什么是悬索结构?

[拼音]：xuansuo jiegou

[外文]：suspended cable structure

由柔性受拉索及其边缘构件所形成的承重结构。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。中国是世界上最早应用悬索结构的国家之一，在古代就曾用竹、藤等材料做吊桥跨越深谷。明朝成化年间（1465～1487年）已用铁链建成霁虹桥。近代的悬索结构，除用于大跨度桥梁工程外，还在体育馆、飞机库、展览馆、仓库等大跨度屋盖结构中应用。

悬索按受力状态分成平面结构和空间结构。

主要在一个平面内受力的平面结构，多用于悬索桥和架空管道。按结构形式分为：

（1）单层悬索结构。可用做柔式悬索桥，也可用于屋盖，结构刚度较小，在可变荷载作用下变形较大，宜在索上铺设重屋面。

（2）加劲式单层悬索结构。通过在索下面若干吊杆吊有加劲桁架（或加劲梁），以增强结构的刚度。

（3）双层悬索结构。其上索与下索曲率相反，并通过其间的受拉斜腹杆中施加预应力而具有较好的刚度。

一种处于空间受力状态的结构，多用于大跨度屋盖结构中。按结构形式分为：

（1）圆形单层悬索结构（图1a）。用于圆形平面的屋盖，其索按辐射状布置，整个屋面形成下凹的旋转曲面。各根索的外端固定于周边的钢筋混凝土圈梁上，内端固定于圆心附近的拉环上。当圆心处允许设柱时，可形成伞形悬索结构（图1b）。

（2）圆形双层悬索结构（图1c）。其外形与上述结构类似，只是有上下两层索，从而可以有不同布置形式的预应力拉杆以增强刚度。中国北京工人体育馆直径94米的比赛大厅屋盖即采用了这种结构形式（图2）。其圆心附近的拉环除承受环向拉力外，在竖直方向还承受压力。

（3）双向正交索网结构。由互相正交的两组索组成。下凹的一组为承重索，上凸的一组为稳定索，两组索形成负高斯曲率的曲面。对其中一组索施加预应力时，另一组索也同时获得预应力的效果。通过施加预应力，可使两组索在屋面荷载作用下始终贴紧，且获得良好的刚度。这种索网可用于椭圆平面、矩形平面、菱形平面（图3）或其他平面的屋盖。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80×60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。

随着卷材薄钢板的发展，近年来，有的国家采用悬挂板带结构。如联邦德国法兰克福航空港飞机库的屋盖，平面尺寸达270×100米，分为两跨，每跨由10条长13米、宽7.5米的板带组成，板带之间用3米宽的采光带隔开。（见彩图）

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。

悬索结构在静荷载作用下的分析，首先要确定在初始荷载作用下整个结构的初始状态，然后计算在荷载增量、温度变化和索支点位移所引起的整个结构的内力和变形。悬索结构的初始状态是指在初始荷载(包括自重和预应力)作用下的平衡位置，可通过索的各点坐标和索内拉力的水平分量确定。初始状态一般需要经过多次试算选定。索网结构可按离散的计算模型进行分析;对于索间距较小的正交索网结构，也可按连续的计算模型，即假设为一个没有剪切刚度的各向异性薄膜进行分析。悬索结构具有几何非线性的性质，即在各阶段荷载作用下，无论是内力或变形均与荷载呈非线性关系。当采用离散方法分析悬索结构时会得出非线性代数方程组。采用连续方法分析时则得出非线性微分方程。对于双曲抛物面正交索网也可采用能量原理进行分析。悬索结构当跨度较大而又较柔时宜考虑风振效应，进行动态分析。

悬索结构施工中要注意索的防腐处理和端头锚固的可靠性（见悬索屋盖施工）。