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13 第五章索结构(2)-结构体系.pptx

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本课件围绕悬索结构体系展开，从索结构形状稳定性这一核心问题出发，依次讲解单层悬索体系、悬挂薄壳、预应力双层索系（平面双索系统与空间双层索系）、预应力鞍形索网、组合索网以及斜拉结构，配合德国乌柏特市游泳馆等。

5.3悬索结构，涵盖索结构的核心问题是形状稳定性、传统悬索结构单层悬索体系、新型悬索结构劲性索系横向加劲单层等

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第1页：5.3悬索结构

5.3悬索结构

本页以图片形式呈现，展示结构形式与构件组成。

第2页：索结构的核心问题是形状稳定性

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

第3页：传统悬索结构单层悬索体系

传统悬索结构单层悬索体系

预应力双层索系预应力索网

第4页：新型悬索结构劲性索系横向加劲单层

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

第5页：单层悬索体系

单层悬索体系

单层悬索体系
最简单的一种悬索结构形式，结构思想来源于悬索桥。）平行布置）辐射布置）网状布置

第6页：德国乌柏特市游泳馆

德国乌柏特市游泳馆

56最早的单层悬索结构=65m

第7页：德国多特蒙德展览大厅

德国多特蒙德展览大厅

56跨度最大的单层单向悬索结构=80m

第8页：美国奥克兰市比赛馆

美国奥克兰市比赛馆

66最大跨径的碟形单层悬索结构，=128m

第9页：设置重屋面

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
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。建成年份：1967圆形碟状：=123m垂跨比：1/11美国纽约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

第10页：）挂屋面板）加超载

）挂屋面板）加超载

然后灌缝）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
采用预应力钢筋混凝土悬挂薄壳

第11页：华盛顿杜勒斯机场等

华盛顿杜勒斯机场等

机厅，1957
矩形平面195.2×51.5m
屋面采用预制轻质混凝土板，灌缝处理

第12页：索的垂度与跨度之比（垂跨比）是影响

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1/20~1/1011
结构设计关键参数

第13页：预应力双索体系

预应力双索体系

预应力双索体系2.1平面双索系统主索（承重索）拉杆副索（稳定索）

第14页：稳定索的作用

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）

第15页：结构设计关键参数承重索的垂跨比

结构设计关键参数承重索的垂跨比

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：1/15~1/20稳定索拱跨比：1/20~1/25主索（承重索）副索（稳定索）

第16页：几种不同形式的平面双索结构

几种不同形式的平面双索结构

凸式凹式凸凹式索桁架（体系）

第17页：瑞典斯德哥尔摩约翰尼绍夫滑冰场

瑞典斯德哥尔摩约翰尼绍夫滑冰场

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近似矩形平面118×83m，采用体系
屋面采用预制轻质混凝土板
屋面索耗钢量2.98kgm216

第18页：2.2园形平面的双层索系辐射布置

2.2园形平面的双层索系辐射布置

网状布置

第19页：车辐式双层悬索体系

车辐式双层悬索体系

是圆形平面的屋盖中常用的结构形式之一
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。美国纽约由提喀市大会堂USA，196073.2外环内环稳定索承重索撑杆

第20页：车辐式双索体系

车辐式双索体系

几种变化布鲁塞尔世博会美国馆建成年份：1958圆形平面：=104,=20,h=8.5m耗钢量：53kgm2成都城北体育馆建成年份：1980圆形平面：=61,=8，h=6m耗钢量：32.6kgm2建成年份：1960圆形平面：=73.2mh=6.1m耗钢量：17.1kgm2纽约市大会堂

第21页：首都工人体育馆

首都工人体育馆

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车辐式双层索系
圆形平面：=94m
耗钢量：54kgm220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

第22页：预应力鞍形索网

预应力鞍形索网

预应力鞍形索网
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。承重索稳定索

第23页：）空间曲梁支承

）空间曲梁支承

）直线梁支承）抛物线形拱支承）倾斜大拱支承）两对抛物线拱支承）柔性边界索支承）桅杆支承）））））））

第24页：美国雷里体育馆

美国雷里体育馆

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92×97m，索网格1.83×1.83m
稳定索拱跨比1/10，承重索垂跨比1/9
钢筋混凝土拱截面4.27×0.76m，与地面呈21.8°角

第25页：加拿大卡尔加里滑冰馆

加拿大卡尔加里滑冰馆

83
88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135m×129m，全部耗钢量指标为55.8kgm2
稳定索拱跨比1/21.6；承重索垂跨比1/9.7，索网格6m×6m

第26页：彭格罗思鞍形穹顶几何形体

彭格罗思鞍形穹顶几何形体

卡尔加里滑冰馆彭格罗思鞍形穹顶几何形体图，位于索网结构说明与悬桂薄壳构造之间。

第27页：26-为加强刚度和形状稳定性

26-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）环梁安装）索网安装）屋面板安装

第28页：设计关键参数·索网应保证必要的矢

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：1/10~1/20稳定索拱跨比：1/15~1/3027

第29页：劲性索结构

劲性索结构

劲性索结构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

第30页：代代木体育馆

代代木体育馆

64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0.5~1.0m的工字钢

第31页：索节点图

索节点图

本页以图片形式呈现，展示节点连接做法与构造细节。

第32页：横向加劲构件的作用

横向加劲构件的作用

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
横向加劲单层索系
横向加劲单层索系

第33页：横向加劲单层索系的三个工作阶段初

横向加劲单层索系的三个工作阶段初

始状态：单索平面受力；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。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

第34页：安徽体育馆,1989梯形钢桁架

安徽体育馆,1989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22kgm2。33平面呈不等边六边形，84m×69m。索跨度72m，垂跨比1/16，索水平力由看台框架承担

第35页：索拱体系与张弦体系

索拱体系与张弦体系

索拱体系与张弦体系预应力索拱体系346.1预应力索拱体系稳定索
拱构件

第36页：索拱体系的优点

索拱体系的优点

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

第37页：北京朝阳体育馆

北京朝阳体育馆

9036
近椭圆形，69m×78m
中央索拱体系两片鞍形索网
拱跨度57m
索跨度59m
耗钢量52.2kgm

第38页：立体索拱结构中央索拱体系

立体索拱结构中央索拱体系

两个钢拱之间设置透明屋面，是体育馆的中央采光带

第39页：由刚性构件（梁、拱或桁架）和柔性

由刚性构件（梁、拱或桁架）和柔性

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。6.2张弦结构梁拱桁架张弦结构索张弦结构的基本组成

第40页：张弦结构的几种布置

张弦结构的几种布置

方式：）辐射布置）单向布置）双向布置

第41页：张弦结构的工作机理与索拱体系

张弦结构的工作机理与索拱体系

类似：40·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

第42页：索拱体系0两端一般为固定铰支座

索拱体系0两端一般为固定铰支座

座；0索和拱可分别支承在不同结构上；0体系自身通常不构成封闭力系。·张弦结构0一端为滑动铰支座，刚性构件的水平推力通过支座滑动与索拉力平衡；0为自平衡体系，简化了施工。41
张弦结构与索拱体系的区别

第43页：日本北九州穴生穹顶

日本北九州穴生穹顶

9442

第44页：日本北九州穴生穹顶

日本北九州穴生穹顶

94618004322400谷索抗风稳定索
矩形平面61.8×108m
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

第45页：

第46页：弦支穹顶等

弦支穹顶等

索、径向索和撑杆单层网壳弦支穹顶水平推力水平压力

第47页：弦支穹顶的工作原理

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。网壳环索径向索撑杆

第48页：弦支穹顶的优点

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
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
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

第49页：北工大体育馆（奥运羽毛球馆）

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

第50页：悬挂结构与斜拉结构

悬挂结构与斜拉结构

悬挂结构与斜拉结构7.1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

第51页：德国某多功能厅等

德国某多功能厅等

盖结构,198250

第52页：

第53页：美国犹他州奥林匹克滑冰馆

美国犹他州奥林匹克滑冰馆

00
02年盐湖城冬奥会比赛场馆
矩形平面95×200m

第54页：屋面梁高

屋面梁高

4mm，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33.00200009400020000

第55页：7.2斜拉结构

7.2斜拉结构