浅析悬索结构的特点及其主要形式

[摘 要]浅析悬索结构的发展、概念、特点，以及主要结构形式。

[关键词]悬索结构；特点；结构形式；建筑

中图分类号：TN823 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）33-0103-01

随着社会的发展和人民生活水平的提高，建筑事业也在加速发展，而作为建筑结构中的钢筋混凝土及其悬索结构，在各个方面都得到了更加完善。它具有经济指标低、施工快、便于建筑造型等优点。然而在国外应用较多，而国内因实践和理论研究不足，处于相对落后位置。

1 悬索结构概念

土木建筑结构所指的悬索结构，就是指以一系列受拉的索作为主要承重构件，这些索按一定规律组成各种不同形式的体系，并悬挂在相应的支承结构体系边缘构件上。因为索主要承受轴向拉力，因此可以最充分地利用钢材的强度，若再采用高强度材料时，更可大大减轻结构自重。悬索结构可以较经济地跨越很大跨度，为目前大跨建筑的主要结构形式。

2 悬索结构特点

1）受力合理、节约材料。悬索结构为一种受力比较合理的建筑结构形式，将悬索结构与简支梁两者的受力情况进行对比，可以看出其合理性。如图1所示，简支梁在竖向荷载作用下，上纤维压应力的合力与下纤维拉应力的合力组成了截面的内力矩，合力间的距离即为内力臂，它总在截面高度的范围内，所以要提高梁的承载能力，就意味着要增加梁的高度。悬索结构中，钢索在自重下就自然形成了垂度，由索中拉力与支承水平力间的距离构成的内力臂，总在钢索截面范围以外，增加垂度也就加大了力臂，从而可有效地减少索中拉力和钢索截面面积。

2）施工方便。钢索自重很小，屋面构件一般也较轻，给施工架设带来了很大的方便。安装时不需要大型起重设备，施工时不需要脚手架，也不需要模板。所有这些都有利于加快施工进度，降低工程造价。所以，与其它结构形式比较，施工费用相对较低。

3）建筑造型方便。悬索结构由于索网布置灵活，便于建筑造型，更能适应多种多样的平面形状和外形轮廓，所以也能较自由地满足各种建筑功能和表达形式的要求，使建筑与结构可以得到较完善的结合。这也是人们乐于采用的结构形式。

3 结构主要形式

悬索结构的形式很多，根据索网、边缘构件和下部支承结构的不同配置，可以构成一系列形式各异的悬索结构。若将悬索结构和其它结构形式结合，还可以进一步派生出许多形式新颖的结构体系。

1）单层悬索结构。单层悬索结构由一系列按一定规律布置的单根悬索组成，悬索两端锚挂在稳固的支承结构上。单层悬索结构又根据所适用的建筑平面的不同，分为单曲面单层悬索结构和双曲面单层悬索结构。①单曲面单层悬索结构。其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，有时也可用于多跨建筑或非矩形平面的个别工程中。它是由许多平行的单根拉索组成，拉索两端悬挂在稳定的支承结构上，也可设置专门的锚索或端部水平结构来承受悬索的拉力。该结构的表面呈圆筒形，拉索两端支点可以等高，为了排水也可做成不等高。这种平行拉索体系常呈平面受力状态，索中拉力值与跨中垂度成反比。对于一定跨度的悬索结构，垂度太小则曲面扁平，索中拉力将过大；垂度太大则索中拉力减少，但支承结构的高度将随之增大。所以，选择适宜的垂跨比（一般取1/10～1/20）。②双曲面单层悬索结构。其结构常用于圆形平面的建筑，钢索由圆心向四周按辐射状布置，屋面形成一个下凹的旋转面。悬索支承在周边构件―受压圈梁上，中心可设置受拉的内环。显然，下凹的屋面不便于排水。因此，当房屋的中央容许设置支柱时，可利用支柱升起为悬索提供中间支承，形成伞形悬索结构。该体系中受拉内环采用钢制，充分发挥钢材的抗拉强度；受压的外环一般采用钢筋混凝土结构，充分利用混凝土的抗压强度，材尽其用，经济合理，所以双曲面单层悬索结构可比单曲面单层悬索结构做到较大跨度。

单层悬索结构的缺点：稳定性不好。所谓稳定性不好，有相互联系的两层含义：①悬索是一种可变体系，其平衡形式随荷载分布方式而变。②抗风能力差。

单层悬索体系屋盖需要有一定性的稳定性，一般采用重屋面。利用较大的均布恒载使悬索始终保持较大的张紧力，以加强维持其原始形状的能力，同时较大的恒载也能较好地克服风力的卸载作用。重屋面使悬索的截面增大，使得支承结构的受力也相应增大，影响经济效果。

2）双层悬索结构。解决悬索屋盖稳定性问题有效的办法是采用双层索系，与单层悬索结构一样，双层悬索结构也分为单曲面双层悬索结构和双曲面双层悬索结构。①单曲面双层悬索结构。它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。下凹曲面为承重索，上凸曲面为稳定索，每对承重索和稳定索一般位于同一竖平面内，二者之间通过受拉钢索或受压撑杆连系，构成犹如屋架形式的平面体系，常称为索桁架。设置稳定索不只是为了抵抗风吸力的作用。由于设置相反曲率的稳定索和相应的系杆，就有可能对体系施加预应力，使承重索和稳定索内始终保持足够大的拉紧力，提高了整个体系的稳定性。另外，由于存在预张力，稳定索能同承重索一起抵抗竖向荷载的作用，提高了整个体系的刚度。多用于矩形平面的单跨建筑。②双曲面双层悬索结构。它是在双曲面单层悬索结构的基础上，增设了一层按辐射状布置的稳定索而形成的，其周围支承在周边构件（一道或两道受压圈梁）上，中心则设置受拉内环。由于增设了一层稳定索，屋面刚度进一步有所提高，抗风、抗震性能有所增强，这为悬索结构采用轻型屋面提供了条件。在圆形平面建筑中应用较多。

3）索网结构。索网结构通常是由两组相互正交、曲率相反的钢索直接交叉组成的，该索网形成由正、负高斯曲率构成的双曲抛物面，因此也常被称为鞍形索网。两组钢索中，下凹者为承重索（主索），上凸者为稳定索（副索），两组钢索在交点处相互连接。索网的周边构件受力较大，即使做成曲线形状，也常产生相当大的弯矩，所以需要有强大的截面。边缘构件除用以锚固索网，承受索网轴力引起的压力和弯矩的作用外，还可以通过调整边缘构件的结构形式获得建筑造型多样化的效果。

对索网结构必须施加预应力，以提高体系的稳定性和刚度。由于存在曲率相反的两组索，对其中任意一组或同时对两组进行张拉，均可实现预应力。不难看出，索网结构的工作原理同双层索系极为相似。当预应力值足够大时，索网结构具有相当好的稳定性和刚度，所以可采用轻屋面。鞍形索网体系形式多样，易于适应各种建筑功能和建筑造型方面的要求，屋面排水也较易处理，加上前述的一些优点，使这种结构体系在近年来应用更加广泛。

4 结语

悬索结构在建筑中具有许多独特的优点，因而在近年来大跨度建筑中应用较多，但在如何保持最稳定性的条件下实现最经济，仍需要深入的理论研究与实践。

参考文献

[1] 哈尔滨建筑工程学院编.大跨房屋钢结构.中国建筑工业出版社，1993.

[2] 严慧.悬索结构的形式和设计选型.钢结构，1994.1.

[3] 王仕统.大跨度空间结构的进展.华南理工大学学报（自然科学版），1996.10.

[4] 沈世钊.悬索结构设计.中国建筑工业出版社，1997.