的进一步应用与发展,积累了可贵的经验。可以预料,随着我国建设事业的发展,大跨度空间建筑的社会需要不断增加,悬索结构必将会有更为广阔的应用前景。
2．悬索结构的形式
悬索结构的形式很多,根据索网、边缘构件和下部支承结构的不同配置,可以构成一系列形式各异的悬索结构。如果将悬索结构和其它结构形式结合,又可以进一步派生出许多形式新颖的结构体系。例如,按悬索结构的表面形状和不同结构特征,可以组合成以下几种基本形式:
若按不同的索网布置方式,则可以分为平行拉牢体系、拉索析架体系、幅射式拉索体系以及交叉索网体系等。
2.1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。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。达种结构形式一般用于矩形平面的单跨建筑。平行拉索体系常呈平面受力状态,索中拉力放与跨中垂度成反比。对于一定跨度的悬索结构,如垂度太小则曲面扁平,索中拉为将过大;如垂度太大则索中拉力减少,但支派结构的高度将随之增大。因此适宜的垂跨比一般取1/10~1/20。这种拉索体系,构造简单,排水方便。但是屋面结构的稳定性不好,在不对称荷载或局部荷载作用下,有可能改变悬索屋盖的曲面形式;同时它的抗风能力也差,因此有必要采取有效措施来保证屋而的稳定性。通常的做法是采用重屋盖,即在索间铺设预制钢筋流凝土板,使悬索在较大的均布恒软作用下始终保持张紧状态,既可增强屋面保持原来状态的能力,又有利于克服风力的卸载作用。
