懸索效應(yīng)

懸索，即懸鏈線 (Catenary) 是一種曲線，它的得名源于在重力作用下兩端固定的繩子形狀。適當(dāng)選擇坐標(biāo)系后，懸鏈線的方程是一個(gè)雙曲余弦函數(shù)，其公式為： y = a*cosh(x/a) c，其在工程中有一種應(yīng)用，a稱(chēng)作懸鏈系數(shù)。

早在 1965 年，Scott 等就研究過(guò)俄克拉荷馬州博覽會(huì)場(chǎng)館內(nèi)懸索屋頂?shù)膽益溇€作用,，但那只是一般概念上的懸鏈線狀態(tài),，懸索并不能產(chǎn)生彎矩, 只能通過(guò)索的拉力來(lái)抵抗外載荷。

通常我們說(shuō)的是框架結(jié)構(gòu)中的水平受彎構(gòu)件在大變形狀態(tài)下的懸鏈線效應(yīng)，此時(shí)構(gòu)件的彎曲剛度仍然很大，構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生的彎矩仍然是抵抗外載荷的重要組成部分，因此仍然保持了水平構(gòu)件的基本受力特征， 而且水平構(gòu)件的變形曲線與一般的懸鏈線也有較大區(qū)別。

最初一些學(xué)者在研究混凝土水平構(gòu)件的承載力時(shí)，較多的研究是混凝土板的薄膜效應(yīng)，對(duì)于框架梁的懸鏈線效應(yīng)研究較少，在純彎矩作用下，板的中平面位于受拉區(qū)，因周邊變形受到約束，板內(nèi)將存在軸向壓力, 這種軸向壓力一般稱(chēng)為薄膜力，這就是板的薄膜效應(yīng)。當(dāng)板的受拉區(qū)混凝土開(kāi)裂之后，實(shí)際中和軸成拱形進(jìn)而產(chǎn)生內(nèi)拱作用，板的周邊支承構(gòu)件提供的水平推力將減少板在豎向載荷下的截面彎矩。板在大變形狀態(tài)下則產(chǎn)生軸向拉力，形成拉力膜效應(yīng)?？蚣芰旱膽益溇€效應(yīng)與板的拉力膜效應(yīng)在產(chǎn)生的機(jī)理及前提條件等方面都很類(lèi)似，只是由于兩個(gè)相鄰板帶的豎向位移不相等，它們之間存在著豎向剪力，這種豎向剪力構(gòu)成了扭矩，因此板的拉力膜效應(yīng)比梁的懸鏈線效應(yīng)更加復(fù)雜。對(duì)于現(xiàn)澆框架梁板，板的邊緣作為梁的翼緣，板的薄膜效應(yīng)對(duì)梁的懸鏈線效應(yīng)會(huì)有一定的影響。2100433B

在兩個(gè)懸掛點(diǎn)之間承受載荷的纜索。懸索中各點(diǎn)只能承受張力，且各點(diǎn)的張力都是沿該點(diǎn)懸索的切線方向。懸索橋的主索和輸電線等都是懸索。

懸索按受力狀態(tài)分成平面結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)。

懸索結(jié)構(gòu)平面懸索結(jié)構(gòu)

主要在一個(gè)平面內(nèi)受力的平面結(jié)構(gòu)，多用于懸索橋和架空管道。按結(jié)構(gòu)形式分為：①單層懸索結(jié)構(gòu)。可用做柔式懸索橋，也可用于屋蓋，結(jié)構(gòu)剛度較小，在可變荷載作用下變形較大，宜在索上鋪設(shè)重屋面。②加勁式單層懸索結(jié)構(gòu)。通過(guò)在索下面若干吊桿吊有加勁桁架（或加勁梁），以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剛度。③雙層懸索結(jié)構(gòu)。其上索與下索曲率相反，并通過(guò)其間的受拉斜腹桿中施加預(yù)應(yīng)力而具有較好的剛度。

懸索結(jié)構(gòu)空間懸索結(jié)構(gòu)

一種處于空間受力狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，多用于大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)中。按結(jié)構(gòu)形式分為：①圓形單層懸索結(jié)構(gòu)（圖1a）。用于圓形平面的屋蓋，其索按輻射狀布置，整個(gè)屋面形成下凹的旋轉(zhuǎn)曲面。各根索的外端固定于周邊的鋼筋混凝土圈梁上，內(nèi)端固定于圓心附近的拉環(huán)上。當(dāng)圓心處允許設(shè)柱時(shí)，可形成傘形懸索結(jié)構(gòu)（圖1b）。②圓形雙層懸索結(jié)構(gòu)（圖1c）。其外形與上述結(jié)構(gòu)類(lèi)似，只是有上下兩層索，從而可以有不同布置形式的預(yù)應(yīng)力拉桿以增強(qiáng)剛度。中國(guó)北京工人體育館直徑94米的比賽大廳屋蓋即采用了這種結(jié)構(gòu)形式（圖2）。其圓心附近的拉環(huán)除承受環(huán)向拉力外，在豎直方向還承受壓力。③雙向正交索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。由互相正交的兩組索組成。下凹的一組為承重索,上凸的一組為穩(wěn)定索,兩組索形成負(fù)高斯曲率的曲面。對(duì)其中一組索施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，另一組索也同時(shí)獲得預(yù)應(yīng)力的效果。通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力，可使兩組索在屋面荷載作用下始終貼緊，且獲得良好的剛度。這種索網(wǎng)可用于橢圓平面、矩形平面、菱形平面或其他平面的屋蓋。意大利米蘭體育館屋蓋采用了圓形平面的馬鞍形索網(wǎng)結(jié)構(gòu),直徑140米，是世界上最大的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。中國(guó)浙江省人民體育館屋蓋采用80×60米橢圓平面的馬鞍形索網(wǎng)，其索端固定于一個(gè)空間曲梁上。為了減小曲梁內(nèi)的彎矩，在索網(wǎng)下還設(shè)置了一層水平拉索。

除上述懸索結(jié)構(gòu)外，工程中還常用斜拉索結(jié)構(gòu)，如斜張橋和斜拉索屋蓋。這種斜拉索主要是用來(lái)減小屋面或橋面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的跨度，以滿足整個(gè)結(jié)構(gòu)的大跨度要求和達(dá)到節(jié)省材料的目的。

隨著卷材薄鋼板的發(fā)展，近年來(lái)，有的國(guó)家采用懸掛板帶結(jié)構(gòu)。如聯(lián)邦德國(guó)法蘭克福航空港飛機(jī)庫(kù)的屋蓋，平面尺寸達(dá)270×100米，分為兩跨，每跨由10條長(zhǎng)13米、寬7.5米的板帶組成，板帶之間用3米寬的采光帶隔開(kāi)。

除上述各種懸索外，還有一種結(jié)構(gòu)是利用鋼索來(lái)吊掛混凝土屋蓋的，這種結(jié)構(gòu)叫懸掛式結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是：充分利用鋼索所具有的抗拉特點(diǎn)，而減小鋼筋混凝土屋蓋所承受的彎曲力。日本代代木體育館，采用高張力纜索為主體的懸索屋頂結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造出帶有緊張感、力動(dòng)感的大型內(nèi)空間。

在各種形式的懸索結(jié)構(gòu)中，索的邊緣構(gòu)件及地錨的合理性和可靠性具有極其重要的意義，在一定程度上決定著結(jié)構(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和安全。

懸索結(jié)構(gòu)能充分利用高強(qiáng)材料的抗拉性能，可以做到跨度大、自重小、材料省、易施工。中國(guó)是世界上最早應(yīng)用懸索結(jié)構(gòu)的國(guó)家之一，在古代就曾用竹、藤等材料做吊橋跨越深谷。明朝成化年間（1465～1487年）已用鐵鏈建成霽虹橋。近代的懸索結(jié)構(gòu)，除用于大跨度橋梁工程外，還在體育館、飛機(jī)庫(kù)、展覽館、倉(cāng)庫(kù)等大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)中應(yīng)用 。