大型公共建筑为什么常常采用悬索结构

科普中国网 2017-03-31

　　作者：华霞虹

　　关键词：悬索桥

　　2012年3月31日，位于中国湖南省吉首市，渝湘高速公路上的桥梁矮寨大桥正式建成通车，成为世界上最长的跨峡谷悬索桥。那么，什么是悬索结构？为什么要用悬索的结构建造大型桥梁？还有哪些建筑使用悬索结构呢？让我们的专家来告诉你。

　　人们很早就开始采用悬索结构制造桥梁了。早在1000多年前，中国先民就已经用竹索和铁链来建造悬索桥，至明代时已用铁链建成霁虹桥。而蒙古包这样的帐篷则被看成是悬索结构建筑的原型。

　　现代悬索桥采用高强度钢索，充分利用了钢材的抗拉性能，并因桥梁的跨度大、自重小、材料省、施工方便等优点而颇受欢迎，所以是一种比较理想的大跨度结构形式，且跨度越大，经济效益就越显著

　　现代悬索桥由塔架、缆索、吊杆、锚碇等组成，造桥方式一目了然：河流两岸竖起高高的塔架，塔架上端挂起缆索；缆索两端跨过塔顶后，在两岸的地面上锚固，粗大而坚韧的缆索上垂直挂下许多吊杆，用来悬吊起桥面结构。塔架已由早期的石塔改为现在的钢塔，有时也用钢筋混凝土来制造塔架，塔的下端固定在桥墩上。

　　目前通常用钢丝绳组成粗大的缆索。有趣的是，当桥体跨度较大（如超过750米）时，钢缆大都采用“空中编缆法”就地制作。这是由于钢缆十分沉重，如果预先编制再起重到高塔上，会给施工带来很大困难。例如建于1936年的美国旧金山金门大桥，跨度1280米，钢塔高227米。它的缆索绞合成以后的直径达到92.7厘米，总重约11000吨，要把它架到200多米的高空当然十分困难了，而用“空中编缆法”就能解决这个难题。这种方法是由美国早期著名悬索桥设计工程师罗布林发明的。

　　使用又粗又重的悬索，是为了有足够的承受力来吊起巨大的桥面。缆索并不是固定在高高的塔架上的，而是跨过塔架，固定在桥两侧的地面上。在桥两岸的岩石层中打凿出坑洞或隧道，然后把固定缆索的构件放人隧道后再浇实混凝土；或者在没有岩石层时灌制巨大的混凝土块，依靠其重力和摩擦力来“拉住”缆索。

　　像体育馆、展览馆、飞机库这样的大跨度建筑也广泛采用悬索结构，就是为了最大可能地形成室内无柱的大空间，以满足容纳飞机、大型展示和比赛场地的需要。中国悬索结构大跨度建筑的经典之作是完成于1961年的北京工人体育馆，当时是为举办第26届世界乒乓球锦标赛而建造的。建筑平面为圆形，面积40 200平方米，可容纳15 000名观众。屋面采用轮辐式双层悬索结构，跨度达到94米，共有144根悬索。经改造更新，该馆成为2008年北京奥运会的拳击主赛场和残奥会盲人柔道比赛场地。

　　悬索结构的建筑还能形成强烈的雕塑感。比如日本著名建筑师丹下健三设计的东京代代木国立综合体育馆，一座为两个相对错位的新月形，一座为螺旋形，像只大蜗牛。两馆均采用悬索结构，创造出了富有紧张感和灵动感的大型内部空间和独特的外部形态。该作品被誉为20世纪最美的建筑之一。