认证主体：肖**（实名认证）
IP属地：湖北
下载本文档
1、悬索结构的发展历程及未来的发展方向摘要：这篇文章对悬索结构的过去、现在、未来做出了简单的介绍。对悬索结构的特点、主要形式作出了详细的描述。下面我将从悬索结构在我国的发展历程，我国近几十年在悬索结构方面所取得的傲人成绩，在科研投入与科技理论的成就，悬索结构在大跨空间结构中的应用，以及今后如何从大跨空间结构的发展来窥视悬索结构的发展方向等方面概括地论述一下。关键字：悬索结构，空间结构，大跨度，发展正文：空间结构的卓越工作性能不仅仅表现在三维受力,而且还由于它们通过合理的曲面形体来有效抵抗外荷载的作用。当跨度增大时, 空间结构就愈能显示出它们优异的技术经济性能。事实上, 当跨度达到一定程度后, 一般
2、平面结构往往已难于成为合理的选择。从国内外工程实践来看, 大跨度建筑多数采用各种形式的空间结构体系。悬索结构充分利用高强材料的抗拉性能，可以做到跨度大、自重小、材料省、易施工。在古代就曾用竹、藤等材料做吊桥跨越深谷。特别是近代的悬索结构，除用于大跨度桥梁工程外，还在体育馆、飞机库、展览馆、仓库等大跨度屋盖结中应用。 悬索结构的概念悬索结构可以说是一种古老的结构形式之一，其最早可以追溯到桥梁结构的中的应用。而其在建筑结构中的应用最早可以追溯到20世纪50年代。悬索结构是指以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。随着生产力的发
3、展和人民生活水平的提高，建筑事业也在不断发展。悬索结构受力主要承受轴向拉力，可以最充分地利用自身材料的抗拉强度。如果再采用高强度材料时，更可大大减轻结构自重，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。悬索结构在国外应比较广泛，在我国却因实践和理论研究上的不足，处于相对落后的地位。 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。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
4、的承载能力，就意味着要增加梁的高度。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；但下部支承结构（RC、S）材料用量加大。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。 (二)施工比较方便 由于钢索自重很小，屋面构件一般也较轻，安装时无需大型起重设备和模板、脚手架等，施工费用也相对较低，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
5、它结构形式比较，施工费用相对较低。 (三)便于建筑造型 悬索结构通过索的轴向拉伸来抵抗外荷载（作用），可以最充分地利用高强度钢材的承载能力，大大减轻结构的自重，较经济地跨越很大的跨度，火灾后的破坏后果比普通钢结构小。且索网布置灵活，便于造型优美的建筑造型，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。悬索结构的主要形式 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。悬索结构的主要结构形式主要有以下
6、： 平面悬索结构主要在一个平面内受力的平面结构，多用于悬索桥和架空管道。按结构形式分为：单层悬索结构。可用做柔式悬索桥，也可用于屋盖，结构刚度较小，在可变荷载作用下变形较大，宜在索上铺设重屋面。加劲式单层悬索结构。通过在索下面若干吊杆吊有加劲桁架（或加劲梁），以增强结构的刚度。双层悬索结构。其上索与下索曲率相反，并通过其间的受拉斜腹杆中施加预应力而具有较好的刚度。空间悬索结构处于空间受力状态的结构，多用于大跨度屋盖结构中。按结构形式分为：圆形单层悬索结构。用于圆形平面的屋盖，其索按辐射状布置，整个屋面形成下凹的旋转曲面。各根索的外端固定于周边的钢筋混凝土圈梁上，内端固定于圆心附近的拉环上。当圆
7、心处允许设柱时，可形成伞形悬索结构。圆形双层悬索结构。其外形与上述结构类似，只是有上下两层索，从而可以有不同布置形式的预应力拉杆以增强刚度。中国北京工人体育馆直径94米的比赛大厅屋盖即采用了这种结构形式。其圆心附近的拉环除承受环向拉力外，在竖直方向还承受压力。双向正交索网结构。由互相正交的两组索组成。下凹的一组为承重索,上凸的一组为稳定索,两组索形成负高斯曲率的曲面。对其中一组索施加预应力时，另一组索也同时获得预应力的效果。通过施加预应力，可使两组索在屋面荷载作用下始终贴紧，且获得良好的刚度。这种索网可用于椭圆平面、矩形平面、菱形平面或其他平面的屋盖。中国浙江省人民体育馆屋盖采用8060米椭圆
8、平面的马鞍形索网，其索端固定于一个空间曲梁上。为了减小曲梁内的弯矩，在索网下还设置了一层水平拉索。 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，这种索网形成由正、负高斯曲率构成的双曲抛物面，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
9、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。鞍形索网体系形式多样，易于适应各种建筑功能和建筑造型方面的要求，屋面排水也较易处理，加上前面谈到的工作性能上的优点，使这种结构体系在近年来获得相当广泛的应用。除上述悬索结构外，工程中还常用斜拉索结构，如斜张桥和斜拉索屋盖。这种斜拉索主要是用来减小屋面或桥面结构构件的跨度，以满足整个结构的大跨度要求和达到节省材料的目的。随着卷材薄钢板的发展，近年来，有的国家采用悬挂板带结构。还有一种结构是利用钢索来吊挂
10、混凝土屋盖的，这种结构叫悬挂式结构，其特点是：充分利用钢索所具有的抗拉特点，而减小钢筋混凝土屋盖所承受的弯曲力。在各种形式的悬索结构中，索的边缘构件及地锚的合理性和可靠性具有极其重要的意义，在一定程度上决定着结构的技术经济指标和安全。下图所示日本代代木体育馆，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、力动感的大型内空间。悬索结构的施工研究悬索结构施工比较简单，不需要大型起重设备，也不必设置大量脚手架，施工费用较节省，工期较短，悬索结构的施工与设计联系十分紧密，设计时必须预先考虑施工的步骤。实际施工时必须严格按照规定的步骤进行，如有改变，就可能引起内力的很大变化，尤其会使支承结构严重
11、超载。悬索结构架设程序并无统一规定可循，一般来说，必须首先建立支承程序，把已经预拉并按准确长度准备好的钢索架设就位，调整到规定的初始位置并安上锚具临时固定，然后进行预应力张拉和铺设屋面。预应力的施工中，预应力的施加过程要预先进行仔细设计，通常需要将全部预应力分成若干级，拟定交替施加各级预应力和恒载的最有利程序。在施加每级预应力时，还要仔细规定每个钢索的张拉次序，有步骤地依次进行。张拉预应力一般利用专门的千斤顶进行，操作比较方便，而且易于控制张拉力的大小。张拉预应力和铺设屋面的过程中要随时检测索系的位置变化，必要时做适当调整，使整个屋盖完成时达到预定的位置。中国现在悬索结构现状 中国现代悬索结构
12、之发展始于50年代后期和80年代。北京的工人体育馆和杭州的浙江人民体育馆是当时的两个代表作。大家知道，世界上最早的现代悬索屋盖是美国于1953年建成的Releigh体育馆，采用以两个斜放的抛物线拱为边缘构件的鞍形正交索网。我国建造的上述两个悬索结构无论从规模大小或技术水平来看，在当时都可以说是达到国际上较先进水平的。但此后我国悬索结构的发展停顿了较长一段时间，一直到1980年才建成成都城北体育馆。它的直径为61m的圆形屋盖也是采用车辐式双层悬索结构，但作了一些改进：所有的索在中央环处不切断，而是沿环的切线穿越过去，铺在圈梁的对侧位置上。这样不仅节省了一半悬索锚具，而且中央环不再承受环向拉力，而
13、仅起上、下索之间撑杆的作用，从而节省了相当数量的钢材。我国在悬索结构的发展在早期尽管有着一些杰出工程，然而回顾80年代初期我国悬索结构以致整个空间结构的总体发展水平，仍然只能承认当时仅有平板网架结构的发展是比较成熟的；由于60年代以后全国在平板网架方面投入了不少力量，在工程实践和理论分析方面均积累了较多经验。但在悬索结构、网壳结构、薄壳结构和薄膜结构等其它空间结构类型方面，则相对比较落后，工程实践既有限，理论储备也不足，同国际发展水平相比差距较大。这种状态同当时蓬勃兴起的新的建设形势形成了明显的反差。在设计日益增多的如体育馆等一些大型公共建筑时，普遍感到结构形式的选择余地很有限，无法满足日益发
14、展的对建筑功能和建筑选型多样化的要求。这种生产要求对我国空间结构的发展起到了良好的刺激作用，各设计和研究部门对探讨多样化的空间结构形式和进行相应的理论研究产生了越来越多的兴趣。1982年空间结构委员会的成立集中地反映了这种共同的要求。从那时候起，我国空间结构，包括悬索结构进入了一种较快的协调发展的状态。今天来回顾我国悬索结构十年来的发展。可以看到工程实践的数量有了较大增长，结构的应用形式趋向多样化，理论研究也逐渐完整配套，形势是十分喜人的。 从近年来工程实践中所采用的结构形式来看，各种单层索系、双层索系、鞍形索网、各种组合悬挂体系都获得了工程应用，形式丰富多样。国内已建成的悬索结构工程项目中，
15、其中绝大多数是近一二十年内设计和建造的。 近一二十年来的工程实践几乎对各种悬索结构形式都进行了探索。尤其值得称道的是，我国的工程技术人员在学习和吸收国外先进经验的同时，在结合工程具体条件创造更加符合中国国情的结构应用形式方面作了不少尝试和创新。在国内好多地方把悬索结构应用于一些中小型屋盖结构中，颇具特色。他们主要采用单层平行索系上加钢筋混凝土屋面板的构造方式。施工时先将屋面板挂在索上，在板上加载使索伸长，然后在板缝中浇灌细石混凝土，待达到一定强度后卸去荷载，即形成具有一定预应力的“悬挂薄壳”。这种构造和施工方法不需要复杂的技术和设备，相应地造价也比较经济，因而很符合各地区建造中、小型建筑的需要
16、。十年来我国悬索结构发展的另一个特点是在许多工程中运用了各种组合手段。主要的方式是将两个以上的索网或其它悬索体系组合起来，并设置强大的拱或刚架等结构作为中间支撑，形成各种形式的组合屋盖结构。例如四川省体育馆和青岛市体育馆的屋盖是由两片索网和作为中间支撑的一对钢筋混凝土拱组合起来的，丹东体育馆则是由强大的钢筋混凝土中央刚架和两片单层平行索系组合而成。北京朝阳体育馆由两片索网和被称为“索拱体系”的中央支撑结构组成。索拱体系本身也是一种组合结构。朝阳体育馆采用的中央索拱体系由两条悬索和两个钢拱组成。索和拱的轴线均为平面抛物线，分别布置在相互对称的四个斜平面内，通过水平和竖向连杆两两相连，构成桥梁形式
17、的立体预应力体系。索拱体系的工作性能显示了索和拱两种构件相互配合、相互补充的特点。与单纯的悬索比较，索拱体系具有较大的形状稳定性和刚度。尤其是在抵抗集中或局部荷载时变形较小；与单纯的拱比较，索拱体系中的拱由于同张紧的索相连，其整体稳定性较好，因而不需强大的截面,这种索拱体系的概念是一种有意义的创新。 采用各种组合式屋盖不仅进一步增加了建筑造型的多样性，而且往往能更好地满足某些建筑功能上的要求。例如通过设置中央支承结构适当抬高了体育馆比赛场地上方的净空，而两侧下垂的悬索屋面又恰好与看台的斜度配合一致，所以这种元宝形的屋盖形状给体育馆建筑提供了最优的内部空间。 对于选用组合式屋盖结构常常并非由于技
18、术、经济方面的原因,从技术经济的角度，单片索网或其它悬索体系可以经济地跨越很大的跨度，本非必需要采用中间支承结构。事实上对于一般中等跨度的建筑物，采用单片的悬索体系常可能获得简单经济的设计。所以，采用组合式屋益结构在许多场合毋宁说主要是出于丰富建筑造型和更好地满足建筑物使用功能方面的考虑。毫无疑问，从我国这几年的实践效果来看，它在这方面是起到了预期作用的。 国内悬索结构理论和实验研究的创新 工程应用促进了理论和实验研究的进展。悬索结构在荷载作用下要产生较大的位移。因而计算中必须考虑几何非线性问题。这一因素形成了悬索结构计算理论的特点，也增加了分析的难度。我国关于悬索结构的第一批较系统的研究是在
19、50年代末和60年代前期进行的。当时主要研究悬索结构分析的解析方法，例如；推导了车辐式双层索系正屋面均匀荷载作用下的计算公式；在连续化理论的基础上，应用能量变分原理对椭圆平面和菱形平面的双曲抛物面索网在均布荷载和任意集中荷载作用下的内力和位移进行了细致的分析。值得指出的是，在进行理论研究的同时。当时还建造了几个小型的试验性建筑物，包括一个直径为15m的车辐式双层索系屋盖和一个平面近似椭圆（18mX12m）以一对斜拱作为边缘构件的鞍形索网屋盖。在出版物方面，悬挂结构计算是代表当时研究水平的一本讨论悬索结构实用计算的著作，在工程界有较大影响。同一作者在稍后时期出版的另一本著作悬挂结构计算理论则侧重
20、于对悬索结构解析方法的理论推导。 80年代初期恢复了对悬索结构的广泛研究。初期仍然着重于各种形式悬索体系的解析计算方法和以解析法为基础的各种近似方法的探讨。大跨房屋钢结构是我国第一本介绍悬索结构设计和计算的教材，它以较大篇幅系统地归纳了各种形式悬索体系的解析计算方法和相应公式，并且补充推导了平面双层索系的整套实用计算方法。横向加劲单曲悬索屋盖的简化分析与合理设计则系统研究了横向加劲单层平行索系（索-梁体系或索-桁体系）的受力性能和计算方法。随着计算机的普及，悬索结构的离散化分析方法，尤其是以离散化理论为基础的节点位移法以及在处理任何非线性问题时必需的各种迭代解法引起了广泛的兴趣，并取得了迅速发
21、展。 近一二十年来关于悬索结构研究的一个特点是做了大量的试验工作，这是我国结构研究方面的一个优良传统。早在60年代，就做过车辐式双层索系、椭圆平面和菱形平面双曲抛物面索网的模型试验。近几年来，则几乎每一个重要的悬索结构工程，都做过模型试验或现场实测，内容包括领应力状态的测定、不同荷载作用下的内力和位移测量等，也大都包括体系前几阶自振频率和振型的测定。这些试验研究同理论分析工作一起，以及它们之间的相互印证，几年来使我们对各种形式悬索结构性能的了解大大前进了一步。同十年前相比，可以说，我们在设计这类结构方面，无论从结构选型的角度，还是从设计计算的手段方面，已经逐步积累起比较丰富的理论储备。 除了直
22、接服务于设计的理论分析和试验研究工作外，一些更为基础性的理论研究近几年也在逐步开展。它们相对集中于三个研究领域：（1） 张拉结构初始形状的确定；（2） 悬索结构的地震反应分析；（3） 悬索结构的风振反应分析。 柔性的张拉结构在没有施加预应力以前没有刚度，其形状是不确定的。必须通过施加适当预应力赋予一定的形状，才能成为能承受外荷的结构。在给定的边界条件下，所施加的预应力系统的分布和大小（这是一套自平衡的内应力系统）同所形成的结构初始形状是相互联系的。如何最合理地确定这一初始形状和相应的自平衡预应力系统，就是张拉结构的“外形确定”这一命题要解决的任务。所以，外形确定问题更确切地应称之为“初始平衡状
23、态的确定”，或叫“初始平衡问题”。这是包括索网结构在内的张拉结构设计中的一个关键问题。对于双曲抛物面索网来说，这一问题不难解决。因为双曲抛线面对应于均匀的预应力状态，其索网内两个方向的预应力和均为常量。但对于其它类型的曲面，其初始状态一般需通过几何非线性的有限元分析来确定，尤其对于一些边界条件较特殊的张拉结构，要确定出既具有符合建筑造型要求的外型、又具有合理预应力分布的初始状态并非易事。 这也许可从一个方面说明：为什么我们建造的悬索结构还很少具有像国外某些著名的张拉结构那样的在造型方面的大胆构思。近年来，国内研究者在探讨有效的确定张拉结构初始状态的非线性有限元分析方法方面做了很多努力，取得了可
24、喜的成果，并编制了相应的实用程序，有些程序能适应较大的位移变化，因而能进行大幅度的外形调整。 关于对悬索结构动力性能的研究，尤其是在地震和风激作用下的反应分析，是更全面了解这类结构工作性能以进一步提高设计水平的重要基础工作。过去这方面的研究甚少，尤其是关于大跨柔性屋盖风振问题的研究在国内外均基本上是空白。近几年来，对索网体系、索-梁（桁）体系在地震作用下的反应用时程法和振型分解反应谱法进行了系统的研究，对索-梁（桁）体系还做了细致的动力模型试验，使我们对这两种悬索体系的抗地震性能的了解大大前进了一步。 近几十年来我们在悬索结构方面所积累的工程经验以及理论和试验研究成果, 可以说是相当丰富的;
25、所采用的结构形式丰富多采, 进行的理论研究也是全方位的。而且, 迄今国内所建造的许多悬索屋盖工程, 从设计计算到材料、设备和施工全是由国内技术自己完成的。但另一方面, 同网架和网壳结构近年来的发展相比, 悬索结构的发展相对来说较为缓慢, 尤其是工程实践的数量不够多, 远没有达到普遍应用的程度。分析起来可能有几方面的原因: (l) 悬索结构的设计计算理论相对复杂一些, 又缺少具有较高商品化程度的实用计算程序, 必要的设计和施工规程也尚未制定出来, 因而难于为一般设计单位普遍采用; (2) 尽管悬索结构的施工并不复杂, 但一般施工单位对它不够熟悉, 更没有形成专业的悬索结构施工队伍, 这也影响建设
26、单位和设计单位大胆采用这种结构形式。按照我们的看法, 在我国悬索结构的工程实践和理论研究已经发展到当今水平的基础上, 上述这些工作已有条件着手进行, 当然需要一定的组织工作。从大跨空间结构的发展看悬索结构今后大跨度结构的发展特点 1、结构形式的灵活多变结构形式的多样化应该是空间结构最突出的优点之一。空间结构能以其丰富的外形来满足使用功能与建筑造型的要求,象澳大利亚悉尼歌剧院类似贝壳的壳体屋盖至今还是空间结构优异形式的典范。对于壳体的几种基本形式,如果加以剪裁、通过切割或组合,就可以完全改变原来的面貌,而在以杆件组成的网壳上实现也十分方便。对于空间结构形式的变化,一方面是建筑上的需要,另一方面在
27、技术上也能做到,因此世界各国正以极大的热情进行互相学习与应用,预计今后还会有更大的发展,使空间结构的造型更趋丰富多彩。 2、杂交结构的兴起“杂交”结构相对说来是一个比较新的名词,是指不同类型结构的组合而形成一种新的结构体系,以有别于采用不同材料而组成的“组合”结构(例如组合网架) 。杂交结构的优点是充分利用某种类型结构的长处来避免或抵消另一种与之组合的结构的短处,从而改进了整个结构体系的受力性能。横向加劲单曲悬索结构就是一种桁架与单向索组合而成的杂交结构体系。一般单曲悬索的刚度都比较差,尤其在不对称荷载下易发生机构性位移。如果将作为横向加劲构件的桁架与索垂直相交并设置于索之上,然后对桁架端部的
28、支座下压、产生强迫位移使结构建立预应力,这样就大大增加了屋盖结构的刚度,在抵抗不均匀荷载时,桁架也能有效地分担和传递荷载。因此,在整个结构体系中,柔性的索可以充分发挥其高强度钢材的作用来承受主要荷载,而刚度则通过组合具有抗弯刚度的桁架得到改善。在建筑物中有时出于造型或功能的需求,要求在中间部分凸起,为此设置了类如拱、刚架或斜拉索的支承结构,并与网架或悬索结构组成一种杂交结构。杂交结构的提出,有时与其说是结构的有机结合,还不如说是建筑上的需要。采用中间支承的杂交体系悬索屋盖有时不一定经济,其耗钢量与造价都比较高,尤其是支承结构的耗钢量往往占屋盖总耗钢量的1/ 2 至3/ 4。因此,杂交结构还是一
29、个新课题,有待于进一步的探索与实践。 3、高强轻质材料的发展空间结构采用的材料多种多样,如钢、混凝土、铝、木、塑料等。近年来,还开发与应用了人工合成材料,不但强度高,重量也更轻。特别是由某种纤维与结合物组成的复合材料,性能更佳。最常见的是玻璃丝增强树酯(俗称玻璃钢) 和碳纤维或阿拉密德。复合材料最大的优点是重量轻,因而单位密度的强度指标都很优越,如碳纤维或阿拉密德都是钢丝的四倍,目前复合材料已成功地用在修建连续体的壳体与折板上。它也可以用来制作索、棒、与管。另一种高强轻质材料是建筑织物,它的出现使膜结构步入永久性建筑的行列。建筑织物需要一个强度较高的基材,目前常用的有聚酯和玻璃纤维织物,表面涂敷防护性能好的涂层如聚氯乙烯、聚四氟乙烯或有机硅树酯等。这种新型材料不但能承重而且起围护作用,它最大的优点是重量特轻,使结构自重起
0/150
联系客服
本站为文档C2C交易模式，即用户上传的文档直接被用户下载，本站只是中间服务平台，本站所有文档下载所得的收益归上传人(含作者)所有。人人文库仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对上载内容本身不做任何修改或编辑。若文档所含内容侵犯了您的版权或隐私，请立即通知人人文库网，我们立即给予删除！