索结构(2)－结构体系
悬索结构体系Structural System of Cable Structures1(a)(d)索结构的核心问题是形状稳定性问题，为使其能够有效抵抗机构性位移，就必须采取不同的构造措施，由此就形成各种不同的悬索体系。(b)(c)(e)(f)传统悬索结构单层悬索体系预应力双层索系预应力索网2新型悬索结构劲性索系横向加劲单层索系索拱体系&张弦体系悬挂体系&斜拉体系31. 单层悬索体系Single-layer Cable System 最简单的一种悬索结构形式，结构思想来源于悬索桥。a) 平行布置b) 辐射布置c) 网状布置4德国乌柏特市游泳馆Swimming Hall at Wuppertal, German, 1956最早的单层悬索结构,L=65m5德国多特蒙德展览大厅Exhibition Hall at Dortmund, German, 1956跨度最大的单层单向悬索结构,L=80m6美国奥克兰市比赛馆Oakland Coliseum Arena，California，1966最大跨径的碟形单层悬索结构，D=128m7 设置重屋面 设置重屋面的作用使均布重力荷载具有优势以保证初始形状的相对稳定性。建成年份：1967圆形碟状：D=123m垂跨比：1/11美国纽约Madison广场公园体育馆全部空调电气设备放在悬索上，目的是增加屋盖重量，增强悬索稳定性。 重屋面使悬索截面增大，支承结构的受力也相应增大，从而影响经济效果。8 采用预应力钢筋混凝土悬挂薄壳1) 挂屋面板2) 加超载，然后灌缝3) 待缝结硬后卸去超载形成悬挂薄壳是重屋面体系的进一步演进，其屋面不仅提供重力，而且参加结构工作。9华盛顿杜勒斯机场候机厅Dulles International Airport Terminal，1957 矩形平面195.251.5m 屋面采用预制轻质混凝土板，灌缝处理。10 结构设计关键参数索的垂度与跨度之比（垂跨比）是影响单层悬索体系工作性能的重要参数。 垂跨比小屋面较平，索拉力大，稳定性和刚度较差； 垂跨比大索拉力小，稳定性和刚度好但结构空间大，经济性不好； 合理垂跨比 1/201/10112.预应力双索体系Pre-stressed Double-layer Cable System2.1 平面双索系统 Plane Double-Cable System主索 (承重索）拉杆副索 (稳定索）12 稳定索的作用可以抵抗风吸力的作用；可以通过张拉稳定索对体系施加预张力；稳定索与承重索一起抵抗竖向荷载作用，从而使体系的刚度得到提高。可以采用轻屋面，因而具有较好的抗震性能。主索 (承重索）副索 (稳定索）13 结构设计关键参数承重索的垂跨比和稳定索的拱跨比是影响双层索系工作性能的重要几何参数。承重索垂跨比：1/151/20稳定索拱跨比：1/201/25主索 (承重索）副索 (稳定索）14几种不同形式的平面双索结构凸式凹式凸凹式索桁架（Jawerth体系）15瑞典斯德哥尔摩约翰尼绍夫滑冰场Johanneshov Ice Stadium in Stockholm，1962 近似矩形平面11883 m，采用Jawerth体系 屋面采用预制轻质混凝土板 屋面索耗钢量2.98kg/m2162.2 园形平面的双层索系Double-layer Cable System with Circular Plan辐射布置网状布置17 车辐式双层悬索体系是圆形平面的屋盖中常外环内环稳定索用的结构形式之一。由外环、内环及联系内外环的两层辐射方向布置的钢索组成。外环受压，一般用钢筋撑杆承重索混凝土做成，支承在周边的柱列上。内环受拉，一般采用钢结构。73.2美国纽约由提喀市大会堂The Auditorium in Utica, USA，196018 车辐式双索体系的几种变化建成年份：1958圆形平面：D=104, d=20, h=8.5m耗钢量：53kg/m2布鲁塞尔世博会美国馆建成年份：1960圆形平面：D=73.2m, h=6.1m耗钢量：17.1kg/m2纽约Utica市大会堂建成年份：1980圆形平面：D=61, d=8，h=6m耗钢量：32.6kg/m2成都城北体育馆19首都工人体育馆The Workers Gymnasium, Beijing, 1961 车辐式双层索系 圆形平面：D=94m 耗钢量：54kg/m2该结构设计在当时达到了很好的技术经济指标，受到国内、外工程界的好评。迄今为止，仍是我国跨度最大的悬索屋盖结构。203. 预应力鞍形索网Pre-stressedCable Net双层索系的工作原理类似；区别在于后者属于平面体系，而前者属于空间体系。P承重索稳定索21g)a)d)b)e)a) 空间曲梁支承b) 直线梁支承c) 抛物线形拱支承c)f)e) 两对抛物线拱支承f) 柔性边界索支承g) 桅杆支承d) 倾斜大拱支承22美国雷里体育馆The Raleigh Arena, USA, 1953 第一个具有现代意义的大跨度索网屋盖结构 近圆形平面 9297 m，索网格1.831.83m 稳定索拱跨比1/10，承重索垂跨比1/9 钢筋混凝土拱截面4.270.76m，与地面呈 21.8角。23加拿大卡尔加里滑冰馆Pengrowth Saddle Dome, Calgary, Canada, 1983 1988年第十五届冬奥会主赛馆，目前最大跨径的预应力鞍形索网。 近圆形平面 135m129m，全部耗钢量指标为55.8kg/m2 稳定索拱跨比1/21.6；承重索垂跨比1/9.7，索网格6m6m24Pengrowth Saddle Dome- Geometry Configuration25Pengrowth Saddle Dome- Construction Process为加强刚度和形状稳定性，屋盖采用了悬挂薄壳构造方案：1) 柱的安装2) 环梁安装3) 索网安装4) 屋面板安装26设计关键参数索网应保证必要的矢跨比。过于扁平的索网往往需施加很大的预张力才能达到必要的结构刚度和形状稳定性，设计时应予以避免。承重索垂跨比：1/101/20稳定索拱跨比：1/151/30274. 劲性索结构Rigid Cable Structures劲性索结构是以具有一定抗弯和抗压刚度的曲线形实腹或空腹构件来替代柔性索的悬挂结构。优点：1) 由于构件具有一定的抗弯刚度，因而其抵抗局部荷载下机构性位移的能力大大增强。2) 无需施加预张力，因而施工方便。3) 可就地取材，降低材料造价。28代代木体育馆The National IndoorStadium, Tokyo，1964悬挂在中央塔柱上的两条主悬索+两侧的索网鞍形索网的承重索采用高0.51.0m的工字钢29索节点图Cable Connecting305. 横向加劲单层索系Transversely Stiffened Cable-suspension Structure横向加劲构件的作用：传递可能的集中荷载和局部荷载；提供了使整个体系建立起预张力的可能性。31 横向加劲单层索系的三个工作阶段A. 初始状态：单索平面受力；B. 预应力阶段：索与横向构件相互压紧，各索受力不再保持均匀，横向构件呈上拱状态，并承受负弯矩。C. 荷载阶段：索与横向构件共同承担外加荷载作用，体系也由原来的平面受力状态改变为空间受力状态。各状态对应的桁架下弦位置32安徽体育馆Anhui Gymnasium, 1989平面呈不等边六边形，84m69m。索跨度72m，垂跨比1/16，索水平力由看台框架承担。梯形钢桁架，间距6m，最大跨42m，跨中截面高3.2m，端部高1.6m。屋盖总用钢量22kg/m2。336. 索拱体系与张弦体系Cable-Arch System & Beam string Structure6.1 预应力索拱体系稳定索拱构件预应力索拱体系34索拱体系的优点提高了结构抵抗不均匀荷载作用的能力。不需施加很大的预张力，从而减轻了支承结构的负担。提高了拱的整体失稳性，所需拱截面较小。索拱体系的2个工作状态预应力阶段，拱受到索向上的作用而受拉；荷载阶段，索拱共同抵抗荷载作用，拱在荷载作用下受压，部分抵消了预应力阶段的拉力。柔性索与刚性拱相互结合，相互补充，比任何一种单独的结构更合理、更经济。35北京朝阳体育馆Chaoyang Gymnasium, Beijing, 1990 拱跨度57m 索跨度59m 耗钢量52.2kg/m2 近椭圆形，69m78m 中央索拱体系+两片鞍形索网36立体索拱结构中央索拱体系的两个钢拱之间设置透明屋面，是体育馆的中央采光带。376.2 张弦结构由刚性构件（梁、拱或桁架）和柔性的“弦”（通常为高强索，也可采用钢棒、扁钢等）以及连接两者的撑杆组成。梁拱+索=桁架张弦结构张弦结构的基本组成38张弦结构的几种布置方式：a) 单向布置c) 辐射布置b) 双向布置39 张弦结构的工作机理与索拱体系类似：整体刚度远大于单纯刚性构件的刚度；平衡支座推力，减少对下部结构抗侧力的要求;调整刚性构件内部的弯矩大小和分布.40 张弦结构与索拱体系的区别：索拱体系两端一般为固定铰支座；索和拱可分别支承在不同结构上；体系自身通常不构成封闭力系。张弦结构一端为滑动铰支座，刚性构件的水平推力通过支座滑动与索拉力平衡；为自平衡体系，简化了施工。41日本北九州穴生穹顶Kita-Kyushu Anoh Dome, 19944222400日本北九州穴生穹顶Kita-Kyushu Anoh Dome, 199461800谷索抗风稳定索 矩形平面 61.8108m 枝状柱+张弦桁架，柱两侧设有抗风索。 铺设PTFE膜材，并通过谷索张紧。4344 弦支穹顶 (Suspen-dome)+单层网壳水平推力环索、径向索和撑杆水平压力弦支穹顶45 弦支穹顶的工作原理 成形阶段，通过给索施加预张力，使上层网壳产生反拱，建立起预应力； 受荷阶段，内力通过单层网壳传到下端的撑杆，再通过撑杆传给索。网壳撑杆环索径向索46 弦支穹顶的优点1. 就单层网壳而言，增强了总体结构的刚度，提高了单层网壳的稳定性。2. 从索穹顶的角度看，用刚性的上弦层取代柔性的上弦索，使施工简化。3. 在结构受力上，结构对边界约束的要求明显降低,大大减少了下部支承结构的受力。47北工大体育馆（奥运羽毛球馆） 跨度93m, 矢高为11m 弦支穹顶结构 网壳采用螺栓球节点 索与撑杆连接采用铸钢节点487.悬挂结构与斜拉结构Cable-suspended System & Cable-stayed Structure7.1 悬挂结构 悬索+竖向吊杆+刚性屋盖 悬索通过吊杆为屋盖构件提供弹性支承 减小屋盖构件的尺寸和用料，节省结构所占空间。49德国某多功能厅屋盖结构Europahalle, Karlsruhe Germany, 19825051美国犹他州奥林匹克滑冰馆Olympic Speed Skating at Utah Oval, 2000 2002年盐湖城冬奥会比赛场馆 矩形平面95200m5233.00200009400020000屋面梁高914mm，为实腹式宽翼缘工字钢主索垂跨比1/8塔柱高33m，由两根钢柱组合而成537.2 斜拉结构 Cable Stayed Structure54美国斯考谷滑冰馆Blyth Arena in Squaw Valley, California，1960 1960年美国加州冬奥会的比赛场馆 矩形平面91.4470 m，桅杆高18.3m55美国斯考谷滑冰馆Blyth Arena in Squaw Valley, California，1960240809144024080 斜拉索为三根57mm镀锌钢绞线 箱形梁截面宽610mm，高6101070mm5657 斜拉结构设计的基本原则选择合理的塔柱形式，尽可能设计成两端铰接尽量采用均衡对称的布索方案确定适宜的拉索倾角，应25防止风吸力作用下索发生松弛 ，出现结构倾覆寻求合理的斜拉点，降低屋盖结构的内力峰值。58小
