学文网摘 要：随着当今世界的发展，为满足人们生产、活动的需要，越来越多的新型结构体系涌现出来。其中就包括悬索体系，这种结构体系是由柔性受拉索及边缘构件或支承塔架所组成的承重结构。合理的运用这种结构的受力方式，在极大程度上满足了人们对于建筑外观造型、建筑结构跨度等方面的要求，因此，这种结构体系的推广和运用，将具有很大的发展前景。
关键词：悬索结构;预应力;施工要点
中***分类号: U448.25文献标识码:A
引 言
如今随着科学技术、结构设计理论、建筑材料的迅速发展，人们对建筑造型、建筑设计外观和跨度的要求也越来越高，这也意味着对建筑结构体系的合理性提出了更高的要求。为解决这些问题，诸多新型体系应运而生，投入到生产生活当中去。在本文中，将对我所更加看好的悬索结构体系进行一些浅尝辄止的论述。
一、悬索结构的类型和选型
悬索结构从几何形状、组成方法、悬索材料以及受力特点等不同角度可有多种不同的分类方法。按组成方法和受力特点将悬索结构大致分为：单层悬索体系、预应力双层悬索体系、预应力鞍型索网、劲性悬索、预应力横向加劲单层索系、预应力索拱体系、组合悬索结构、悬挂薄壳以及混合悬挂结构等形式。
（一）单层悬索体系
1、单层悬索体系概述
单层悬索体系是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。单层索系有平行布置、辐射式布置和网状布置三种形式。平行布置的单层索系形成下凹的单曲率曲面，适于矩形或多边形的建筑平面，可用于单跨建筑，也可用于两跨及两跨以上的结构；单索辐射式布置而形成的下凹双曲率碟形屋面适用于圆形、椭圆形平面，但此种结构显然不利于排水；网状布置的单层索系形成下凹的双曲率曲面，两个方向的索一般呈正交布置，可用于圆形、矩形等各种平面，网状布置的单层索系屋面板规格统一，但边缘构件的弯矩大于辐射式布置。
2、受力方式上的缺陷
首先，悬索是一种可变体系，其平衡形状随荷载分布方式而变。例如，在均布恒载的作用下，悬索呈悬链线形式；此时如再施加某种不对称的活荷载或局部荷载，原来的悬链线或抛物线形式即不能再保持平衡，悬索将产生相当大的位移，形成与新的与荷载分布相对应的新的平衡形状。其次，其抗风能力差，作用在悬挂屋盖上的风力主要是吸力，而且分布不均匀，会引起较大的机构性位移。
为解决这些问题，可通过采用重屋面、预应力钢筋混凝土悬挂薄壳、横向加劲肋构件等方式来进行处理。
（二）预应力双层悬索体系
1、预应力双层悬索体系概述
双层悬索体系由一系列下凹的承重索和上凸的稳定索，以及它们之间的连系杆组成。其布置的方式也有平行布置、辐射式布置和网状布置等三种形式，三种方式的适用性与单层悬索体系相似，在此便不再赘述。
与单层悬索体系相比，双层悬索体系中设置稳定索不仅可以抵抗风吸力的作用，而且由于设置了相反曲率的稳定索及相应的联系杆，可以对体系施加预应力，这可使索系张紧，在承重索和稳定索内保持足够的预拉力，以保证索系具有必要的形状稳定性。此外，由于存在预应力，稳定索能与承重索一起抵抗竖向荷载作用，从而使整个体系的刚度得到提高。
2、双层悬索体系应用实例
世界上最大跨度的平行布置的双层索系结构式1966年建成的瑞典斯德哥尔摩约翰尼绍夫滑冰场屋盖，跨度达83m；最大跨径的辐射式布置的双层悬索是美国加州的英格伍德体育场屋盖，跨径大124m；我国为举办第26届乒乓球锦标赛于1961年建成的北京工人体育馆、为举办全国第六届冬季运动会于1986年建成的吉林滑冰馆，都采用了预应力双层悬索体系。
（三）预应力鞍型网索
1、预应力鞍型网索概述
鞍型网索是由相互正交、曲率相反的两组钢索直接叠交，而形成的一种负高斯曲率的曲面悬索结构。两组索中，下凹的承重索在下，上凸的稳定索在上，两组索在交点处相互连接在一起，索网周边悬挂在强大的边缘构件上。
此种结构体系的几何形状取决于所覆盖的建筑物平面形状、支撑结构形式、预应力的大小和分布以及外荷载作用等因素。可以把预应力索网视为一张网式蒙皮，它可以覆盖任意平面形状，绷紧并悬挂在任意空间的边缘构件上。
2、施工时注意事项
影响悬索结构受力性能的主要因素之一是预拉力。如果给钢索以超过所要求的预应力值，不仅不能节约材料，还会走向反面。这是因为悬索结构有形成内部平衡力系的特点，超预应力不仅无用，反而使结构不经济，所以预应力值必须选用恰当。当施加预应力的大小用变形来表示时，则大约在1/10000~1/20000索长之间。只要稳定索不出现松弛，预拉力变化既不会引起位移的显著变化，也不会引起承重索和稳定索内力增量的显著改变；但若预拉力过小，稳定索可能会出现松弛，使结构为宜和承重索内力显著增大。
下***便为预应力鞍型网索的示意***。其边缘构件为一对交叉斜拱获得的马鞍形网索，该结构覆盖形式随意，具有灵活多变的优势。
（四）含劲性构件的悬索结构
此种结构体系主要分为劲性索结构与预应力索拱体系。此类结构体系，经过理论分析和实验表明，在相同跨度、相同荷载条件下，与双层索系相比，劲性索结构的反力、挠度较小；在半跨活荷载作用下劲性索的最大竖向位移比双层索系的要小5~7倍，这就说明以劲性构件代替柔索后，结构的刚度大大增强，特别是抵抗局部荷载下机构性位移的能力远强于柔索，所以劲性索结构无需施加预应力即有良好的承载性能，同时还可减小对支承结构的作用，简化施工程序。
此外，通过将上述的两种或两种以上的悬索体系和强大的中间支承结构组合在一起，可形成形式各异的组合悬索结构，组合悬索结构的采用，往往出于满足建筑功能和建筑造型的需要。
二、悬索结构受力时的分析方法
（一）钢索
悬索结构中的钢索多为柔性钢索，其一般采用的材料为高强钢丝，具体的形式有钢丝束、钢绞线和钢丝绳等，其制作一般需经过下料、编束、预张拉及防护等几个程序。
（二）常用分析方法--有限单元法
在分析悬索结构时，即使悬索结构***弹性设计阶段也是比较复杂的。虽然，典型结构形式在典型荷载作用下的内力分析可以通过解析方法完成，但是如果借助有限元程序，特别是相应的专业设计软件会使手算工作量大大降低；而对于更复杂的结构形式，特别是相应的专业设计软件会使手算工作量大大降低；而对于更复杂的结构形式，在任意非均匀荷载作用下的内力分析，若不采用有限元程序，将使工作难以完成。因此在实际设计过程当中，一般采用有限元软件来进行内力分析。
（三）悬索结构的形态分析
一般来说，除非在张力状态下，柔性索本身不具有承载所必须的形状和刚度，其初始形状和刚度是根据其预应力状态和边界条件由平衡方程计算，即形态分析得到，所谓形态分析就是寻求满足建筑造型和功能要求并与某种自平衡的应力分布状态相对应的几何形状。一般先给定结构内的预应力分布状态，然后求满足该预应力状态和边界条件的结构形状，故有时也称为找型分析。在具体分析中，随着结构体系的不同而有一定的差异。对于预应力索网，一般在平面投影***上布索和划分单元网格，并施加成形态时的目标预应力，然后使关键点产生刚性位移至目标坐标而得到结构的形状，在此过程中令其在发生大位移和大变形时内力不变，即本构关系失效。对于含刚性构件的双层索系，一般在立面投影***或三维空间***内布置索及杆件，并划分单元；若刚性构件的尺寸不能确定，则需给出刚性构件的目标预应力，即将刚性构件也看做是柔性构件，采用与索网相同的方法得到结构的形状；若刚性结构的尺寸已知，则仅对柔性索施加成形态目标预应力并使其本构关系失效，令关键点产生刚性位移到达目标坐标，得到结构的形状，在此过程中，柔性索发生大位移、大变形但内力不变，而刚性构件发生小变形，但内力改变，求得的内力值即为成形态时刚性构件中建立的预应力值。对于单索体系，其预拉力是通过施加外荷载建立的，在形状分析中有外荷载存在，但仍假设本构关系失效。需要说明的是，在找形分析中由于令全部或部分构件的本构关系失效故找形分析是一个假象的数学过程，而非真实的物理过程，但它反映了物理的真实性，这是利用了数学上假象的无限延展性代替物理上构件的无限可供性，以简化计算。
三、悬索结构的施工要点
悬索结构施工比较简单，不需要大型起重设备，也不必设置大量脚手架，所以施工费用较节省，而且工期也较短。在支撑结构完成以后，整个屋盖的安装一般仅需几个星期。
需要特别注意的一点事悬索结构的施工与设计联系十分紧密。设计时必须预先考虑施工的步骤，尤其是必须预先规定好张拉预应力和铺设屋面的步骤。实际施工时必须严格按照规定的步骤进行；如稍有改变，就有可能引起内力的很大变化，尤其会使支撑结构严重超载。
悬索屋盖的架设程序并无统一规定可循，但一般来说，必须首先建立支撑结构，把已经预拉设就位，调整到规定的初始位置并安上锚具临时固定，然后进行预应力张拉和铺设屋面。
预应力对支撑结构（边缘构件或支承拱等）的受力有很大影响。在均布恒载和全部预应力共同作用下，经过仔细设计的边缘构件主要承受轴向力。但在单独的预应力作用下，尤其在施工过程中，不可能对所有钢索同时均匀施加预应力，因此往往在边缘构件中引起相当大的弯矩和变形，给这些构件的截面设计造成困难。所以，对预应力的施加过程要预先进行仔细设计。考虑到屋面恒载和预应力对边缘构件的作用常常能部分地相互抵消，通常需要将全部预应力分成若干级，与屋面恒载的施加相配合，通过必要的计算，拟定交替施加各级预应力和恒载的最有利程序。在施加每级预应力是，还需要仔细规定每个钢索的张拉次序，有步骤地依次进行。
张拉预应力一般利用各种专门的千斤顶进行，操作比较方便，而且易于控制张拉力的大小。张拉预应力和铺设屋面的过程中需要随时监测索系的位置变化，必要时作适当调整，使整个屋盖完成时达到预定的位置，这里以北京工人体育馆为例介绍悬索结构的施工过程。
北京工人体育馆的车辐式悬索屋盖下部框架和外环浇筑完成后，则经历了如下几个施工步骤：
1、装钢内环：在场地中心搭起一座支架，然后将内环分块吊装到支架上组装。
2、安装钢索：先在东、南、西、北四个方向各安装几根下索，以保证中央内环和支架的稳定，然后间隔旋转对称地安装其余钢索。
3、在下索就位后随即建立下索初应力。其目的在于使全部下索达到均匀的绷紧程度。施工时用倒链试绞盘连接拉力表控制。当拉力读数达到初应力值时，即停止拉动倒链，并临时固定索的锚头。
4、内环就位：先用八台千斤顶顶起内环，撤去拼装时用的垫块，然后使八台千斤顶同时回油，内环随之慢慢下沉，直到完全悬空。内环就位后的实测位置与设计值比较，竖向误差3mm，水平偏差7.5mm。
5、施加预应力：通过张拉上索施加预应力。张拉时共用八台预应力拉伸机，同时对称地张拉四对上索，依次间隔旋转地将所有上索轮流张拉两遍，每遍建立预张力的50%。分两遍张拉的目的是尽量减少不均匀张拉在外环内引起的弯矩。最后再对所有上索的预张力全面校对一遍，并作必要的调整。
6、铺设屋面。经实测，整个屋盖完成后，体系的位置和内力与设计值十分符合。
四、结束语
（一）发展进程与未来展望
我国对悬索结构的研究与工程实践起步较早，基本上与国际同步。早在20世纪60年代就建造了直径94m的北京工人体育馆和60mm×80mm的椭圆平面双曲抛物面的浙江人民体育馆。但此后有相当长的一段时间内，这种结构体系曾一度沉寂，直到80年代中后期又在一些体育建筑中得到了较多的应用。这段时间比较有名的有采用预应力双层索系的吉林滑冰馆，采用横向加劲悬索体系的安徽省体育馆以及钢筋混凝土落地拱与索网组合的四川省体育馆。下***为宏伟的北京工人体育馆。
80年代后期建造的悬索结构采用的覆盖材料一般为自重较大的混凝土板材，这一方面可以增加悬索结构的形状稳定性，但另一方面也增加了下部结构及抗拔基础的负荷。而90年代以后人们更倾向于应用新型轻质板材以降低下部结构及基础的负担。但采用新型板材覆盖后，悬索结构的形状稳定性变差，其在风荷载及其他非均匀局部荷载作用下的变形会增加。这对刚性轻质板材的变形能力提出了挑战。如何使刚性轻质板材间的连接具有较好地承受变形的能力这一问题未能得到很好地解决也许是悬索结构衰落的主要原因。
直到90年代中后期，具有较高强度的柔性覆盖材料—建筑膜材的出现使上述问题迎刃而解。可以看出具有重屋面特征的传统索膜结构的衰落并不意味着悬索结构本身的终结。
（二）未来仍需进一步探讨的问题
1、索的防腐防锈
与桥梁用索不同，悬索屋盖的索是不应考虑更换的，因为换索相当于拆除屋盖重建。目前一般采用与桥梁一样的方法，加上PE套管等来考虑防腐防锈，可能是不够的，尚需从索的用材、加工制作上深入探讨。
2、索与刚性杆件的连接节点
新型组合体系往往设计成内力自平衡体系，以便充分发挥各单独体系的优势，减少对支座的依赖。这样做的同时，对连接节点设计提出了新的要求。当索力较大时，如何能够保证与刚性杆件连接处节点受力，并且要便于预应力施加。一些工程如广州会展中心、哈尔滨国际会展体育中心皆采用了铸钢节点。
3、索的张拉施工过程控制
像索穹顶这类的新型结构体系，其施工的关键在于如何张拉成型。张拉过程中，索力的控制与度量、分批张拉时索力的相互影响、便于多次张拉的可调节点等均需进一步研究。