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摘要：如今悬索结构的应用越来越广泛，结构的跨度也越来越大，关于如何加强悬索结构稳定性的研究也变得日趋重要。本文介绍了哪些因素会影响悬索结构的稳定性，并论述了如何增强单层悬索结构的稳定性，以及如何减小外界因素对结构稳定性的影响。
关键词：悬索结构；稳定性；抗风稳定性
Abstract: Nowadays the suspension structure is applied more and more widely, the span of the structure is also more and more big, how to strengthen the study on the stability of suspension structure becomes more and more important. This paper introduces the factors which would influence the stability of cable structures, and discusses how to enhance the stability of single-layer suspended-cable structure, as well as how to reduce the external factors effect on the stability of structure.
Key words: cable structure；stability of single-layer ；wind-resistant stability
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
随着世界经济的发展与科学技术的进步，大跨度空间结构在近些年来倍受亲睐，在很多国家发展迅猛。其中，悬索结构的应用也越来越广泛。悬索结构是由柔性受拉索及边缘构件或支撑塔架所组成的承重构件，它能充分利用高强材料的抗拉性能，可以做到跨度大、自重小、材料省、易施工。近代的悬索结构，除用于大跨度桥梁工程外，还在体育馆、飞机库、展览馆、仓库等大跨度屋盖结构中应用。
世界上最早的现代悬索屋盖是美国于1953年建成的Raleigh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。我国第一座悬索屋盖结构建筑是1961年建成的北京工人体育馆，其圆形屋盖采用车辐式双层悬索体系，直径达94m。随着悬索结构在各方面的应用越来越广泛，人们希望悬索结构的跨度更大，覆盖的区域更大，能承受更大的荷载。因此，如何加强悬索结构的稳定性也成为一个日益艰巨的问题。
悬索屋盖结构稳定性差，主要表现在以下方面：
一是适应荷载变化的能力差，外形会随活载如不对称风、雪荷载的大小与位置而变化，且幅度很大，震荡过于频繁，对保持屋面形状、保证屋面防水非常不利。
二是抗风吸能力差，索只能单向传力，即荷载必须与垂直f同向，若风为吸力或竖向地震力时，则立即失去稳定，无力抵抗向上风力和竖向地震力，严重时甚至屋盖被局部掀起或屋盖被完全揭顶。
三是抗风震、地震能力差，风荷载和地震作用具有动力和随机性，悬索像绷紧之弦，易于受到颤动，并会产生振动，一旦发生振动，屋盖即遭破坏。1940年11月7日，美国华盛顿塔克马海峡桥，和风持续6小时，风力稳定且低18.8m/s,桥面产生空气动力颤动，振幅逐渐增大，桥梁受到扭转、弯曲，最后失稳，终于断折破坏。
为了增强单层悬索结构的稳定性可以增加悬索结构的荷载或者是形成预应力索—壳组合结构。特别是针对柔性悬索，柔性的悬索在自然状态下没有刚度，其形状也是不确定的。必须采用敷设重屋面或施加预应力等措施，才能赋予一定的形状，成为在外荷作用下具有必要刚度和形状稳定性的结构。预应力索—壳组合结构主要采用单层索系上加钢筋混泥土屋面板的构造方式。施工时先将屋面板挂在索上，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”。
为了提高单层悬索的形状稳定性还可以形成索—梁或索 —桁架组合结构，这个方法也是十分有效的。也就是说单曲面单层拉索结构体系可以在索上搁置横向加劲梁或横向加劲桁架，形成所谓的索梁体系。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根平行的索上；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。
增设相反曲率的稳定索形成双层悬索结构或交叉索网结构，是解决悬索结构形状稳定性的另一种有效形式。双层悬索结构的稳定性好，整体刚度大，反向曲率的索系可以承受不同方向的荷载作用，通过调整承重索、稳定索或腹杆的长度，对屋盖体系施加预应力，增强刚度。交叉索网体系刚度大、变形小、具有反向受力能力，结构稳定性好，适用于大跨度建筑的屋盖。
加强悬索结构的稳定性除了采用以上所说的各种结构体系外，还可采用组合结构，在某些大型场馆建筑中，我们可以将几种不同的悬索结构体系组合在一起，在中间设置拱或者钢架等结构作为支撑，这样做不仅美观，而且可以充分利用各种悬索体系的优点，取长补短。在工程中，我们还可采用斜拉索结构或者悬挂式结构。斜拉索可以用作横跨结构的中间弹性支撑，从而减小屋面或桥面结构构件的跨度，不仅能够满足整个结构的大跨度要求，还能节省材料。悬挂式结构是利用钢索来吊挂混凝土屋盖的，这种方法可以利用钢索的抗拉性来减小钢筋混凝土屋盖所承受的弯曲力。
我们不仅要加强悬索结构自身的稳定性，还要尽量减小外界因素对结构稳定性的影响。如悬索结构抗风吸能力差，在有大风时，针对于采用悬索屋盖的封闭场馆，我们可以尽量减小内外压强差，而且我们在进行场馆的整体结构设计时，可以增强整个结构的竖向灵活性，使得场馆在遇到轻微的竖向地震时悬索屋盖不会立即失去稳定。
对于较大跨度的悬索桥梁结构，风致振动成为影响其稳定性的一个重要因素，而影响风振性能最关键的因素就是抗风稳定性。我们在研究桥梁在设计风速下的抗风稳定性时要采用有限元法进行动态分析。我们对抗风设计规范中临界风速和颤振稳定系数计算公式进行整理，发现提高悬索桥的竖向弯曲基频和扭转基频可以提高桥梁的抗风稳定性。因此，可以从这个角度出发对采用不同材料和不同吊索方案的悬索桥进行分析，看哪种悬索桥的抗风稳定性好。从桥梁自身的角度出发，我们可以提高系统的整体刚度，如加水平辅助索和横向辅助索；可以控制结构振动特性，如增加结构阻尼，干扰振动形态；还可以改善桥梁断面气动性能，如气动外形的改进，控制面主动控制以及控制面被动控制。
另外，悬索结构施工中要注意索的防腐处理和端头锚固的可靠性。施工在后期也会影响悬索结构的稳定性。
综上，笔者认为，可以通过增强悬索结构的荷载，形成预应力索—壳、索—梁或索—桁架组合结构，以及形成双层悬索结构和交叉索网结构来提高单层悬索结构的稳定性。于此同时，还要减少外界因素对结构稳定性的影响。特别是对于较大跨度的悬索桥梁结构，其抗风稳定性是影响桥梁结构安全的重要因素，必须着重考虑。
参考文献
沈世钊，大跨空间结构的发展——回顾与展望，《土木工程学报》第31卷第3期
杨咏昕，改善大跨度悬索桥抗风稳定性能的探索，中国铁道网整编，2008—10—17
梅葵花，提高CFRP缆索悬索桥抗风稳定性的结构措施研究，《桥梁建设》2011年05期
作者简介：梅朔华（1991年—），女，汉族，湖北黄冈人，青岛理工大学管理學院09级学生
关键词：悬索结构；稳定性；抗风稳定性
Abstract: Nowadays the suspension structure is applied more and more widely, the span of the structure is also more and more big, how to strengthen the study on the stability of suspension structure becomes more and more important. This paper introduces the factors which would influence the stability of cable structures, and discusses how to enhance the stability of single-layer suspended-cable structure, as well as how to reduce the external factors effect on the stability of structure.
Key words: cable structure；stability of single-layer ；wind-resistant stability
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
随着世界经济的发展与科学技术的进步，大跨度空间结构在近些年来倍受亲睐，在很多国家发展迅猛。其中，悬索结构的应用也越来越广泛。悬索结构是由柔性受拉索及边缘构件或支撑塔架所组成的承重构件，它能充分利用高强材料的抗拉性能，可以做到跨度大、自重小、材料省、易施工。近代的悬索结构，除用于大跨度桥梁工程外，还在体育馆、飞机库、展览馆、仓库等大跨度屋盖结构中应用。
世界上最早的现代悬索屋盖是美国于1953年建成的Raleigh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。我国第一座悬索屋盖结构建筑是1961年建成的北京工人体育馆，其圆形屋盖采用车辐式双层悬索体系，直径达94m。随着悬索结构在各方面的应用越来越广泛，人们希望悬索结构的跨度更大，覆盖的区域更大，能承受更大的荷载。因此，如何加强悬索结构的稳定性也成为一个日益艰巨的问题。
悬索屋盖结构稳定性差，主要表现在以下方面：
一是适应荷载变化的能力差，外形会随活载如不对称风、雪荷载的大小与位置而变化，且幅度很大，震荡过于频繁，对保持屋面形状、保证屋面防水非常不利。
二是抗风吸能力差，索只能单向传力，即荷载必须与垂直f同向，若风为吸力或竖向地震力时，则立即失去稳定，无力抵抗向上风力和竖向地震力，严重时甚至屋盖被局部掀起或屋盖被完全揭顶。
三是抗风震、地震能力差，风荷载和地震作用具有动力和随机性，悬索像绷紧之弦，易于受到颤动，并会产生振动，一旦发生振动，屋盖即遭破坏。1940年11月7日，美国华盛顿塔克马海峡桥，和风持续6小时，风力稳定且低18.8m/s,桥面产生空气动力颤动，振幅逐渐增大，桥梁受到扭转、弯曲，最后失稳，终于断折破坏。
为了增强单层悬索结构的稳定性可以增加悬索结构的荷载或者是形成预应力索—壳组合结构。特别是针对柔性悬索，柔性的悬索在自然状态下没有刚度，其形状也是不确定的。必须采用敷设重屋面或施加预应力等措施，才能赋予一定的形状，成为在外荷作用下具有必要刚度和形状稳定性的结构。预应力索—壳组合结构主要采用单层索系上加钢筋混泥土屋面板的构造方式。施工时先将屋面板挂在索上，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”。
为了提高单层悬索的形状稳定性还可以形成索—梁或索 —桁架组合结构，这个方法也是十分有效的。也就是说单曲面单层拉索结构体系可以在索上搁置横向加劲梁或横向加劲桁架，形成所谓的索梁体系。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根平行的索上；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。
增设相反曲率的稳定索形成双层悬索结构或交叉索网结构，是解决悬索结构形状稳定性的另一种有效形式。双层悬索结构的稳定性好，整体刚度大，反向曲率的索系可以承受不同方向的荷载作用，通过调整承重索、稳定索或腹杆的长度，对屋盖体系施加预应力，增强刚度。交叉索网体系刚度大、变形小、具有反向受力能力，结构稳定性好，适用于大跨度建筑的屋盖。
加强悬索结构的稳定性除了采用以上所说的各种结构体系外，还可采用组合结构，在某些大型场馆建筑中，我们可以将几种不同的悬索结构体系组合在一起，在中间设置拱或者钢架等结构作为支撑，这样做不仅美观，而且可以充分利用各种悬索体系的优点，取长补短。在工程中，我们还可采用斜拉索结构或者悬挂式结构。斜拉索可以用作横跨结构的中间弹性支撑，从而减小屋面或桥面结构构件的跨度，不仅能够满足整个结构的大跨度要求，还能节省材料。悬挂式结构是利用钢索来吊挂混凝土屋盖的，这种方法可以利用钢索的抗拉性来减小钢筋混凝土屋盖所承受的弯曲力。
我们不仅要加强悬索结构自身的稳定性，还要尽量减小外界因素对结构稳定性的影响。如悬索结构抗风吸能力差，在有大风时，针对于采用悬索屋盖的封闭场馆，我们可以尽量减小内外压强差，而且我们在进行场馆的整体结构设计时，可以增强整个结构的竖向灵活性，使得场馆在遇到轻微的竖向地震时悬索屋盖不会立即失去稳定。
对于较大跨度的悬索桥梁结构，风致振动成为影响其稳定性的一个重要因素，而影响风振性能最关键的因素就是抗风稳定性。我们在研究桥梁在设计风速下的抗风稳定性时要采用有限元法进行动态分析。我们对抗风设计规范中临界风速和颤振稳定系数计算公式进行整理，发现提高悬索桥的竖向弯曲基频和扭转基频可以提高桥梁的抗风稳定性。因此，可以从这个角度出发对采用不同材料和不同吊索方案的悬索桥进行分析，看哪种悬索桥的抗风稳定性好。从桥梁自身的角度出发，我们可以提高系统的整体刚度，如加水平辅助索和横向辅助索；可以控制结构振动特性，如增加结构阻尼，干扰振动形态；还可以改善桥梁断面气动性能，如气动外形的改进，控制面主动控制以及控制面被动控制。
另外，悬索结构施工中要注意索的防腐处理和端头锚固的可靠性。施工在后期也会影响悬索结构的稳定性。
综上，笔者认为，可以通过增强悬索结构的荷载，形成预应力索—壳、索—梁或索—桁架组合结构，以及形成双层悬索结构和交叉索网结构来提高单层悬索结构的稳定性。于此同时，还要减少外界因素对结构稳定性的影响。特别是对于较大跨度的悬索桥梁结构，其抗风稳定性是影响桥梁结构安全的重要因素，必须着重考虑。
参考文献
沈世钊，大跨空间结构的发展——回顾与展望，《土木工程学报》第31卷第3期
杨咏昕，改善大跨度悬索桥抗风稳定性能的探索，中国铁道网整编，2008—10—17
梅葵花，提高CFRP缆索悬索桥抗风稳定性的结构措施研究，《桥梁建设》2011年05期
作者简介：梅朔华（1991年—），女，汉族，湖北黄冈人，青岛理工大学管理學院09级学生