悬索结构

由柔性受拉索及其边缘构件所形成的承重结构

悬索结构是由柔性受拉索及其边缘构件所形成的承重结构，主要应用于建筑工程和桥梁工程。其索的材料可以采用钢丝束、钢丝绳、钢铰线、链条、圆钢，以及其他受拉性能良好的线材。

简介

悬索结构能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。中国是世界上最早应用悬索结构的国家之一，在古代就曾用竹、藤等材料做吊桥跨越深谷。明朝成化年间（1465～1487年）已用铁链建成霁虹桥。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构中应用。

分类

悬索按受力状态分成平面结构和空间结构。

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：①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。②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。③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

一种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：①圆形单层悬索结构（图1a）。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。当圆心处允许设柱时，可形成伞形悬索结构（图1b）。②圆形双层悬索结构（图1c）。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（图2）。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。③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。意大利米兰体育馆屋盖采用了圆形平面的马鞍形索网结构,直径140米，是世界上最大的索网结构。中国浙江省人民体育馆屋盖采用80×60米椭圆平面的马鞍形索网，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。

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。如联邦德国法兰克福航空港飞机库的屋盖，平面尺寸达270×100米，分为两跨，每跨由10条长13米、宽7.5米的板带组成，板带之间用3米宽的采光带隔开。

除上述各种悬索外，还有一种结构是利用钢索来吊挂混凝土屋盖的，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。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。

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。

计算要点

悬索结构在静荷载作用下的分析，首先要确定在初始荷载作用下整个结构的初始状态，然后计算在荷载增量、温度变化和索支点位移所引起的整个结构的内力和变形。悬索结构的初始状态是指在初始荷载(包括自重和预应力)作用下的平衡位置，可通过索的各点坐标和索内拉力的水平分量确定。初始状态一般需要经过多次试算选定。索网结构可按离散的计算模型进行分析;对于索间距较小的正交索网结构,也可按连续的计算模型，即假设为一个没有剪切刚度的各向异性薄膜进行分析。悬索结构具有几何非线性的性质，即在各阶段荷载作用下，无论是内力或变形均与荷载呈非线性关系。当采用离散方法分析悬索结构时会得出非线性代数方程组。采用连续方法分析时则得出非线性微分方程。对于双曲抛物面正交索网也可采用能量原理进行分析。悬索结构当跨度较大而又较柔时宜考虑风振效应，进行动态分析。

悬索结构施工中要注意索的防腐处理和端头锚固的可靠性（见悬索屋盖施工）。

作用

悬索结构广泛用于桥梁结构,用于房屋建筑则适用于大跨度建筑物,如体育建筑(体育馆、游泳馆大运动场等)、工业车间、文化生活建筑( 陈列馆杂技厅、市场等)及特殊构筑物等。

其他

新型结构常常与正确使用、维护有关，而国家的法律、规范常常重建轻管，致使许多使用中的问题解决无依据，费用无作落。导致部分项目竣工多年后产生问题一直得不到解决。因此建议把使用问题纳入设计规范考虑，从源头解决。至少设计人员在设计文件中提出使用有关的问题及解决的原则性方案，便于纳入预算，或为后续使用创造条件。

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