輕鋼纜索結構在建筑中的應用
發布時間：2010-01-14 共1頁
1. 輕鋼纜索結構
纜索是由鋼絞線、鋼絲繩、鋼絲束或圓鋼筋、帶狀鋼板等材料為索體，外包保護層而成的一種輕質高強的結構材料。懸索結構即是以受拉的纜索為主要承重構件的一種結構形式。纜索結構始用于一千多年前的鐵鏈橋，隨著材料、計算理論、施工技術的不斷進步，纜索結構現在已經被廣泛的應用于鋼結構建筑中，輕鋼纜索結構即是鋼結構與纜索發揮各自長處，經充分結合而成的一種新興的建筑體系。
由于鋼材在建筑中經常以桿件的形式出現，加之質量輕、強度高，決定其在設計使用過程中截面通常小而薄，使得受壓受彎桿件由于穩定問題不能充分發揮材料的強度。纜索只承受軸向拉力，無彎矩和剪力，不存在因為受壓和受彎而產生的穩定問題，從而使鋼材的抗拉強度發揮至極限，使得高強度鋼材在這里有用武之地，可以說，輕鋼纜索結構的出現，是鋼結構建筑領域的一飛躍。
2. 輕鋼纜索結構的應用
在講述輕鋼纜索結構的應用之前，我們先簡單地回顧一下"梁"的發展演變過程，首先出現的是鋼筋混凝土梁，由于砼的抗拉強度極低，因此這種建筑形式被局限于小跨度之內，面積一些的建筑，也不得不借助于室內密密麻麻的柱網，即縮小了使用空間，又影響美觀，鋼結構的出現，從某種程度上緩解了這個問題，某些跨度鋼結構廠房，寬敞的鋼結構辦公樓的建成，就是很好的說明實例。但是，隨著人類文明的進步，對建筑結構提出了更高的要求，人們的需求方向向著更快捷，更美觀，跨度更，受力更合理的方向進展，如體育場館，劇院、跨度橋梁以及某些具有特殊要求的構造，此時，單純的鋼結構又不能勝任了。真正使這個問題得以實質性的解決，可以讓建筑師和設計師充分發揮想象力，"為所欲為"的卻是輕鋼纜索結構的出現。
輕鋼纜索結構（懸索結構）是一種空間結構，所謂的空間結構是指結構的形態呈三維狀態，在荷載作用下具有三維受力特性并呈空間工作的結構。優秀的空間結構具有荷載傳遞路線最短，受力均勻的特點。與平面結構相比，具有很多獨特的優點，國內外應用非常廣泛.特別是近年來，人們生活水平不斷提高，工業生產、文化、體育等事業不斷進步，增強了社會對纜索結構尤其是跨度高性能空間纜索結構的需求。而計算機理論的日益完善以及計算機技術的飛速發展使得任何極其復雜的三維結構的分析與設計成為可能。這些正是空間纜索結構擴應用范圍得以蓬勃發展的主要因素。近幾十年來，世界上建造了成千上萬的型體育館、劇院、懸索橋、斜拉橋、托索橋、飛機庫、展廳、玻璃幕墻，采用了形式各異的纜索結構，展示著優美的造型，成為一道道風景。更有無數的廠房、倉庫等采用了纜索結構，實現了經濟、合理的完美統一。 快把結構工程師站點加入收藏夾吧！
除上述提及的跨度結構，懸索橋外，纜索結構還將在拱索雜交結構、張拉整體結構、膜結構、開合結構、折疊結構等代表當前世界空間結構發展方向的結構中起到越來越關鍵的作用。下面分別對其加以闡述。
2.1. 索拱雜交結構
索拱雜交結構是輕鋼纜索結構的一個典型范例，即在原有鋼結構拱的基礎上，輔以鋼索，使二者鋼性和柔性相互結合，相互補充，從而達到結構受力更合理、更經濟、跨度更的受力效果。
索拱雜交結構作為鋼結構中的一員，由于其鋼性拱的存在，具有較其它柔性懸索結構更高的鋼性，因而鋼索不需施加很的預應力，同時結構具有良好的形態穩定性和美觀的造型，在重力荷載的作用下，索對拱有抬起作用，索的預應力越，抬起作用越明顯，索對拱的向上作用與重力荷載的向下作用部分相互抵消，對拱有卸載作用。
2.2.張拉整體結構
"張拉整體"（tensgrity）概念是美國著名建筑師富勒的發明，可定義為一組不連續的受壓桿件與一套連續的受拉單元組成的字支撐，自應力的空間網格結構，其剛度由受拉和受壓單元之間的平衡預應力提供。其中的受壓單元主要為鋼結構，受拉單元主要為纜索充當，是輕鋼纜索結構的又一典型構造。1996年亞特蘭奧運會的主體育館喬治亞穹頂（georgia dome），由于運用了拋物面型張拉整體索穹頂，使其耗鋼量少得另人難以置信，還不到30kg/m2 。
2.3. 索膜結構
索膜結構（membrane structures）是20世紀中期發展起來的一種新型建筑結構形式，是由多種高強薄膜材料（pvc或teflon）極其加強構件（鋼架，鋼柱或鋼索）通過一定方式使其內部產生一定的預應力以形成某種空間形狀作為覆蓋結構，并能承受一定的外荷載作用的一種空間結構形式。通過鋼柱支撐及鋼索張拉成型，其造型非常優美靈活。
2.4.折疊結構
折疊結構是一種用時展開，不用時可以收其的結構，纜索在柔性折疊結構中起著關鍵性作用。柔性結構在收納狀態時，索呈松弛狀態，鋼性構件可以形成捆狀便于運輸，儲存。在展開時可拉緊驅動索使結構張開亦可增加壓桿長度來張拉鎖，在完全展開時可形成張拉整體體系，這種結構自重輕，展開成型后剛度較，可用于跨度較的結構。
3. 使用輕鋼纜索結構的優點
3.1 整體結構輕盈
如前所述，使用纜索結構可以充分發揮材料強度，從而使整個建筑用鋼量量減少，無形中降低了整個建筑結構的重量，減低了對基礎強度的要求。
3.2 施工安裝方便快捷
由于纜索構件形狀靈活輕便，在安裝過程中，無需繁雜的吊裝設備, 可以幅度的縮短工期，降低成本，綜合經濟效益顯著。
3.3 跨度
我們從梁的彎矩圖中可以知道，梁沿跨度和截面上的受力都很不均勻，材料強度不能得到充分的發揮。對于通常跨度的樓蓋梁來說，可將矩形截面變為工字型截面，進而采用格構式梁（桁梁），可以提高粱的承載力和剛度。但是在超跨度結構中，這種方式仍然避免不了材料用量的增加，對于跨度結構來說，材料用量多，不僅是一個浪費，對結構的抗震，特別是豎向抗震極為不利。在這種情況下，如果把梁演變成拱和索，把橫向的擴展就變成空間結構結構，所有的問題就會迎刃而解。
3.4 纜索結構具有很強的結構藝術作用
輕鋼纜索結構的應用，把結構的型式與建筑的空間藝術形象融合起來，即結構本身富有美學表現力。建筑師可以充分發揮其想象空間，從而把美學與力學，建筑學結合起來，使建筑具有絕美的外形構造。
纜索是由鋼絞線、鋼絲繩、鋼絲束或圓鋼筋、帶狀鋼板等材料為索體，外包保護層而成的一種輕質高強的結構材料。懸索結構即是以受拉的纜索為主要承重構件的一種結構形式。纜索結構始用于一千多年前的鐵鏈橋，隨著材料、計算理論、施工技術的不斷進步，纜索結構現在已經被廣泛的應用于鋼結構建筑中，輕鋼纜索結構即是鋼結構與纜索發揮各自長處，經充分結合而成的一種新興的建筑體系。
由于鋼材在建筑中經常以桿件的形式出現，加之質量輕、強度高，決定其在設計使用過程中截面通常小而薄，使得受壓受彎桿件由于穩定問題不能充分發揮材料的強度。纜索只承受軸向拉力，無彎矩和剪力，不存在因為受壓和受彎而產生的穩定問題，從而使鋼材的抗拉強度發揮至極限，使得高強度鋼材在這里有用武之地，可以說，輕鋼纜索結構的出現，是鋼結構建筑領域的一飛躍。
2. 輕鋼纜索結構的應用
在講述輕鋼纜索結構的應用之前，我們先簡單地回顧一下"梁"的發展演變過程，首先出現的是鋼筋混凝土梁，由于砼的抗拉強度極低，因此這種建筑形式被局限于小跨度之內，面積一些的建筑，也不得不借助于室內密密麻麻的柱網，即縮小了使用空間，又影響美觀，鋼結構的出現，從某種程度上緩解了這個問題，某些跨度鋼結構廠房，寬敞的鋼結構辦公樓的建成，就是很好的說明實例。但是，隨著人類文明的進步，對建筑結構提出了更高的要求，人們的需求方向向著更快捷，更美觀，跨度更，受力更合理的方向進展，如體育場館，劇院、跨度橋梁以及某些具有特殊要求的構造，此時，單純的鋼結構又不能勝任了。真正使這個問題得以實質性的解決，可以讓建筑師和設計師充分發揮想象力，"為所欲為"的卻是輕鋼纜索結構的出現。
輕鋼纜索結構（懸索結構）是一種空間結構，所謂的空間結構是指結構的形態呈三維狀態，在荷載作用下具有三維受力特性并呈空間工作的結構。優秀的空間結構具有荷載傳遞路線最短，受力均勻的特點。與平面結構相比，具有很多獨特的優點，國內外應用非常廣泛.特別是近年來，人們生活水平不斷提高，工業生產、文化、體育等事業不斷進步，增強了社會對纜索結構尤其是跨度高性能空間纜索結構的需求。而計算機理論的日益完善以及計算機技術的飛速發展使得任何極其復雜的三維結構的分析與設計成為可能。這些正是空間纜索結構擴應用范圍得以蓬勃發展的主要因素。近幾十年來，世界上建造了成千上萬的型體育館、劇院、懸索橋、斜拉橋、托索橋、飛機庫、展廳、玻璃幕墻，采用了形式各異的纜索結構，展示著優美的造型，成為一道道風景。更有無數的廠房、倉庫等采用了纜索結構，實現了經濟、合理的完美統一。 快把結構工程師站點加入收藏夾吧！
除上述提及的跨度結構，懸索橋外，纜索結構還將在拱索雜交結構、張拉整體結構、膜結構、開合結構、折疊結構等代表當前世界空間結構發展方向的結構中起到越來越關鍵的作用。下面分別對其加以闡述。
2.1. 索拱雜交結構
索拱雜交結構是輕鋼纜索結構的一個典型范例，即在原有鋼結構拱的基礎上，輔以鋼索，使二者鋼性和柔性相互結合，相互補充，從而達到結構受力更合理、更經濟、跨度更的受力效果。
索拱雜交結構作為鋼結構中的一員，由于其鋼性拱的存在，具有較其它柔性懸索結構更高的鋼性，因而鋼索不需施加很的預應力，同時結構具有良好的形態穩定性和美觀的造型，在重力荷載的作用下，索對拱有抬起作用，索的預應力越，抬起作用越明顯，索對拱的向上作用與重力荷載的向下作用部分相互抵消，對拱有卸載作用。
2.2.張拉整體結構
"張拉整體"（tensgrity）概念是美國著名建筑師富勒的發明，可定義為一組不連續的受壓桿件與一套連續的受拉單元組成的字支撐，自應力的空間網格結構，其剛度由受拉和受壓單元之間的平衡預應力提供。其中的受壓單元主要為鋼結構，受拉單元主要為纜索充當，是輕鋼纜索結構的又一典型構造。1996年亞特蘭奧運會的主體育館喬治亞穹頂（georgia dome），由于運用了拋物面型張拉整體索穹頂，使其耗鋼量少得另人難以置信，還不到30kg/m2 。
2.3. 索膜結構
索膜結構（membrane structures）是20世紀中期發展起來的一種新型建筑結構形式，是由多種高強薄膜材料（pvc或teflon）極其加強構件（鋼架，鋼柱或鋼索）通過一定方式使其內部產生一定的預應力以形成某種空間形狀作為覆蓋結構，并能承受一定的外荷載作用的一種空間結構形式。通過鋼柱支撐及鋼索張拉成型，其造型非常優美靈活。
2.4.折疊結構
折疊結構是一種用時展開，不用時可以收其的結構，纜索在柔性折疊結構中起著關鍵性作用。柔性結構在收納狀態時，索呈松弛狀態，鋼性構件可以形成捆狀便于運輸，儲存。在展開時可拉緊驅動索使結構張開亦可增加壓桿長度來張拉鎖，在完全展開時可形成張拉整體體系，這種結構自重輕，展開成型后剛度較，可用于跨度較的結構。
3. 使用輕鋼纜索結構的優點
3.1 整體結構輕盈
如前所述，使用纜索結構可以充分發揮材料強度，從而使整個建筑用鋼量量減少，無形中降低了整個建筑結構的重量，減低了對基礎強度的要求。
3.2 施工安裝方便快捷
由于纜索構件形狀靈活輕便，在安裝過程中，無需繁雜的吊裝設備, 可以幅度的縮短工期，降低成本，綜合經濟效益顯著。
3.3 跨度
我們從梁的彎矩圖中可以知道，梁沿跨度和截面上的受力都很不均勻，材料強度不能得到充分的發揮。對于通常跨度的樓蓋梁來說，可將矩形截面變為工字型截面，進而采用格構式梁（桁梁），可以提高粱的承載力和剛度。但是在超跨度結構中，這種方式仍然避免不了材料用量的增加，對于跨度結構來說，材料用量多，不僅是一個浪費，對結構的抗震，特別是豎向抗震極為不利。在這種情況下，如果把梁演變成拱和索，把橫向的擴展就變成空間結構結構，所有的問題就會迎刃而解。
3.4 纜索結構具有很強的結構藝術作用
輕鋼纜索結構的應用，把結構的型式與建筑的空間藝術形象融合起來，即結構本身富有美學表現力。建筑師可以充分發揮其想象空間，從而把美學與力學，建筑學結合起來，使建筑具有絕美的外形構造。
