3.4 悬索结构

3.4.1 悬索结构的形式

3.4.2 悬索结构的计算要点

3.4.3 悬索结构基本设计

3.4.3 钢索材料、锚固及连接构件

1. 悬索结构的概念 悬索结构由受拉索、边缘构件和下部支承构件所组成，如图 3-1 所示。拉索

按一定的规律布置可形成各种不同的体系，边缘构件和下部支承构件的布置则必须与拉索的形式相协调，有效地承受或传递拉索的拉力。拉索一般采用由高强钢丝组成的钢绞线、钢丝绳或钢丝束，边缘构件和下部支承构件则常常为钢筋混凝土结构。

3.4. 1悬索结构的形式

悬索结构的组成

2 悬索结构具有以下特点： 1 、悬索结构通过索的轴向受拉来抵抗外荷载的作用，可以最

充分地利用钢材的强度。索一般都是采用高强度材料制成的，更可大大减少材料用量并可减轻结构自重。因而，悬索结构适用于大跨度的建筑物，如：体育馆、展览馆等。跨度越大，经济效果越好。

2 、悬索结构便于建筑造型，容易适应各种建筑平面，因而能较自由地满足各种建筑功能和表达形式的要求。钢索线条柔和，便于协调，有利于创作各种新颖的富有动感的建筑体型。

3 、悬索结构施工比较方便。钢索自重很小，屋面构件—般也较轻，安装屋盖时不需要大型起重设备。施工时不需要大量脚手架，也不需要模板。因而，与其他结构型式比较，施工费用相对较低。

4 、可以创造具有良好物理性能的建筑空间。双曲下凹碟形悬索屋盖具有极好的音响性能。因而可以用来遮盖对声学要求较高的公共建筑。悬索屋盖对室内采光也极易处理，故用于采光要求高的建筑物也很适宜。

5 、悬索屋盖结构的稳定性较差。单根的悬索是一种几何可变结构，其平衡形式随荷载分布方式而变，特别是当荷载作用方向与垂度方向相反时，悬索就丧失了承载能力。因此，常常需要附加布置一些索系或结构来提高屋盖结构的稳定性。

6 、悬索结构的边缘构件和下部支承必须具有一定的刚度和合理的形式，以承受索端巨大的水平拉力。因此悬索体系的支承结构往往需要耗费较多的材料，无论是设汁成钢筋混凝土结构或钢结构，其用钢量均超过钢索部分。当跨度小时，由于钢索锚固构造和支座结构的处理与跨度大时一样复杂，往往并不经济

悬索结构分为单层悬索体系、预应力双层悬索体系、预应力鞍形索网、预应力横向加劲单层索系、预应力索拱及 张弦结构、悬挂薄壳、张拉整体结构、索膜结构及混合悬挂结构等形式

（ 1）单层悬索体系：单层悬索体系是由按一定规律布置得单根悬索组成，悬索两端锚挂在支撑结构上。索系布置有平行式、辐射式、网格式三种。

（ 2）预应力双层悬索体系（索桁架）：双层悬索体系是由一系列下凹的承重索、上凸的稳定索及两者之间的连系杆（拉杆活压杆组成）

2. 悬索结构分类

（ 3）预应力鞍形索网：鞍形索网是由曲率相反的两组钢索相互正交做成的负高斯曲率的曲面悬索结构，索网周边悬挂在边缘构件上。下凹的承重索在下，上凸的稳定索在上，两组索在交点处连接。

（ 4）预应力横向加劲单层索系：在平行布置的单层悬索上敷设与索方向垂直的实腹梁或桁架等劲性构件，通过下压这些横向构件的两端并加以固定，在索与横向构件组成的体系中建立起预应力，形成横向加劲单层索系屋盖结构也称索梁体系。

（ 5）预应力索拱及张弦结构 在鞍行索网中，以实腹式或格构式进行构件代替上凸的稳定索，张拉承重索或下压拱的两端，使索与拱互相压紧，形成预应力索拱体系。

（ 6）预应力悬挂薄壳：为改善索体系的工作性能，在单层索系、双层索系和鞍形索网中采用预制钢筋混凝土屋面时，可做成预应力混凝土悬挂薄壳。

（ 7）张拉整体结构：张拉整体结构是由分散的压杆与连续的索网构成的自平衡体系，通过施加预拉力使体系成形，他的刚度与体系内部的预应力大小有关。张拉整体结构可以设称有劲可能多的受拉索构成，以便最大限度地利用材料性能。

（ 8）索膜结构：索膜结构是利用刚性构件提供支点，将钢索和膜悬挂起来，利用拉索对膜面施加足够预拉力将膜材料绷紧形成具有一定形状和刚度的构件钢索被用来加强薄膜并作为薄膜的边缘构件。膜材兼具围护和承重两种功能。薄膜材了由柔性织物和涂层复合而成，具有较高的抗拉强度和弹性模量，良好的耐久性能。

1. 设计基本规定 （ 1）对单层悬索体系，当平面为矩形时，悬索两端支点可设计为等高或不等高，索的垂度可取跨度的 1/10~l/20 ；当平面为圆形时，中心受拉环与结构外环直径之比可取 1/8~1/17，索的垂度可取跨度的 1/10~l/20。对双层悬索体系，当平面为矩形时，承重索的垂度可取跨度的 1/15~l/20，稳定索的拱度可取跨度的 1/15~l/25；当平面为圆形时，中心受拉环与结构外环直径之比可取 1/5~l/12 ，承重索的垂度可取跨度的 1/17~l/22 ，稳定索的拱度可取跨度的 1/16~l/26 。对索网结构，承重索的垂度可取跨度的 1/10~l/20，稳定索的拱度可取跨度的1/15~l/30。

（ 2）悬索结构的承重索挠度与其跨度之比及承重索跨中竖向位移与其跨度之比不应大于下列数值：单层悬索体系 -1/200（自初始几何态算起），双层悬索体系、索网结构 -1/250（自预应力态算起）。

3.4. 2悬索结构的计算要点

（ 3）钢索宜采用钢丝、钢绞线、热处理钢筋，质量要求应分别符合国家现行有关标准，即《预应力混凝土用钢丝》（GB5223）、《预应力混凝土用钢绞线》（GB5224）、《预应力混凝土用热处理钢筋》（ GB4453）。钢丝、钢绞线、热处理钢筋的强度标准值、强度设计值、弹性模量应按表 4-3 采用。

表 1 钢索的抗拉强度标准值、设计值和弹性模量

（ 4）悬索结构的计算应按初始几何状态、预应力状态和荷载状态进行，并充分考虑几何非线性的影响。

（ 5）在确定预应力状态后，应对悬索结构在各种情况下的永久荷载与可变荷载下进行内力、位移计算；并根据具体情况，分别对施工安装荷载、地震和温度变化等作用下的内力、位移进行验算。在计算各个阶段各种荷载情况的效应时应考虑加载次序的影响。悬索结构内力和位移可按弹性阶段进行计算。

（ 6）作为悬索结构主要受力构件的柔性索只能承受拉力，设计时应防止各种情况下引起的索松弛而导致不能保持受拉情况的发生。

（ 7）设计悬索结构应采取措施防止支承结构产生过大的变形，计算时应考虑支承结构变形的影响。

（ 8）当悬索结构的跨度超过 100m且基本风压超过 0.7kN/ m2 时，应进行风的动力响应分析，分析方法宜采用时程分析法或随机振动法。

（ 9）对位于抗震设防烈度为 8度或 8度以上地区的悬索

结构应进行地震反应验算。 2 荷载 悬索结构设计时除索中预应力外，所考虑的荷载与一般结

构相同，主要有： （ 1）恒载：包括覆盖层、保温层、吊顶、索等自重。按现行国家标椎《建筑结构荷载规范》GB50009-2001进行计算。

（ 2）活载：包括保养、维修时的施工荷载。按《建筑结构荷载规范》GB50009-2001取用。对于悬索结构，一般取0.3kN/mm2 ，不与雪荷载同时考虑。

（ 3）雪载：基本雪压值按《建筑结构荷载规范》GB50009-2001取用，在悬索结构中应根据屋盖的外形轮廓考虑雪荷载不均匀分布所产生的不利影响，并应按多种荷载情况进行静力分析。当平面为矩形、圆形或椭圆形时，不同形状屋面上需考虑的雪荷载情况及积雪分布系数可参考图 4-15 采用。复杂形状的悬索结构屋面上的雪荷载分布情况应按当地实际情况确定。

（ 4）风载：基本风压值按《建筑结构荷载规范》GB50009-2001取用，风荷载的体型系数宜进行风洞试验确定，对矩形、菱形、圆形及椭圆形等规则曲面的风荷载的体型系数可参考表4-4 采用。对轻型屋面应考虑风压脉动影响。

（ 5）动荷载：考虑风力、地震作用等对屋盖的动力影响。 （ 6）预应力：为了在荷载作用下不使钢索发生松弛和产生

过大的变形，需将钢索的变形控制在一定的范围之内；为了避兔发生共振现象，需将体系的固有频率控制在一定的范围之内。这要求屋盖具有一定的刚度，因此，必须在索中施加预应力，预应力的取值一般应根据结构形式、活载与恒载比值以及结构最大位移的控制值等因素通过多次试算确定。

（ 7）安装荷载：应分别考虑每一安装过程中安装荷载对结构的影响，在边缘构件和支承结构中常常会出现较大的安装应力。

结构的蠕变和温度变化将导致钢索和结构刚度减小，在结构设计中还应考虑它们的影响

对非抗震设计，荷载效应组合应按《建筑结构荷载规范》GB50009-2001计算。在截面及节点设计中，应按荷载的基本组合确定内力设计值，在位移计算中应按荷载短期效应组合确定其挠度。对抗震设计，应按《建筑抗震设计规范》GB0011-2001确定屋盖重力荷载代表值。

3 钢索设计 悬索结构中的钢索可根据结构跨度、荷载、施工方法和使用

条件等因素，分别采用有高强钢丝组成的钢绞线、钢丝绳或平行钢丝束，其中钢绞线和平行钢丝束最为常用。但也可采用圆钢筋或带状薄钢板。 平行钢丝束中各钢丝不经缠绕，受力均匀，能充分发挥钢材的力学性能，其承载能力和弹性模量均较钢绞线或钢丝绳为高，造价也较低，应用广泛，在悬索拉力较大时宜优先采用；在相同直径下，钢绞线的强度和弹性模量高于钢丝绳，但由于钢丝绳比较柔软，在需要弯曲且曲率较大的悬索结构中宜采用。

单索截面根据承载力按下式验算：

式中 ——结构重要性系数，取 =1.1 或 1.2； ——单索最大轴向拉力设计值； ——单索材料抗拉强度设计值，由表 4-1查得； ——单索截面面积。

AfN tdd 00

dNtdf

A

3.4.3 悬索结构基本设计（ 1 ）对单层悬索体系，当平面为矩形时，悬索两端支点可设计为等高或不等高，索的垂度可取跨度的 1/10~l/20 ；当平面为圆形时，中心受拉环与结构外环直径之比可取 1/8~1/17 ，索的垂度可取跨度的 1/10~l/20 。对双层悬索体系，当平面为矩形时，承重索的垂度可取跨度的 1/15~l/20 ，稳定索的拱度可取跨度的 1/15~l/25 ；当平面为圆形时，中心受拉环与结构外环直径之比可取 1/5~l/12 ，承重索的垂度可取跨度的 1/17~l/22 ，稳定索的拱度可取跨度的 1/16~l/26 。对索网结构，承重索的垂度可取跨度的 1/10~l/20 ，稳定索的拱度可取跨度的 1/15~l/30 。 （ 2 ）悬索结构的承重索挠度与其跨度之比及承重索跨中竖向位移与其跨度之比不应大于下列数值：单层悬索体系 -1/200 （自初始几何态算起），双层悬索体系、索网结构 -1/250 （自预应力态算起）。（ 3 ）钢索宜采用钢丝、钢绞线、热处理钢筋，质量要求应分别符合国家现行有关标准，即《预应力混凝土用钢丝》（ GB5223 ）、《预应力混凝土用钢绞线》（ GB5224 ）、《预应力混凝土用热处理钢筋》（ GB4453 ）。钢丝、钢绞线、热处理钢筋的强度标准值、强度设计值、弹性模量应按表 4-3 采用。

表 4-1 钢索的抗拉强度标准值、设计值和弹性模量

（ 4 ）悬索结构的计算应按初始几何状态、预应力状态和荷载状态进行，并充分考虑几何非线性的影响。

（ 5 ）在确定预应力状态后，应对悬索结构在各种情况下的永久荷载与可变荷载下进行内力、位移计算；并根据具体情况，分别对施工安装荷载、地震和温度变化等作用下的内力、位移进行验算。在计算各个阶段各种荷载情况的效应时应考虑加载次序的影响。悬索结构内力和位移可按弹性阶段进行计算。

（ 6 ）作为悬索结构主要受力构件的柔性索只能承受拉力，设计时应防止各种情况下引起的索松弛而导致不能保持受拉情况的发生。

（ 7 ）设计悬索结构应采取措施防止支承结构产生过大的变形，计算时应考虑支承结构变形的影响。

（ 8 ）当悬索结构的跨度超过 100m 且基本风压超过 0.7kN/ m2时，应进行风的动力响应分析，分析方法宜采用时程分析法或随机振动法。

（ 9 ）对位于抗震设防烈度为 8 度或 8 度以上地区的悬索结构应进行地震反应验算。

节点的构造应符合结构分析中的计算假定 。其所选用的钢材及节点中连接的材料应按国家标准《钢结构设计规范》GB50017—2003 、《混凝土结构设计规范》GB50010-2002及《碳素结构钢》GB 700的规定。节点采用铸造，锻压或其它加工方法进行制作时尚应符合国家相应的有关规定。

节点及连接应进行承载力、刚度验算以确保节点的传力可靠。节点和钢索的连接件的承载力应大于钢索的承载力设计值。节点构造尚需考虑与钢索的连接相吻合，以消除可能出现的构造间隙和钢索的应力损失。1 、钢索与钢索连接

钢索与钢索之间应采用夹具连接，夹具的构造及连接方式可选用：①U形夹连接；②夹板连接。

3.4.4钢索材料、锚固及连接构造

U形夹连接

夹板连接

（ 2）钢索连接件 钢索的连接件可选用下列几种形式：①挤压螺杆；②挤压式连接环；③冷铸式连接环；④冷铸螺杆。

挤压螺栓 挤压式连结环

冷铸式连结环 冷铸螺杆

连接板连接

混凝土板内伸出钢筋连接

钢索与钢筋混凝土支承结构的连接 钢索与钢支承结构和 构件连接

（ 3）拉索的锚固可根据拉力的大小、倾 角和地基土等条件用下列方法：

重力式

板式重力式挡土墙式桩式