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第四章 悬索结构 suspended cable 第一节 概述 一、悬索结构 以一系列受拉的索作为主要承重构件，按一定的规律组成各种不同形式的体系，悬挂在相应的支承结构上。 由索的轴向拉伸来抵抗外荷作用，能充分地利用钢材的强度。 1) 单纯的悬索结构必须受水平拉力支持才能成立。结构设计中,端点如何承受水平应力是一个主要问题。 2) 悬索没有固定形状。 3) 一般的杆件需要一定的长细比才能防止失稳,承受压应力。悬索结构仅承受轴向拉应力,没有长细比的约束,因此能充分利用其形状的特点。 二 特点 结构自重轻。每 m2屋盖钢索的用钢量一般在 10kg以下，（跨度不超过 150m）。 2 支承结构需耗费较多的材料，用钢量超过钢索部分。 3 施工方便。钢索自重小，屋面结构轻，安装时不需要大型起重设备。 4 建筑造型自由，能满足各种建筑功能和表达形式的要求。 三 悬索结构的力学特性 1 属大变位、小应变的结构 2 对局部荷载很敏感，局部荷载作用下，荷载作用的位置会产生很大的变形。 3 水平力处理复杂。 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。 如图所示, 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,要提高梁的承载能力, 就要增加梁的高度。 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。 四 水平力的处理 悬索结构是把竖向荷载转化为钢索的拉力，并沿水平方向传给边缘构件。 对水平力的不同处理，悬索结构的形态不同。 在处理水平力时，应该把整个建筑物作为一个体系来研究，较好的处理方法是利用结构本身，组成自相平衡的体系。 1 内部平衡方法 作用于悬索结构的钢索水平拉力是两端大小相等、方向相反。 如果能在边缘构件上，相互抵消，则对下部结构就没有影响。 （1）利用拱 钢索中的拉力传到拱上就变成拱的轴向力，索力方向与拱的形心轴有夹角，就会有拱面外力，方向正好与拱的重力方向相反，相互抵消。 索的水平力随外界条件的变化(如风、雪、地震等)有较大的变异性。 设计时，应考虑不同情况下索力的变化，保证拱平面外的安全性。 通常可沿拱设置柱、墙面、门窗框等结构来承担面外力。 美国北卡罗来纳州雷里体育馆 1953年 世界上第一个现代悬索屋盖, 它是采用以两个斜放的抛物线拱作为边缘构件的鞍形“正交索网”结构, 其圆形平面直径91.5m 椭圆形场地由两个交叉拱支承马鞍形交叉索系,索系锚头以预应力锚在拱圈上,拱脚间用拉杆相连,减少拱脚反力。 交叉点部位的拱脚推力直接作用到基础，拱推力的水平分量通过两拱脚间设置拉杆平衡，拉杆采用预应力钢筋混凝土，可有效控制结构变形不致过大。 意大利米兰体育馆： 使每一根承重索和稳定索都与拱的形心轴重合，整个拱不出现面外力。 拱曲面沿承重索和稳定索的固定点一点一点地变化，拱面呈复杂的扭曲状。 日本西条体育馆 （2）利用环 在屋盖外周设置环，钢索的水平拉力作用在环上，与该环内的压力相平衡，可做到完全抵消。 在垂直荷载作用下，只剩下内力的垂直分量，由适当间隔的支承柱来承担。 用承重索和稳定索组成双层辐射状悬索屋盖 北京工人体育馆 北京工人体育馆按自行车钢圈原理设计，中央内环承受水平拉力及垂直压力。 2) 仅有承重索的单层辐射状碟形悬索屋盖 乌拉圭蒙维多体育馆 捷克某车间无内环悬索屋盖，图为钢索穿法示意图 （3）利用水平梁加压杆 水平梁把钢索端的拉力传到建筑物的两端，同时水平梁间设置压杆，把索中的力相互抵消。 山东淄博体育馆 结构示意图 （4）利用平衡法 在屋盖内部设置支承结构，把两边钢索的水平分力抵消。 美国耶鲁大学冰球场 由两个水平拱和一个垂直的中央拱组成。 在中央拱到两边看台后的水平拱间架设一群承重索，承重索的水平拉力在中央拱中平衡。 两侧荷载不同时，两侧的钢索会发生变位。 1988年 四川体育馆 双中央拱可增强拱的面外刚度，以抵抗屋面非对称荷载。 四川省体育馆 日本岩手县体育馆 （5）