悬索结构是张力结构,由索和支承结构组成。通过索轴向受拉抵抗外荷载,可充分利用钢材强度,自重较轻,较经济的实现大跨度。其支承结构部分要耗较多材料,无论是钢还是混凝土结构,其用钢量都超过了索部分。
工程应用
完全柔性体系:
1. 单层悬索体系:
三种布置形势:平行、辐射、网状
缺点:形状稳定性不好,不利于抗风
改良方案:①
采用重屋面板,保证索内张拉力,克服风吸力。(但会使悬索截面增大,令支承结构内力增大)
②
预应力钢筋混凝土悬挂薄壳。提高形状稳定性,索和砼共同抵抗外荷载,提高屋盖刚度,并且裂缝出现的可能性下降。
③
设横向加劲构件。即所谓的索梁体系或索桁体系。
垂跨比:索垂度与跨度比。在相同的跨度和荷载条件下,垂跨比小时,索系曲面扁平,形状稳定性和刚度较差,索中拉力大;垂跨比大时,形状稳定性和刚度有所改善,索中拉力
减少,但结构所占空间加大,影响经济性。多取为1/20~1/10。
2. 双层悬索体系(索桁架)
三种布置形势:平行、辐射、网状
组成:下凹的承重索,上凸的稳定索,连系杆
稳定索的作用:① 抵抗风吸力 ②
与承重索曲率相反,可施加预应力。(从而保证了形状稳定性,且使两组索协同工作,屋盖刚度增加)
优点:有更好的形状稳定性和刚度,可采用轻屋面。
经验取值:承重索垂跨比:1/20~1/15
稳定索矢跨比:1/25~1/20
3. 鞍形索网
由相互正交,曲率相反的两组钢索直接连接形成的一种负高斯曲率的曲面悬索结构。
索网曲面选型:
理论上,鞍形索网可覆盖任何平面形状,绷紧并悬挂于任意空间边缘构件上。
双曲抛物面:当平面布置为菱形、圆形等规则形状时,可能做成简单的双曲抛物面。受力均匀,对应均匀的预应力状态,计算简便。
成形分析:平面为其他不规则形状,则很难做成双曲抛物面,甚至无法用解析函数表示,需要成形分析确定索网几何形状。
边缘构件选择:
刚性构件/柔性边界索
与双层索系比较:
工作原理略同,双层悬索体系属于平面结构体系,鞍形网索属于空间结构体系,受力更加复杂。
非完全柔性体系:
单层索系,双层索系,鞍形索网均为完全柔性体系,索体不抗弯,不抗压,要保证必要的刚度和保形能力,须加超载或预应力,会加重边缘构件和支承结构的负担。处理二者关系是悬索结构设计的核心问题。
1. 劲性索系
以具有一定抗弯和抗压刚度的曲线型实腹或格构式构件来代替柔索。
特点:1).全跨荷载下,仍以受拉为主,发挥材料的强度特征。
2).半跨或局部荷载下,由于具有抗弯刚度,变形和支座反力都较小,有较好的抵抗机构位移的能力。
3).无需施加预应力,即可有良好的承载性能。
4).可使用普通强度等级的型钢、圆钢或钢管。
5).用钢量较大。
2. 横向加劲单层索系(索-梁、索-桁体系)
相对于单层索系的改良措施。
作法:索上敷设实腹梁或桁架,下压两端,强迫下移并固定,即形成预张力。
实腹梁和桁架作用:1)传递集中荷载和局部荷载。
2)使预张力成为可能
(实腹梁和桁架的作用类似于稳定索,但施加全荷以后,梁、桁是呈下凹状的,只在预应力阶段是上凸的。)
关键:合理控制下压量。
理论最佳下压量:使桁架内力绝对值为屋面荷载作用下内力的一半。
考虑各榀桁架及各条索受力均匀,应使靠近索跨端部的下压量小于跨中。
注意问题:
1)
支承结构刚度:任何的位移均会导致索与横向构件的荷载重分布
2)
预应力大小:协调屋盖形状稳定性和刚度←→支承结构负担
3)
索与横向构件的刚度比:横向构件过柔则无加劲作用,过刚则喧宾夺主,无法发挥索结构的优越性。
3. 索拱体系
相对于双层索系和鞍形索网。
以实腹或格构式加劲构件代替上凸的稳定索。
预应力施加:张拉承重索或强迫下压拱两端。
优点:刚柔并济
与柔索相比:形状稳定性和刚度更好,不须施加很大的预张力,支承结构负担轻;
与单一拱:不易发生整体失稳,拱截面更小。拱先受拉(预应力阶段),再受压,拉压相抵,受力合理。
4. 张弦体系
相对于双层索网
与索拱体系类似的三个方面:
1) 索参与工作,整体刚度大于拱的刚度,变形小;
2)
索的预张力对刚性构件施加反向荷载,调整期内部弯矩大小和分布
3) 刚性构件为拱时,其水平推力与索张拉力平衡
主要区别:
索拱体系两端多为固定铰支,索的作用只为部分降低拱脚处水平推力,且索与拱可分别支承在不同的下部结构上,不组成封闭力系。
张弦结构本身为自平衡体系,一端支座常为可滑动铰支座。刚性构件中水平推力靠支座滑动调整垂拱度来与索拉力平衡。此其设计重点。
组合悬索结构
多个悬索体系和强大的中间支承结构组合在一起
建筑物功能和选型需要
悬挂薄壳
对于单层索系、双层索系和鞍形索网均可做成预应力混凝土悬挂薄壳,改善柔索体系结构工作性能。
施工阶段为悬索体系受力,壳体形成以后,整个屋盖作为一个壳体承载。大幅度的提高了刚度和形状稳定性,受力体系科学。只要预张力足够大,混凝土既不会开裂,但会加重承重索的负担。同时,混凝土也可帮助钢索防腐蚀。
悬挂钢膜
以2~6mm的薄钢板代替悬索,施工时铺设成卷的钢板带,在屋面上焊成整体,形成悬挂钢膜结构。
施工时,主要以悬挂体系为支撑骨架,结构形成以后,主要以薄膜抗拉承受荷载。
读沈世钊这本悬索结构是非常偶然的,主要是几个星期前在图书馆看到一个学长的毕业论文。当时大受启发,感慨颇深。我第一次发现,论文原来可以这样写的。没有堆砌的多余修饰,没有凑篇数的无端废话。我决定踏下心来好好学习这门学科。虽然我没有足够的想象力,和我几个同门相比也缺乏很多先天性的条件,无法否认女生的头脑是不大适合这个学科的。但是以后我不再为自己找借口,我想把以前浪费掉的时间补回来,我愿意克服诸多的困难,以勤补拙,克服自己的缺陷。
建议我的几个同门有时间也去看一下张冲学长那篇的论文,真的受益匪浅。