| 二、结构形式的发展 从近年来工程实践中所采用的结构形式来看，各种单层索系、双层索系、索-梁（桁）体系、鞍形索网、各种组合悬挂体系都获得了工程应用，形式丰富多样。表1按结构类型列出国内已建成的工程项目，其中绝大多数是近十年内设计和建造的，但为了完整，表中也列入了较早时期建造的几个工程项目。 从表1可以看出，近十年来的工程实践几乎对各种悬索结构形式都进行了探索。尤其值得称道的是，我国的工程技术人员在学习和吸收国外先进经验的同时，在结合工程具体条件创造更加符合中国国情的结构应用形式方面作了不少尝试和创新。例如山东省淄博等地把悬索结构应用于一些中小型屋盖结构中，颇具特色。他们主要采用单层平行索系（或伞形辐射索系）上加钢筋混凝土屋面板的构造方式。施工时先将屋面板挂在索上（使索正好位于极缝中），在板上加载使索伸长，然后在板缝中浇灌细石混凝土，待 达到一定强度后卸去荷载，即形成具有一定预应力的“悬挂薄壳”。这种构造和施工方法不需要复杂的技术和设备，相应地造价也比较经济，因而很符合各地区建造中、小型建筑的需要。在开拓新的结构形式方面，淄博化纤厂餐厅的悬挂薄壳屋盖采用正方形悬垂索网，并沿二对角线方向加设主索作为中间支承，颇具新意。 |
| 为了提高单层悬索的形状稳定性，除了采用钢筋混凝土板等重型屋面并再进一步形成悬挂薄壳的办法外，安徽体育馆等工程所采用的设置横向加劲梁（或桁架）的办法也是十分有效的（图1）。从文献记载上看，这种“索-梁（桁）体系”在国外尚未见用之于工程实践。横向加劲构件的作用有二：一是传递可能的集中荷载和局部荷载，使之更均匀地分配到各很平行的索上；二是通过下压横向加劲构件的两端到预定位置或通过对索进行张拉使整个体系建立预应力，从而提高屋盖的刚度。从安徽体育馆等几个工程的实践来看，这种体系施工方便,用料经济，是一种成功的创造。 |
| 十年来我国悬索结构发展的另一个特点是在许多工程中运用了各种组合手段。主要的方式是将两个以上的索网或其它悬索体系组合起来，并设置强大的拱或刚架等结构作为中间支撑，形成各种形式的组合屋盖结构。例如四川省体育馆和青岛市体育馆的屋盖是由两片索网和作为中间支撑的一对钢筋混凝土拱组合起来的，丹东体育馆则是由强大的钢筋混凝土中央刚架和两片单层平行索系组合而成。北京朝阳体育馆由两片索网和被称为“索拱体系”的中央支撑结构组成（图3）。索拱体系本身也是一种组合结构。朝阳体育馆采用的中央索拱体系由两条悬索和两个钢拱组成。索和拱的轴线均为平面抛物线，分别布置在相互对称的四个斜平面内，通过水平和竖向连杆两两相连，构成桥梁形式的立体预应力体系。索拱体系的工作性能显示了索和拱两种构件相互配合、相互补充的特点。与单纯的悬索比较，索拱体系具有较大的形状稳定性和刚度。尤其是在抵抗集中或局部荷载时变形较小；与单纯的拱比较，索拱体系中的拱由于同张紧的索相连，其整体稳定性较好，因而不需强大的截面。这种索拱体系的概念是一种有意义的创新。 采用各种组合式屋盖不仅进一步增加了建筑造型的多样性，而且往往能更好地满足某些建筑功能上的要求。例如通过设置中央支承结构适当抬高了体育馆比赛场地上方的净空，而两侧下垂的悬索屋面又恰好与看台的斜度配合一致，所以这种元宝形的屋盖形状给体育馆建筑提供了最优的内部空间。 采用组合式屋盖结构往往并非由于技术经济方面的理由。从技术经济的角度，单片索网或其它悬索体系可以经济地跨越很大的跨度，本非必需要采用中间支承结构。事实上，对于一般中等跨度的建筑物。采用单片的悬索体系常可能获得简单经济的设计。所以，采用组合式屋益结构在许多场合毋宁说主要是出于丰富建筑造型和更好地满足建筑物使用功能方面的考虑。毫无疑问，从我国这几年的实践效果来看，它在这方面是起到了预期作用的。 将斜拉体系利用到屋盖结构中来、是近几年出现的另一种组合结构形式。表1最后部分列举了我国近年来应用斜拉屋盖结构的几个例子。斜拉体系利用由塔柱顶端伸出的斜拉索为屋盖的横跨结构（主梁、桁架、平板网架等）提供了一系列中间弹性支承。使这些横跨结构不需靠增大结构高度和构件截面即能跨越很大的跨度，从而达到节省材料的目的。但与此同时，建造塔柱本身以及可能需要的边缘锚杆和受拉基础等又要增加造价。所以设计时要设法减小各拉索施于塔顶的总水平力。从这个角度来考虑。斜拉屋盖体系最适用于大跨度的多跨建筑。或虽为单跨但没有适当附跨的建筑（图4）。这时塔柱两侧均可敷设斜拉索，使塔顶左右受力趋于平衡，塔柱可设计得比较纤柔。反之．如果仅在一侧敷设斜拉索，而靠建造强大的塔柱来抵抗拉索的水平分力，从纯粹技术经济的角度、这样的体系一般是不合算的。鉴于混合式悬挂体系在受力性能方面的潜在优势和在应用形式方面的多样性，可以预期今后将会获得更多的发展。 |
| 三、 理论和实验研究 工程应用促进了理论和实验研究的进展。悬索结构在荷载作用下要产生较大的位移。因而计算中必须考虑几何非线性问题。这一因素形成了悬索结构计算理论的特点，也增加了分析的难度。我国关于悬索结构的第一批较系统的研究是在50年代末和60年代前期进行的。当时主要研究悬索结构分析的解析方法，例如；推导了车辐式双层索系正屋面均匀荷载作用下的计算公式；在连续化理论的基础上，应用能量变分原理对椭圆平面和菱形平面的双曲抛物面索网在均布荷载和任意集中荷载作用下的内力和位移进行了细致的分析。这些工作为当时建造的几个大型悬索结构的设计提供了理论依据。值得指出的是，在进行理论研究的同时。当时还建造了几个小型的试验性建筑物，包括一个直径为15m的车辐式双层索系屋盖和一个平面近似椭圆（18mX12m）以一对斜拱作为边缘构件的鞍形索网屋盖。建造这些试验性建筑的目的，不仅仅是为了进行结构试验，而且还在于取得建造悬索结构的施工经验。这些工作都是十分有价值的。在出版物方面，文献[11]是代表当时研究水平的一本讨论悬索结构实用计算的著作，在工程界有较大影响。同一作者在稍后时期出版的另一本著作[12]则侧重于对悬索结构解析方法的理论推导。 80年代初期恢复了对悬索结构的广泛研究。初期仍然着重于各种形式悬索体系的解析计算方法和以解析法为基础的各种近似方法的探讨。文献〔15）是我国第一本介绍悬索结构设计和计算的教材，它以较大篇幅系统地归纳了各种形式悬索体系的解析计算方法和相应公式，并且补充推导了平面双层索系的整套实用计算方法。文献[16]则系统研究了横向加劲单层平行索系（索-梁体系或索-桁体系）的受力性能和计算方法。 随着计算机的普及，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以及在处理任何非线性问题时必需的各种迭代解法引起了广泛的兴趣，并取得了迅速发展。相应的计算机程序也陆续编制了出来。现在国内已开发出一些性能较好的悬索结构分析程序，其功能一般包括体系预应力状态的计算、任意荷载作用下的内力和位移计算、施工过程的验算、温度变化等因素的影响等等；一般均包含空间索单元和空间梁单元两种基本单元，因而可将柔性的索系和劲性的支承构件或边缘构件一起进行计算，自动地考虑它们之间的相互作用，也可以用来计算诸如索-梁体系、斜拉体系等各种混合悬挂结构；不少程序配有图形显示功能。近几年建成的重要悬索结构工程大都是由计算机进行分析的。随着计算机程序及其功能的进一步发展，尤其是随着程序的商品化功能的加强以及随之而来的进一步普及，悬索结构的推广应用将会获得更加方便的手段。这并不意味着否定各种解析方法的作用。事实上，以解析法为基础的各种实用计算方法使用方便，在进行方案探讨和初步计算时，仍然具有不可替代的意义；同时，解析方法往往能提供比较清晰的受力概念。此外，对于像双层索系等比较简单的体系，解析方法已完全可以提供符合设计需要的准确而完整的计算结果。例如，吉林滑冰馆的大型悬索屋盖的设计，是由简单的手算来完成的。 十年来关于悬索结构研究的一个特点是做了大量的试验工作，这是我国结构研究方面的一个优良传统。早在60年代，就做过车辐式双层索系、椭圆平面和菱形平面双曲抛物面索网的模型试验。近几年来，则几乎每一个重要的悬索结构工程，都做过模型试验或现场实测，内容包括领应力状态的测定、不同荷载作用下的内力和位移测量等，也大都包括体系前几阶自振频率和振型的测定。 这些试验研究同理论分析工作一起，以及它们之间的相互印证，几年来使我们对各种形式悬索结构性能的了解大大前进了一步。同十年前相比，可以说，我们在设计这类结构方面，无论从结构选型的角度，还是从设计计算的手段方面，已经逐步积累起比较丰富的理论储备。 除了直接服务于设计的理论分析和试验研究工作外，一些更为基础性的理论研究近几年也在逐步开展。它们相对集中于三个研究领域：（1）张拉结构初始形状的确定；（2）悬索结构的地震反应分析；（3）悬索结构的风振反应分析。 柔性的张拉结构在没有施加预应力以前没有刚度，其形状是不确定的。必须通过施加适当预应力赋予一定的形状，才能成为能承受外荷的结构。在给定的边界条件下，所施加的预应力系统的分布和大小（这是一套自平衡的内应力系统）同所形成的结构初始形状是相互联系的。如何最合理地确定这一初始形状和相应的自平衡预应力系统，就是张拉结构的“外形确定”这一命题要解决的任务。所以，外形确定问题更确切地应称之为“初始平衡状态的确定”，或叫“初始平衡问题”。这是包括索网结构在内的张拉结构设计中的一个关键问题。对于双曲抛物面索网来说，这一问题不难解决。因为双曲抛线面对应于均匀的预应力状态，其索网内两个方向的预应力和均为常量。但对于其它类型的曲面，其初始状态一般需通过几何非线性的有限元分析来确定，尤其对于一些边界条件较特殊的张拉结构，要确定出既具有符合建筑造型要求的外型、又具有合理预应力分布的初始状态并非易事。这也许可从一 |
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