大跨度悬索结构的应用与发展
朱兆晴 （安徽省建筑设计研究院，安徽 合肥 230001）
1 悬索结构的发展概况
1.1 发展概述
世界上第一个现代悬索屋盖是美国于1953年建成的“雷里”体育馆，它是采用以两个斜放的抛物线拱作为边缘构件的鞍形“正交索网”结构，其圆形平面直径91.5m。1962年瑞典工程师贾维斯在斯德哥尔摩滑冰馆中首先采用了“索桁架”结构，这种平面双层索系结构很快在世界各国得以广泛应用。1967年前苏联在列宁格勒建成列宁格勒纪念体育馆，其平面为圆形车辐式索桁架方案，直径达93m，索桁架的高跨比为1/17，这在当时被列入世界上巨型体育建筑之一。为筹办第22届奥运会，前苏联又于1980年建成直径160m圆形车辐式索桁架列宁格勒比赛馆，并在索桁架上弦铺设薄钢板，既作屋面防护，又使其成为与上弦索共同工作的索膜结构。与此同时，在莫斯科也建成平面为椭圆形，长轴224m，短轴183m，覆盖面积达38800m2，可容纳观众4.5万人的奥运会中心体育馆。该建筑采用了桁架式劲性索，并与屋面防护钢板组成索膜结构，是当时世界上几个巨型室内体育建筑之一，结构用钢量为126kg/m2（其中包括钢筋混凝土外环梁的配筋46kg/m2），这样大跨度结构屋盖其承重结构自重仅106kg/m2。
在平行双层悬索体系方面，我国1961年建成的圆形车辐式双层悬索结构北京工人体育馆及1986年建成的索桁架结构吉林滑冰馆，在吸取国外先进技术经验的基础上有所创新，从规模大小和技术水平来看，在当时都达到国际先进水平，受到国内外工程界的好评。迄今为止，北京工人体育馆仍为我国跨度最大的悬索结构。
自美国于1953年建成“雷里”体育馆，首先创建了预应力鞍形“索网”结构之后，1983年加拿大又建成了卡尔加里滑冰馆，平面为椭圆形，长轴135.3m，短轴129.4m，该体育建筑为世界上目前最大跨度的预应力鞍形“索网”结构。
我国在鞍形“索网”结构方面也有成功的范例。1967年建成的杭州体育馆，平面为椭圆形，其长、短轴尺寸为80m、60m，索的边缘构件为钢筋混凝土空间曲梁，由双向正交抛物面预应力鞍形索网组成屋面，上悬稳定索施加预应力后相当于对下层承重索施加了40kg/m2的垂直荷载，以抗风并保证稳定，有较好的技术经济指标，达到当时的世界先进水平。
1.2 新型的悬索结构
由于双层悬索体系（索桁架、鞍形索网、圆形车辐式双层悬索）是完全柔性结构，结构刚度主要由索体中的张力提供，使其具备承受外荷载和保形能力。但是，通过对索施加预应力使其“刚化”的手段，又会加大边缘支承结构的负担，往往要设置强大的边缘构件以平衡索体的张力，极大的影响了技术经济指标。针对于此，随着悬索结构的应用和发展，又出现了几种新型的悬索结构形式。
1.2.1劲性索结构
劲性索是以实腹或桁架构件代替柔性索的悬挂结构体系，这种结构体系的代表有1964年建成的日本代代木体育馆、前苏联1980年建成的22届奥运会游泳馆和莫斯科奥运会中心体育馆。该结构特点是在全跨荷载作用下，悬挂劲性索的受力以受拉为主，钢材强度得以充分利用；劲性索具有一定的抗弯刚度，在不对称荷载作用下变形、支座反力、挠度都较小，属刚性索梁体系；劲性索无需通过施加预应力提供“刚化”，有良好的结构承载性能，可有效地减少边缘构件的水平拉力；同时，劲性索取材方便，耐久性能良好。
1.2.2预应力横向加劲单层悬索结构
安徽省体育馆为该结构体系的代表，通过横向搁置在单层悬索上的刚性桁架支座的强迫位移，对索施加预应力，以保持屋面的稳定，同时，利用周边功能用房钢筋混凝土屋面，组成自平衡的边缘支承构件，为世界上首例建成的横向加劲悬索结构建筑，其相关资料多次在国际空间结构会议上交流，获得国内外工程界的好评。随后，上海杨浦体育馆、广东潮州体育馆又相继建成，尤其是潮州体育馆在采用该结构方案的同时又在建筑造型上有所创新。相信，这种施工方便、经济适用的结构体系会在今后得到创新和发展。
1.2.3张弦梁结构
这是近十余年来在大跨度结构中应用发展最为迅速的一种结构体系，是一种力学自平衡的结构。除因温度应力对支承结构产生水平推力外，外荷载不产生推力。我国1997年首次在上海浦东国际机场航站楼中采用，设计人员在引进法国技术方案的基础上作了较大改动和创新，建成水平投影跨度82.6m的张弦梁。其后，2002年又在广州国际会展中心建成跨度126.6m张弦立体桁架屋盖，2003年在哈尔滨国际会展中心再次采用，建成跨度达128m，这是目前我国建成最大跨度的张弦梁结构。为释放温度应力，一侧支承为钢筋混凝土剪力墙，另一侧设人形摇摆柱，形成可水平移动的铰支座，同时，下弦钢索锚固端设在上弦立体桁架支座断面形心处，使上弦立体桁架弦杆一开始就处于均匀受力状态。
根据张弦梁的加工制作、施工及受力特点，设计时将其结构形态定义为“零状态”、“初始状态”和“荷载状态”三种。“零状态”是拉索张拉前的状态，是确定各杆件尺寸的状态，也称为施工放样阶段；“初始状态”即结构竣工后状态，“荷载状态”即外荷载作用在“初始状态”结构上，结构发生变形后的平衡状态，这就是张弦梁结构的受力特点。
与悬索结构不同的是，张弦梁结构中的预应力并不能为结构提供较高的刚度，变形计算应从结构“初始状态”为参照标准，同时，计算表明，张弦梁结构非线性特征并不明显，属半刚性结构。
张弦结构中的钢索与撑杆的连接构造，是该结构的重要构成部分，有资料表明，节点造价往往占结构总造价的3%~5%，目前我国在张弦结构中都采用“索球”与竖杆连接节点，制作工艺复杂，造价昂贵，与前苏联建造的22届奥运会列宁格勒比赛馆中采用的“钢索瓦”与竖杆连接节点相比，后者更符合设计假定，制作简便，造价也相应较低。
1.2.4弦支穹顶结构
这是由日本空间结构权威川口教授首先提出的结构体系，是将“索穹顶”整体张拉结构思路用于刚性网壳结构上，创造出“弦支穹顶”结构体系。众所周知，单层或双层刚性网壳都具有水平推力，对边缘支承构件都有抗水平推力的要求。“弦支穹顶”结构，通过径向拉索、竖向撑杆、环向箍索组成一个完整的自平衡闭合力系，边缘构件不再承受水平推力。该结构传力路径明确，在结构最初建成时通过撑杆上的伸缩套筒使撑杆伸长，在对索施加预应力的同时，对网壳也产生向上减少变形的反力，在外载作用下自相平衡。与此同时，网壳构件内力也有相应调整，部分压杆内力相应减少，从而显著地提高了结构的整体刚度。施加预应力后的弦支穹顶结构非线性特征表现并不明显，可以首先用线性分析计算方法进行初步计算。计算表明，对索施加预应力后的弦支穹顶网壳中的内力得到调整和改善，但更多的是集中在外围杆件中，对内层杆件的影响并不显著。
我国首次在天津保税区商务中心大堂建成直径为35.4m、矢高为4.6m的弦支穹顶屋盖，随后，又相继建成安徽大学体育馆、08年奥运会羽毛球馆等工程，都取得了优异的综合效益。
1.2.5预应力网格结构
现代预应力技术与空间网格结构（网架、网壳）相结合，便构成了预应力网格结构。施加预应力通常有两种方案：一种是在网格下弦杆外设置预应力索；另一种是在下弦杆内设置预应力索，后者应用较多。通过张拉预应力索，在网格结构中建立与外荷载作用相反的内力和挠度，从而提高了整个网格结构的刚度，改善了结构的内力分布。同时对网壳施加预应力，还可解决水平推力问题，形成自平衡体系。近十年来，我国有多项成功的工程范例，创造了极好的技术经济指标。
从目前工程实践来看，网格中设置预应力拉索的目的，主要是降低网格结构的挠度，减少变形。从结构承载能力来看，过高的预应力反而会增加结构负担，其“受益杆件”和“非受益杆件”比例要选择适当，因此，在索中施加预应力取值方面，应根据其目的综合考虑。
1.2.6索穹顶结构
索网支承式膜结构的典型代表就是“索弯顶”，它是由美国工程的盖格尔创建，并首先于1986年建成直径120m的汉城奥运体育馆，1990年又在美国佛罗里达州建成“雷声穹顶”大型体育馆，直径达210m。1993年台湾桃园再建直径136m体育馆。到目前为止，该类型结构全世界也仅建成十余幢，均由美国人设计，相关资料极其封闭。迄今，我国尚无该类项目建成，但近年来我国在“索穹顶”结构研究方面，做了大量的工作，有相当的理论储备，即将在济南建成的直径120m的体育馆，将是我国索穹顶结构零的突破。
“索穹顶”是一种受力合理、结构效率高的结构体系，该体系由连续的拉索和不连续的承压竖杆组成，“压杆的孤岛悬浮在拉索的海洋之中”；通过张拉径向斜索对结构进行“刚化”，没有索中的预应力就没有结构刚度，就不能承受外荷载；无论在何种状态下，该体系都是压力和拉力有效的自平衡，是一个封闭的平衡体系。“索穹顶”的施工有4种方法：①由外向内逐圈张拉径向斜索建立预应力；②仅张拉外圈斜索建立预应力；③由外向内逐圈伸长竖杆建立预应力；④仅伸长外圈竖杆建立预应力。需要强调的是，“索穹顶”建立体系预应力提升施工的过程，就是结构形成的过程，当所有杆件提升到位后，杆件内的预应力也即达到设计要求。
美国工程师李维又在盖格尔体系的基础上作了改进，为提高结构抗变形能力，改进后的体系不同之处在于：将脊索由辐射状布置改为联方网格形式，取消了起稳定作用的谷索；斜索和撑杆也作相应调整；屋面膜单元变为菱形的双曲抛物面形状，可自然的绷紧成形。李维体系的整体空间作用明显加强，在不对称荷载作用下刚度有较大提高。1992年建成的美国亚特兰大佐治亚穹顶采用了李维体系，椭圆形平面长、短轴尺寸分别为241m和192m，可容纳70000人，是目前世界上最大的室内体育馆，但耗钢量仅为30kg/m2。
2 悬索结构的计算
①随着计算机的发展和普及，悬索结构的离散化分析方法，尤其是以离散化理论为基础的节点位移法和相应的各种迭代解法取得了迅速发展。相应的计算机程序也陆续编制成功，特别是近几年来国外一些大型通用程序的引入和应用，使悬索结构获得更加方便的分析手段。20世纪80年代后期建成的重要悬索结构工程大都是由计算机进行分析的，但是，这并不能排除各种解析计算方法的作用。事实上，通过对索建立基本平衡微分方程和变形协调方程求解的解析计算方法，概念清晰，在方案确定和对计算机分析结果进行判断时具有重要作用。
ANSYS有限元计算程序可对结构进行模态分析和地震作用下的时程分析，索网、弦支穹顶、铸钢节点等都可使用该程序。以张弦梁结构计算为例：利用ANSYS程序对单榀桁架进行初始张拉形态及荷载态进行分析；对下部钢筋混凝土结构采用SATWE程序考虑上部屋盖荷载进行分析；再用MIDAS/Gen软件对屋盖下部钢筋混凝土结构进行整体分析，并对上述结果进行复核。
②“初始状态”和“荷载状态”的定义：悬索结构分析属几何非线性问题，“初始状态”不同，即使荷载增量相同，引起的内力和变形增量也不相同。为此，首先应明确给定其“初始状态”，一般取某种设计或施工状态作为“初始状态”，在此状态下，内力和变形为已知，并以此为标准求解在附加荷载增量作用下悬索的内力和变形，并将荷载增量作用后的状态称为“荷载状态”。
③钢索“设计强度”的可靠性分析：目前钢索“设计强度”的取值是通过安全系数K，从“极限强度”换算成“设计强度”。国内已建成的悬索结构工程设计中采用的安全系数约为2.5~4(安徽省体育馆取K＝3.5)，取中间值K＝3，通过换算抗力分顶系数ΥR＝2.443，以此求得“设计强度”，其对应的“可靠性指标” β>6，而我国现行规范规定建筑结构目标可靠度指标β＝4.2，因此，取安全系数K＝3是偏于安全的。随着今后悬索工程的发展，有足够的试验资料数据来推导统计出抗力分项系数ΥR，更加准确地求得“设计强度”，使结构设计更合理、安全。
3 悬索结构的节点设计
节点设计的原则：①节点设计必须符合结构分析的基本假定，在结构分析时往往不考虑节点变形的影响，不考虑次应力的发生；②节点设计时要保证传力简捷，传力途径最短；③节点设计应构造可靠，强度和变形符合要求，制作方便。
节点设计除满足构造外，还需分析钢绞线在连接夹具中的承压强度，要进行摩擦滑移验算。螺旋钢绞线（裸索）与钢节点夹具间摩擦系数、钢索容许承压强度等均应通过试验取得相应资料，目前我国这方面试验工作尚欠缺，德国作了大量的研究和试验工作，AISI标准规定的摩擦系数取7%，容许承压应力为27.6MPa-41.4MPa。
参考文献
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