悬索结构悬索结构是由柔性受拉索及其边缘构件所形成的承重结构。因为索主要承受轴 向拉力，可以最大限度的利用钢材的强度，如果再配以高强轻质的材料，可以大大 减轻结构自重，经济的跨越很大的跨度。悬索结构也是二战后发展起来的：由于钢 的强度很高，很小的截面就能够承受很大的拉力，因而早在本世纪初就开始用刚索 来悬吊屋顶结构。当时，这种结构还处于幼年时代，悬索在风力的作用下容易产生 震动或失稳，一般只用在临时性的建筑中。二次大战后，一些高强度的新品种钢材 相继问世.其强度竞超过普通钢几十倍，但刚度却大体停留在原来的水平上，最合 逻辑的方法就是以受拉的传力方式来代替受压的传力方式.悬索结构正是在这种情 况下应运而生的。悬索结构主要是由三部分组成：悬索系统、覆盖系统和支撑系统。悬索系统是 悬索屋盖中跨越水平距离，形成大空间的重要构件，通常由一系列按一定规律布置 的高强度钢索及附件组成。悬索系统起着构建屋面形状。承担屋面荷载并将其传至 支撑结构的作用。覆盖系统位于索系之上，覆盖系统的作用就是形成一个保温、隔 热、防水的面层。完成屋盖本身的建筑功能。支撑系统是由圈梁或水平横梁、立柱 或拱等构件组成，它承受悬索系统传来的荷载，并将它们传向基础。稳定索重索土木工程中悬索结构的形式主要有：单层悬索结构，双层悬索结构，索网结构。单曲面单层悬索结构形成下凹 的单曲率曲面，一般用于矩形平面的单跨建筑。悬索在均布荷载作用下必然下垂而 呈悬链曲线的形式，索的两端不仅会产生垂直向下的压力，而且还会产生向内的水 平拉力。单向悬的稳定性很差，特别是在风力的作用下，容易产生振动和失稳。单层悬索结构有着很大的缺点，就是稳定性很差，为了提高结构的稳定性和抗 风能力，还可以采用双层悬索或双向悬索。双层悬索结构是在平行拉索体系的基础 上增设一层反向曲率的钢索构成的，以此来增强拉索的稳定性。双层悬索结构面呈 圆形，索分上下两层，下层索承受屋顶全部荷重，称承重索；上层索起稳定作用。 为稳定索，上下两层索均张拉于内外两个圆环上而形成整体，其形状如自行车车 轮.故又称轮辐式悬索结构。这种形式的悬索结构不仅受力状况均衡、对称，而且 还具有良好的抗风能力和稳定性。布鲁塞尔世博会的美国馆便是采用的上述悬索结 构。（图为拉莱城牲畜贸易馆）除双层悬索外，用双向悬索分别张拉在马鞍形边梁上，也可以提高结构的稳定 性。索网结构是由两组相互正交、曲率相反的钢索直接交叉组成的，这种索网形成 由正、负高斯曲率构成的双曲抛物面，所以也常被称之为鞍形索网，所以也常被称 之为鞍形索网。这种形式的悬索结掏承重索与稳定索具有相反的弯曲方向，向下凹 的一组索为承重索，承受屋顶的全部荷重，向上凸的一组索为稳定索，这两组索交 织成索网.经过预张拉后形成整体，具有良好的稳定性和抗风能力。这种结构常见 于上世纪的大型体育馆。意大利米兰体育馆屋盖采用了圆形平面的马鞍形索网结构, 直径140米，是目前世界上最大的索网结构。中国浙江省人民体育馆屋盖采用80X60 米椭圆平面的马鞍形索网，其索端固定于一个空间曲梁上。为了减小曲梁内的弯矩， 在索网下还设置了一层水平拉索。除上述悬索结构外，工程中还常用斜拉索结构，如斜张桥和斜拉索屋盖。这种 斜拉索主要是用来减小屋面或桥面结构构件的跨度，以满足整个结构的大跨度要求 和达到节省材料的目的。还有一种结构是利用钢索来吊挂混凝土屋盖的，这种结构 称之为悬挂式结构，其特点是：充分利用钢索所具有的抗拉特点，而减小钢筋混凝土屋盖所季受的弯曲力。索的材料可以采用钢丝束、钢丝绳、钢铰线、链条、圆钢，以及其他受拉性能 良好的线材。悬索结构能充分利用高强材料的抗拉性能，可以做到跨度大、自重小、 材料省、易施工,单悬索与拱结构一样，都是平面结构，属于轴心受力构件，但拱属 于轴心受压的，对于抗压性能好的砖石来讲是一种合理的结构形式，悬索则是轴心 受拉的构件，对于抗拉性能好的钢材来讲，悬索是一种理想的结构形式。悬索结构在结构上的特点：1，索中只受拉力，既无弯矩，也无剪力，受力简单， 抗弯刚度为0，当仅有自重作用时处于自然悬挂状态，受集中力作用时，自动形成悬 吊折线形。2,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。3.可以创造具有良好物理性能的建筑空间。4.悬索屋盖结构的稳定性较 差，柔性悬索只能单向受力，当荷载和垂直度方向相反时会发生失稳。6.悬索结构 的边缘构件和下部支撑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。7.边缘构件承受拉力较大，所以构件断面尺寸也较大。如论哪种索结构容易变形，首先就是单层悬索结构，因为双层悬索结构比单层 索结构最大的优势，就是双层悬索结构上部是承重索，下部是稳定索，这种索结构 在承重索和稳定索之间都有支撑杆连接，两种索形式共同受力，达到应力自平衡之 后就很稳定了，。而单层单曲面悬索结构只有承重索能发挥作用，并且对悬索周边 的支撑构建要求也非常严格，必须能承受很大的预应力。这里面结构最稳定的就是 马鞍型索网结构，一是结构形式很科学，二是它的受力原理属于分散式受力，作用 在接触面的每一点上。但鞍型索网施工费劲，造价也高，一般都提倡预应力双层悬 索结构。在各种形式的悬索结构中，索的边缘构件及地锚的合理性和可靠性具有极 其重要的意义，在一定程度上决定着结构的技术经济指标和安全。悬索结构除跨度大、自重轻、用料省外，在建筑设计上还具有以下一些特点：1 平面形式多样，除可覆盖一般矩形平面外，还可以覆盖圆形、椭圆、正方形、菱形 乃至其它不规则平面的空司，使用的灵活性大、范围广；2、多变的曲面所形成的内 部空间既宽大宏伟又富有运动感；3主剖面呈下凹的曲线形式，曲率平缓，如处理得 当既能顺应功能要求又可以大大地节省空间和空调费用；4外形变化多样，可以为建 筑体形和立面处理提供新的可能性。在建筑设计中。如果处理好建筑功能与结构的 关系，可以创造出优美的建筑空间和形体。例1:日本静冈县体育馆。、平面采用正方菱形，屋顶采用双向悬索结构。承重索，稳定索分别与菱形的两条对角线相平行。下凹的承重 索与看台有良好的 呼应，空间利用既 经济又巧妙。例2：日本代代木体 育馆。这是日本1964东京 奥运会时兴建的体 育馆。游泳馆设有 竞赛池和跳水池， 可容纳15000名观 众，并可提供滑冰 场地。屋顶采用悬 索结构，用钢索固 定在两根钢筋混凝土柱上，覆以金属板材质屋面。代代木体育馆是悬索结构应用于大跨度结构屋顶的一个经典案例。巧妙地运用悬索结构，不仅可以让充分发挥结构和材料上功能，还可用多变的 曲面营造出其它不规则的空间，使用的灵活性大、范围广。悬索结构为大跨度建筑 体形和立面处理提供了丰富的选择。