懸索效應

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。適當選擇坐標系后，懸鏈線的方程是一個雙曲余弦函數(shù)，其公式為： y = a*cosh(x/a) c，其在工程中有一種應用，a稱作懸鏈系數(shù)。

早在 1965 年，Scott 等就研究過俄克拉荷馬州博覽會場館內(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, 只能通過索的拉力來抵抗外載荷。

通常我們說的是框架結構中的水平受彎構件在大變形狀態(tài)下的懸鏈線效應，此時構件的彎曲剛度仍然很大，構件內(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件的基本受力特征， 而且水平構件的變形曲線與一般的懸鏈線也有較大區(qū)別。

最初一些學者在研究混凝土水平構件的承載力時，較多的研究是混凝土板的薄膜效應，對于框架梁的懸鏈線效應研究較少，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為薄膜力，這就是板的薄膜效應。當板的受拉區(qū)混凝土開裂之后，實際中和軸成拱形進而產(chǎn)生內(nèi)拱作用，板的周邊支承構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?？蚣芰旱膽益溇€效應與板的拉力膜效應在產(chǎn)生的機理及前提條件等方面都很類似，只是由于兩個相鄰板帶的豎向位移不相等，它們之間存在著豎向剪力，這種豎向剪力構成了扭矩，因此板的拉力膜效應比梁的懸鏈線效應更加復雜。對于現(xiàn)澆框架梁板，板的邊緣作為梁的翼緣，板的薄膜效應對梁的懸鏈線效應會有一定的影響。2100433B

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

懸索按受力狀態(tài)分成平面結構和空間結構。

懸索結構平面懸索結構

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

懸索結構空間懸索結構

一種處于空間受力狀態(tài)的結構，多用于大跨度屋蓋結構中。按結構形式分為：①圓形單層懸索結構（圖1a）。用于圓形平面的屋蓋，其索按輻射狀布置，整個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。當圓心處允許設柱時，可形成傘形懸索結構（圖1b）。②圓形雙層懸索結構（圖1c）。其外形與上述結構類似，只是有上下兩層索，從而可以有不同布置形式的預應力拉桿以增強剛度。中國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構形式（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)結構。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,兩組索形成負高斯曲率的曲面。對其中一組索施加預應力時，另一組索也同時獲得預應力的效果。通過施加預應力，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)結構,直徑140米，是世界上最大的索網(wǎng)結構。中國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)，其索端固定于一個空間曲梁上。為了減小曲梁內(nèi)的彎矩，在索網(wǎng)下還設置了一層水平拉索。

除上述懸索結構外，工程中還常用斜拉索結構，如斜張橋和斜拉索屋蓋。這種斜拉索主要是用來減小屋面或橋面結構構件的跨度，以滿足整個結構的大跨度要求和達到節(jié)省材料的目的。

隨著卷材薄鋼板的發(fā)展，近年來，有的國家采用懸掛板帶結構。如聯(lián)邦德國法蘭克福航空港飛機庫的屋蓋，平面尺寸達270×100米，分為兩跨，每跨由10條長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。

除上述各種懸索外，還有一種結構是利用鋼索來吊掛混凝土屋蓋的，這種結構叫懸掛式結構，其特點是：充分利用鋼索所具有的抗拉特點，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構，創(chuàng)造出帶有緊張感、力動感的大型內(nèi)空間。

在各種形式的懸索結構中，索的邊緣構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構的技術經(jīng)濟指標和安全。

懸索結構能充分利用高強材料的抗拉性能，可以做到跨度大、自重小、材料省、易施工。中國是世界上最早應用懸索結構的國家之一，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。近代的懸索結構，除用于大跨度橋梁工程外，還在體育館、飛機庫、展覽館、倉庫等大跨度屋蓋結構中應用 。