淺談懸索結(jié)構(gòu)的形式及應(yīng)用

淺談懸索結(jié)構(gòu)的形式及應(yīng)用

一、懸索結(jié)構(gòu)的概念隨著生產(chǎn)的發(fā)展和人民生活水平的提高，建筑事業(yè)也得到了擴(kuò)展。作為建筑結(jié)構(gòu)中的重要分支——鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在各個(gè)方面都發(fā)展得越來(lái)越完善,而具有經(jīng)濟(jì)指標(biāo)低、施工快、便于建筑造型等優(yōu)點(diǎn),在國(guó)外應(yīng)用很廣的懸索結(jié)構(gòu),在我國(guó)卻因?qū)嵺`和理論研究上的不足,均處于相對(duì)落后的地位。土木建筑結(jié)構(gòu)所指的懸索結(jié)構(gòu),就是指以一系列受拉的索作為主要承重構(gòu)件,這些索按一定規(guī)律組成各種不同形式的體系,并懸掛在相應(yīng)的支承結(jié)構(gòu)體系邊緣構(gòu)件上的結(jié)構(gòu)。正是因?yàn)樗髦饕惺茌S向拉力,所以可以最充分地利用鋼材的強(qiáng)度,如果再采用高強(qiáng)度材料時(shí),更可大大減輕結(jié)構(gòu)自重,因而,懸索結(jié)構(gòu)可以較經(jīng)濟(jì)地跨越很大的跨度,是目前大跨建筑的主要結(jié)構(gòu)形式之一。二、懸索結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)(一)鋼索的力臂和自力的面積懸索結(jié)構(gòu)是一種受力比較合理的建筑結(jié)構(gòu)形式,將懸索結(jié)構(gòu)與簡(jiǎn)支梁兩者的受力情況進(jìn)行對(duì)比,就可以看出這種合理性。如圖1所示,簡(jiǎn)支梁在豎向荷載作用下,上纖維壓應(yīng)力的合力與下纖維拉應(yīng)力的合力組成了截面的內(nèi)力矩,合力間的距離即為內(nèi)力臂,它總在截面高度的范圍內(nèi),因此要提高梁的承載能力,就意味著要增加梁的高度。但在懸索結(jié)構(gòu)中,鋼索在自重下就自然形成了垂度,由索中拉力與支承水平力間的距離構(gòu)成的內(nèi)力臂,總在鋼索截面范圍以外,增加垂度也就加大了力臂,從而可以有效地減少索中拉力和鋼索截面面積。由于鋼索自重很小,屋面構(gòu)件一般也較輕,因而給施工架設(shè)帶來(lái)了很大的方便。安裝時(shí)不需要大型起重設(shè)備,施工時(shí)不需要腳手架,也不需要模板。這些都有利于加快施工進(jìn)度,降低工程造價(jià)。因而,與其它結(jié)構(gòu)形式比較,施工費(fèi)用相對(duì)較低。(三)建筑與結(jié)構(gòu)的多樣性懸索結(jié)構(gòu)由于索網(wǎng)布置靈活,便于建筑造型,能適應(yīng)多種多樣的平面形狀和外形輪廓,因而能較自由地滿(mǎn)足各種建筑功能和表達(dá)形式的要求,使建筑與結(jié)構(gòu)可以得到較完善的結(jié)合。這也是建筑師們樂(lè)于采用這種結(jié)構(gòu)形式的重要原因。三、部ld-ld-l懸索結(jié)構(gòu)的形式很多,根據(jù)索網(wǎng)、邊緣構(gòu)件和下部支承結(jié)構(gòu)的不同配置,可以構(gòu)成一系列形式各異的懸索結(jié)構(gòu)。如果將懸索結(jié)構(gòu)和其它結(jié)構(gòu)形式結(jié)合,又可以進(jìn)一步派生出許多形式新穎的結(jié)構(gòu)體系。(一)兩端錨掛組成單層懸索結(jié)構(gòu)由一系列按一定規(guī)律布置的單根懸索組成,懸索兩端錨掛在穩(wěn)固的支承結(jié)構(gòu)上。單層懸索結(jié)構(gòu)又根據(jù)所適用的建筑平面的不同,分為單曲面單層懸索結(jié)構(gòu)和雙曲面單層懸索結(jié)構(gòu)。1、平行拉索結(jié)構(gòu)單曲面單層懸索結(jié)構(gòu)形成下凹的單曲率曲面,一般用于矩形平面的單跨建筑,有時(shí)也可用于多跨建筑或非矩形平面的個(gè)別工程中。它是由許多平行的單根拉索組成,拉索兩端懸掛在穩(wěn)定的支承結(jié)構(gòu)上,也可設(shè)置專(zhuān)門(mén)的錨索或端部水平結(jié)構(gòu)來(lái)承受懸索的拉力,如圖2所示。這種懸索結(jié)構(gòu)的表面呈圓筒形,拉索兩端支點(diǎn)可以等高,為了排水也可做成不等高。這種平行拉索體系常呈平面受力狀態(tài),索中拉力值與跨中垂度成反比。對(duì)于一定跨度的懸索結(jié)構(gòu),如垂度太小則曲面扁平,索中拉力將過(guò)大;如垂度太大則索中拉力減少,但支承結(jié)構(gòu)的高度將隨之增大。因此,適宜的垂跨比一般取1/10～1/20。2、單層懸索體系雙曲面單層懸索結(jié)構(gòu),常用于圓形平面的建筑,鋼索由圓心向四周按輻射狀布置,屋面形成一個(gè)下凹的旋轉(zhuǎn)面。懸索支承在周邊構(gòu)件——受壓圈梁上,中心可設(shè)置受拉的內(nèi)環(huán)。顯然,下凹的屋面不便于排水。所以,當(dāng)房屋的中央容許設(shè)置支柱時(shí),可利用支柱升起為懸索提供中間支承,形成傘形懸索結(jié)構(gòu),如圖3所示。在這一體系中,受拉內(nèi)環(huán)采用鋼制,充分發(fā)揮鋼材的抗拉強(qiáng)度;受壓的外環(huán)一般采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),充分利用混凝土的抗壓強(qiáng)度,材盡其用,經(jīng)濟(jì)合理,因而雙曲面單層懸索結(jié)構(gòu)可比單曲面單層懸索結(jié)構(gòu)做到較大跨度。但是,單層懸索結(jié)構(gòu)有一個(gè)比較大的缺點(diǎn)就是穩(wěn)定性不好。所謂穩(wěn)定性不好,有相互聯(lián)系的兩層含義:(1)懸索是一種可變體系,其平衡形式隨荷載分布方式而變。(2)抗風(fēng)能力差。為使單層懸索體系屋蓋具有必要的穩(wěn)定性,一般須采用重屋面。利用較大的均布恒載使懸索始終保持較大的張緊力,以加強(qiáng)維持其原始形狀的能力,同時(shí)較大的恒載也能較好地克服風(fēng)力的卸載作用。但與此同時(shí),重屋面使懸索的截面增大,支承結(jié)構(gòu)的受力也相應(yīng)增大,從而影響經(jīng)濟(jì)效果。(二)雙懸索結(jié)構(gòu)解決懸索屋蓋穩(wěn)定性問(wèn)題更有效的辦法就是采用雙層索系,與單層懸索結(jié)構(gòu)一樣,雙層懸索結(jié)構(gòu)也分為單曲面雙層懸索結(jié)構(gòu)和雙曲面雙層懸索結(jié)構(gòu)。1、雙側(cè)索桁架結(jié)構(gòu)單曲面雙層懸索結(jié)構(gòu)是在平行拉索體系的基礎(chǔ)上增設(shè)一層反向曲率的鋼索構(gòu)成的。下凹曲面為承重索,上凸曲面為穩(wěn)定索,每對(duì)承重索和穩(wěn)定索一般位于同一豎平面內(nèi),二者之間通過(guò)受拉鋼索或受壓撐桿連系,構(gòu)成猶如屋架形式的平面體系,常稱(chēng)為索桁架。圖4表示單曲面雙層懸索結(jié)構(gòu)的一些可能形式。設(shè)置穩(wěn)定索不只是為了抵抗風(fēng)吸力的作用。由于設(shè)置相反曲率的穩(wěn)定索和相應(yīng)的系桿,就有可能對(duì)體系施加預(yù)應(yīng)力,使承重索和穩(wěn)定索內(nèi)始終保持足夠大的拉緊力,提高了整個(gè)體系的穩(wěn)定性。此外,由于存在預(yù)張力,穩(wěn)定索能同承重索一起抵抗豎向荷載的作用,從而提高整個(gè)體系的剛度。它多用于矩形平面的單跨建筑。2、增加了大量穩(wěn)定性索雙曲面雙層懸索結(jié)構(gòu)是在雙曲面單層懸索結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,增設(shè)了一層按輻射狀布置的穩(wěn)定索而形成的,其周?chē)С性谥苓厴?gòu)件(一道或兩道受壓圈梁)上,中心則設(shè)置受拉內(nèi)環(huán)。由于增設(shè)了一層穩(wěn)定索,屋面剛度進(jìn)一步有所提高,抗風(fēng)、抗震性能有所增強(qiáng),這為懸索結(jié)構(gòu)采用輕型屋面提供了條件。這也是在圓形平面建筑中應(yīng)用較多的一種懸索結(jié)構(gòu)。(三)調(diào)整邊緣構(gòu)件索網(wǎng)結(jié)構(gòu)通常是由兩組相互正交、曲率相反的鋼索直接交叉組成的,這種索網(wǎng)形成由正、負(fù)高斯曲率構(gòu)成的雙曲拋物面,所以也常被稱(chēng)之為鞍形索網(wǎng)。兩組鋼索中,下凹者為承重索(主索),上凸者為穩(wěn)定索(副索),兩組鋼索在交點(diǎn)處相互連接。索網(wǎng)的周邊構(gòu)件受力較大,即使做成曲線(xiàn)形狀,也常產(chǎn)生相當(dāng)大的彎矩,因而需要有強(qiáng)大的截面。其實(shí),邊緣構(gòu)件除用以錨固索網(wǎng),承受索網(wǎng)軸力引起的壓力和彎矩的作用外,還可以通過(guò)調(diào)整邊緣構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式,獲得建筑造型多樣化的效果。對(duì)索網(wǎng)結(jié)構(gòu)必須施加預(yù)應(yīng)力,以提高體系的穩(wěn)定性和剛度。由于存在曲率相反的兩組索,對(duì)其中任意一組或同時(shí)對(duì)兩組進(jìn)行張拉,均可實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力。不難看出,索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的工作原理同雙層索系極