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十年来中国悬索结构的发展

            沈世钊（哈尔滨建筑工程学院）

                                                   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

工程名称	平面及尺寸	建成年份
车辐式双层索系    北京工人体育馆    成都城北体育馆    广汉市文体馆	圆形，直径94m 圆形，直径61m 圆形，直径44m	1961 1979 1991
双曲抛物面索网    天津大学健身房    浙江人民体育馆    新疆化肥厂俱乐部	椭圆形，24.6×36.6m 椭圆形，60m×80m 椭圆形，36m×50m	1965 1967 1977
平行双层空间索系    吉林滑冰馆	矩形，59m×72m	1986
平行双层平面索系（索桁架）    无锡市体育馆	矩形，43m×44m	1991
单层平行索系    淄博市体育馆    淄博市毛纺厂俱乐部    东营钻井公司体育馆    新汶矿务局体育馆	矩形，54m×38m 矩形，36m×27m 矩形，54m×38m 矩形，54m×38m	1986 1987 1988 1989
伞形单层辐射索系    柳州水泥厂熟料库    淄博市长途汽车站	圆形，半径40m 圆形，半径25m	1987 1989
单层悬挂索网    淄博市化纤厂餐厅	方形，30m×30m      对角线主索支承	1987
单层平行索系、以刚架作为中央支承    丹东体育馆	六边形，80m×45m	1988
鞍形索网、以拱作为中央支承    四川省体育馆    青岛市体育馆	六边形，74m×79m 卵形，73m×89m	1988 1990
鞍形索网、以索--拱体系作为中央支承    北京朝阳体育馆	近似椭圆，66m×78m	1990
横向加劲单层平行索系    安徽省体育馆    上海扬浦区体育馆    潮州体育馆	六边形，72m×53m 矩形，45m×54m 方形，55m×56m	1989 1989 1992
斜拉屋盖结构    奥林匹克体育中心体育馆    奥林匹克体育中心游泳馆    呼和浩特民航机库    无锡市游泳馆	矩形，70m×83.2m 矩形，78m×117m 矩形，42m×63m 矩形，19m×31.5m	1990 1990 1991 1992

      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”。　　

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