
由柔性受拉索及邊緣構(gòu)件或支承塔架所組成的承重結(jié)構(gòu)。
由柔性受拉索及其邊緣構(gòu)件所形成的承重結(jié)構(gòu)。索的材料可以采用鋼絲束、鋼絲繩、鋼鉸線、鏈條、圓鋼,以及其他受拉性能良好的線材。
懸索結(jié)構(gòu)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。中國是世界上最早應用懸索結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),除用于大跨度橋梁工程外,還在體育館、飛機庫、展覽館、倉庫等大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)中應用。
分類

懸索按受力狀態(tài)分成平面結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)。
平面懸索結(jié)構(gòu)
主要在一個平面內(nèi)受力的平面結(jié)構(gòu),多用于懸索橋和架空管道。按結(jié)構(gòu)形式分為:①單層懸索結(jié)構(gòu)。可用做柔式懸索橋,也可用于屋蓋,結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。通過在索下面若干吊桿吊有加勁桁架(或加勁梁),以增強結(jié)構(gòu)的剛度。③雙層懸索結(jié)構(gòu)。其上索與下索曲率相反,并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(jié)構(gòu)
一種處于空間受力狀態(tài)的結(jié)構(gòu),多用于大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)中。按結(jié)構(gòu)形式分為:①圓形單層懸索結(jié)構(gòu)(圖1a)。用于圓形平面的屋蓋,其索按輻射狀布置,整個屋面形成下凹的旋轉(zhuǎn)曲面。各根索的外端固定于周邊的鋼筋混凝土圈梁上,內(nèi)端固定于圓心附近的拉環(huán)上。當圓心處允許設柱時,可形成傘形懸索結(jié)構(gòu)(圖1b)。②圓形雙層懸索結(jié)構(gòu)(圖1c)。其外形與上述結(jié)構(gòu)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采用了這種結(jié)構(gòu)形式(圖2)。其圓心附近的拉環(huán)除承受環(huán)向拉力外,在豎直方向還承受壓力。③雙向正交索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。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(wěn)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(wǎng)可用于橢圓平面、矩形平面、菱形平面(圖3)或其他平面的屋蓋。意大利米蘭體育館屋蓋采用了圓形平面的馬鞍形索網(wǎng)結(jié)構(gòu),直徑140米,是目前世界上最大的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。中國浙江省人民體育館屋蓋采用80×60米橢圓平面的馬鞍形索網(wǎng),其索端固定于一個空間曲梁上。為了減小曲梁內(nèi)的彎矩,在索網(wǎng)下還設置了一層水平拉索。
除上述懸索結(jié)構(gòu)外,工程中還常用斜拉索結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)構(gòu)件的跨度,以滿足整個結(jié)構(gòu)的大跨度要求和達到節(jié)省材料的目的。
隨著卷材薄鋼板的發(fā)展,近年來,有的國家采用懸掛板帶結(jié)構(gòu)。如聯(lián)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米寬的采光帶隔開。(見彩圖)
除上述各種懸索外,還有一種結(jié)構(gòu)是利用鋼索來吊掛混凝土屋蓋的,這種結(jié)構(gòu)叫懸掛式結(jié)構(gòu),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,采用高張力纜索為主體的懸索屋頂結(jié)構(gòu),創(chuàng)造出帶有緊張感、力動感的大型內(nèi)空間。
在各種形式的懸索結(jié)構(gòu)中,索的邊緣構(gòu)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(jié)構(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟指標和安全。
計算要點
懸索結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的初始狀態(tài),然后計算在荷載增量、溫度變化和索支點位移所引起的整個結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。懸索結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)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(nèi)拉力的水平分量確定。初始狀態(tài)一般需要經(jīng)過多次試算選定。索網(wǎng)結(jié)構(gòu)可按離散的計算模型進行分析;對于索間距較小的正交索網(wǎng)結(jié)構(gòu),也可按連續(xù)的計算模型,即假設為一個沒有剪切剛度的各向異性薄膜進行分析。懸索結(jié)構(gòu)具有幾何非線性的性質(zhì),即在各階段荷載作用下,無論是內(nèi)力或變形均與荷載呈非線性關系。當采用離散方法分析懸索結(jié)構(gòu)時會得出非線性代數(shù)方程組。采用連續(xù)方法分析時則得出非線性微分方程。對于雙曲拋物面正交索網(wǎng)也可采用能量原理進行分析。懸索結(jié)構(gòu)當跨度較大而又較柔時宜考慮風振效應,進行動態(tài)分析。
懸索結(jié)構(gòu)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)。
其他
新型結(jié)構(gòu)常常與正確使用、維護有關,而國家的法律、規(guī)范常常重建輕管,致使許多使用中的問題解決無依據(jù),費用無作落。導致部分項目竣工多年后產(chǎn)生問題一直得不到解決。因此建議把使用問題納入設計規(guī)范考慮,從源頭解決。至少設計人員在設計文件中提出使用有關的問題及解決的原則性方案,便于納入預算,或為后續(xù)使用創(chuàng)造條件。