懸索結構

懸索結構是由柔性受拉索及其邊緣構件所形成的承重結構，主要套用於建築工程和橋樑工程。其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。

基本介紹

• 中文名：懸索結構
• 外文名：suspension structure
• 術語分類：建築
• 學科分類：建築學
• 套用領域：建築工程；橋樑工程
• 特點：跨度大、自重小、材料省、易施工

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。中國是世界上最早套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套用。

懸索結構

分類

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桿吊有加勁桁架（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桿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（圖1a）。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（圖1b）。②圓形雙層懸索結構（圖1c）。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桿以增強剛度。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（圖3）或其他平面的屋蓋。義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，在索網下還設定了一層水平拉索。

懸索結構

懸索結構

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。

隨著卷材薄鋼板的發展，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。（見彩圖）

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，在一定程度上決定著結構的技術經濟指標和安全。

計算要點

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下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）。

作用

懸索結構廣泛用於橋樑結構,用於房屋建築則適用於大跨度建築物,如體育建築(體育館、游泳館大運動場等)、工業車間、文化生活建築( 陳列館雜技廳、市場等)及特殊構築物等。

其他

新型結構常常與正確使用、維護有關，而國家的法律、規範常常重建輕管，致使許多使用中的問題解決無依據，費用無作落。導致部分項目竣工多年後產生問題一直得不到解決。因此建議把使用問題納入設計規範考慮，從源頭解決。至少設計人員在設計檔案中提出使用有關的問題及解決的原則性方案，便於納入預算，或為後續使用創造條件。