十年来中国悬索结构的发展

                                                   一、概    述

　　 中国现代悬索结构之发展始于50年代后期和80年代。北京的工人体育馆和杭州的浙江人民体育馆是当时的两个代表作。北京工人体育馆建成于1961年，其屋盖为圆形平面，直径94m，采用车辐式双层悬索体系，由截面为2m X2m的钢筋混凝土圈梁、中央钢环，以及辐射布置的两端分别锚定于圈梁和中央钢环的上索和下索组成。中央钢环直径16m，高11m，由钢板和型钢焊成，承受由于索力作用而产生的环向拉力，并在上、下索之间起撑杆的作用。浙江人民体育馆建成于1967年，其屋盖为椭圆平面，长径80m，短径60m。采用双曲抛物面正交索网结构；长径方向主索垂度4．4m，短径方向副索拱度2，6m。
 　　大家知道，世界上最早的现代悬索屋盖是美国于1953年建成的Releigh体育馆，采用以两个斜放的抛物线拱为边缘构件的鞍形正交索网。我国建造的上述两个悬索结构无论从规模大小或技术水平来看，在当时都可以说是达到国际上较先进水平的。但此后我国悬索结构的发展停顿了较长一段时间，一直到1980年才建成成都城北体育馆。它的直径为61m的圆形屋盖也是采用车辐式双层悬索结构，但作了一些改进：所有的索在中央环处不切断，而是沿环的切线穿越过去，铺在圈梁的对侧位置上。这样不仅节省了一半悬索锚具，而且中央环不再承受环向拉力，而仅起上、下索之间撑杆的作用，从而节省了相当数量的钢材。
  尽管存在如上面介绍的一些杰出工程，现在来回顾80年代初期我国悬索结构以致整个空间结构的总体发展水平，仍然只能承认当时仅有平板网架结构的发展是比较成熟的；由于60年代以后全国在平板网架方面投入了不少力量，在工程实践和理论分析方面均积累了较多经验。但在悬索结构、网壳结构、薄壳结构和薄膜结构等其它空间结构类型方面，则相对比较落后，工程实践既有限，理论储备也不足，同国际发展水平相比差距较大。这种状态同当时蓬勃兴起的新的建设形势形成了明显的反差。在设计日益增多的如体育馆等一些大型公共建筑时，普遍感到结构形式的选择余地很有限，无法满足日益发展的对建筑功能和建筑选型多样化的要求。这种生产要求对我国空间结构的发展起到了良好的刺激作用，各设计和研究部门对探讨多样化的空间结构形式和进行相应的理论研究产生了越来越多的兴趣。1982年空间结构委员会的成立集中地反映了这种共同的要求。从那时候起，我国空间结构，包括悬索结
构进入了一种较快的协调发展的状态。今天来回顾我国悬索结构十年来的发展。可以看到工程实践的数量有了较大增长，结构的应用形式趋向多样化，理论研究也逐渐完整配套，形势是十分喜人的。

                                     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。
                         表1  我国悬索结构工程一览表

      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。

                                      图1横向加劲单层平行索系
　　由一系列承重索和反向的稳定索组成的预应力双层索系，是解决悬索结构形状稳定性的另一种较有效的结构形式。瑞典工程师Jawerth首先在斯德哥尔摩滑冰馆采用由一对承重索和稳定索组成被称为“索桁架”的专利体系，其后这仲平面双层索系在各国获得相当广泛的应用。我国无锡体育馆也采用了这种体系。作为对这种体系的改进，吉林滑冰馆结合具体工程条件，创造了一种新型的空间双层索系（图2）。它的承重素与稳定索不在同一竖平面内，而是错开半个柱距。在跨度中央部分，稳定索高出承重素，形成筒形屋面；上、下索之间设置纵向的衍架式擦条，将两层索撑开。在跨度的两个边缘部分，稳定索低于承重索，二者之间用波形模条拉紧，形成波形屋面。采用这种结构形式，不仅提供了新颖的建筑造型，而且很好地解决了矩形平面悬索屋盖通常遇到的屋面排水问题。这一新颖结构参加了1987年在美国举行的“国际先进结构展览”。　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　参考文献
[1]蓝天，国内外悬索屋盖结构的发展，全国索结构学术交流会论文集，1991。
[2]徐荣熙、张发生，淄博市几个悬索屋面工程的设计施工实践，第四届空间结构学术交流会论文集，1988。
[3]谢水传、陈其祖，安徽省体育馆索-桁组合结构屋盖设计与施工，建筑结构学报，第6期，1989。
[4]沈世钊、徐崇宝，吉林滑冰馆预应力双层悬索屋盖，建筑结构学报，第6期，1986．
[5]朱思荣，钢筋混凝土拱与索网组合的大跨度轻型屋盖（四川省体育馆屋盖设计），第三届空间结构学术交流会论文集，1986。
[6]周润珍等，青岛体育馆索网结构屋盖及其施工，第五届空间结构学术交流会论文集，1990。
[7]李豪帮、王婉灵，丹东体育馆设计总结．第三届空间结构学术交流会论文集，1986．
[8]沈世钊、蒋兆基，亚运会朝阳体育馆组合索网屋盖结构，建筑结构学报，第3期，1990．
[9]中国建筑科学研究院，大跨度悬挂式屋盖结构文献选编，中国工业出版社，1959。
[10]建研院等，双曲抛物面索网屋盖（资料）， 1974。
[11]金问鲁，悬挂结构计算，中国建筑工业出版社，1975．
[12]金问鲁，悬挂结构计算理论，浙江科技出版社，1981。
[13]钱国桢，双曲抛物面正交索网的简化计算，建筑结构学报，第2期，1982．。
[14]徐崇宝、沈世钊，以平面抛物线拱为边缘构件的不对称索网的实用计算，哈尔滨建筑工程学院学报 第1期。
[15]哈尔滨建筑工程学院，大跨房屋钢结构，中国建筑工业出版社，1985。
[16]季天健、蓝倜恩，横向加劲单曲悬索屋盖的简化分析与合理设计，建筑结构学报，第6期，1987．
[17]钱若军、张德锋，索网结构外形判定控制点逼近法，第五届空间结构学术交流会论文集，1990．
[18]郭璐，索及索加强膜结构的初始形状判定分析，全国索结构学术交流会论文集，1991。
[19]宋昌水，索网结构和薄膜结构的形状确定分析，哈尔滨建筑工程学院硕士论文，1991．
[20]胡瑞深、张善余、曹资，索网结构地震反应规律及结构参数对其彭响的研究，全国索结构学术交流会论文集，1991。
[21]曹资，索-桁（梁）结构动力特性和地区反应试验研究，第四届空间结构学术交流会论文集，1988。
[22]郭骅、张莉，预应力双层索系随机地震反应分析，第三届空间结构学术交流会论文集，1986。
[23]赵臣、谭东耀、沈世钊，大跨悬用屋盖风振反应分析，第五届空间结构学术交流会论文集，IUtfoo
[24]赵臣，大跨悬索屋盖结构风激动力性能，哈尔滨建筑工程学院博士论文，1991。
[25]程勇凌，索桁架结构的动力特性及其在随机风荷载作用下的动力响应分析，全国索结构学术交流会论文集，1991。