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1、索結構在建筑領域的應用與發展 索結構作為預應力鋼結構的主要結構類型，已在國內外建筑結構領域得到廣泛應用。我國第一部索結構技術規程已于2012年8月1日起正式實施。本文總結分析了索結構核心構件拉索的類型、特點以及溫度線膨脹系數取值；總結了弦支結構、斜拉結構、索穹頂結構、索桁架結構、索網結構以及索膜結構等主要索結構的概念、結構特點及其在國內外主要工程中應用。一、索結構預應力鋼結構作為現代大跨度建筑結構的主要形式之一，已在國內外大型工程項目中得到廣泛應用。根據預應力鋼結構中桿件類別的構成，將預應力鋼結構分為三類，即剛性預應力鋼結構、剛柔混合預應力鋼結構、柔性預應力鋼結構。由于剛性預應力鋼結構的施工較2、為復雜，工程應用較少。伴隨著索體材料制作技術的提高以及拉索預應力張拉施工技術日益成熟，剛柔混合預應力鋼結構和柔性預應力鋼結構已成為現代大跨度建筑結構的首選結構體系之一。由于后兩種預應力鋼結構是以拉索作為主要受力構件而形成的預應力結構體系，因此國內外學者又將其稱為索結構。根據預應力鋼結構中桿件類別的構成可將其分為剛性預應力鋼結構(包括預應力平板網架結構、鋼棒式吊掛結構、鋼梁式預應力鋼結構)，剛柔混合預應力鋼結構(包括弦支結構、斜拉結構、懸索結構、索桁結構、索穹頂結構、拉索式吊掛結構)和柔性預應力鋼結構(包括索網結構、索膜結構)三類。二、拉索材料的種類 拉索從用途上可分為建筑結構用索和橋梁用索；從3、索體材料的構成要素進行分類，大致可分成鋼絲繩、鋼鉸線、鋼絲束。此外，還有鋼拉桿和H型鋼。鋼絲繩主要由繩芯、繩股和鋼絲三個基本元件組成。使用時，鋼絲繩會發生伸長，其伸長分為彈性伸長和結構性伸長。鋼絲繩的預張拉技術是消除鋼絲繩結構性伸長的有效手段。經過預張拉處理后的鋼絲繩，可有效地消除其結構性伸長，使整繩的每一根鋼絲在使用中能夠均勻受力，不僅避免了鋼絲繩在使用中的不便，而且可極大地提高鋼絲繩的使用壽命。鋼絲繩的強度和彈性模量低于鋼絞線，其優點是比較柔軟，適用于需要彎曲且曲率較大的構件。鋼絞線一般由7根鋼絲捻成，一根在中心，其余6根在外層向同一方向纏繞，標記為17；也有多根鋼絲，如19根、37根等捻4、成的鋼絞線；國內常用17鋼絞線或由多根17鋼絞線平行組成的鋼絞線束。鋼絞線可采用的類型有鍍鋅鋼絞線、高強度低松弛預應力熱鍍鋅鋼絞線、鋁包鋼絞線、涂塑鋼絞線、無粘結鋼絞線和PE鋼絞線等，并常采用整體型、單根防腐整體型、單根防腐型的索體截面形式。鋼絞線工作應力較高，能適當減少鋼材用量。鋼絲束有平行鋼絲束和半平行鋼絲束之分。平行鋼絲束是將若干根鋼絲平行并攏、扎緊、穿入聚乙烯套管，在張拉結束后采用柔性防護而成，適合于現場制作。半平行鋼絲束拉索在工廠內全部制造完成，產品以盤卷的成品方式提供，適合于工地現場安裝架設。鋼絲束拉索廣泛用于各種建筑頂層索結構和斜拉索橋、拱橋、懸索橋、人行天橋、水管、煤氣管道的越5、江工程等。目前工程中應用比較普遍的是半平行鋼絲束，為熱擠聚乙烯護層扭絞拉索，制作過程如下：將若干根高強度鋼絲采用同心絞合方式一次扭絞成型，絞合角為300.50。扭絞后在鋼絲束外面繞包高強度復合包帶，然后在鋼絲束上熱擠高密度聚乙烯防護層，拉索進行精確下料后兩端加裝冷、熱錨具進行預張拉，拉索以成盤或成圈方式包裝。鋼絲束的鋼絲采用熱鍍鋅的5毫米或7毫米的高強鋼絲，宜選用高強度、低松弛、耐腐蝕的鋼絲，標準強度不得低于1570兆帕，強度等級有1570兆帕、1670兆帕、1770兆帕、1870兆帕和1960兆帕等級別，彈性模量一般不小于1.90105兆帕。鋼絲束的優點是能充分發揮軸向拉力和高彈性模量的力學6、性能。目前，為了解決索體材料的銹蝕和腐蝕問題，已研究出含Zn-5%Al-RE合金鍍層的索體材料，這種新型索體材料具有優異的抗腐蝕性能和綜合的力學性能。國內外有關的試驗測試表明，其抗腐蝕性能是熱鍍鋅層的2倍以上，并具有更好的纏繞性能、可焊性能、可漆性能和成型加工性能等，此項成果已在鄂爾多斯伊金霍洛旗體育活動中心等工程中得到應用。三、索體材料的物理特性拉索是預應力鋼結構的關鍵構件，因此對拉索基本特性的研究就顯得非常重要。拉索的基本力學特性包括彈性模量、抗拉強度以及溫度線膨脹系數，對于前兩者，拉索的制作廠家會提供給相應的數值，但對于后者，一般按照經驗取值。很多情況下，預應力鋼結構設計和研究大都忽略拉7、索鉸捻特性，國內按普通型鋼將拉索膨脹系數取為1.210-5/，有時取為1.8410-5/和1.1210-5/。國外對于拉索膨脹系數的取值也有3.910-6/和1.210-5/兩種。拉索線膨脹系數取值的不確定性給預應力鋼結構的溫度性能分析帶來了極大的誤差。為解決這個問題，給設計單位提供一個較為準確的、考慮拉索鉸捻特性的拉索線膨脹系數，消除預應力鋼結構設計中的安全隱患，天津大學鋼結構研究所在國家自然科學基金的支持下，完成了相關的理論分析和試驗研究。為了測定拉索的線膨脹系數，天津大學鋼結構研究所設計制作了兩種拉索線膨脹系數測定儀器空氣加熱索線膨脹系數測定儀器和水域加熱索線膨脹系數測定儀器。通過理論分8、析和試驗研究，最終確定鋼絲繩、鋼絞線、半平行鋼絲束3種索材的線膨脹系數值分別為：1.9210-5/、1.3810-5/、1.8710-5/。四、建筑索結構的形式、特點及工程應用目前，在工程中常用的建筑索結構主要有弦支結構、斜拉結構、索穹頂結構、索桁架結構、索膜結構和索網結構6種結構形式。弦支結構天津大學鋼結構研究所從1998年開始，在研究弦支梁(即張弦梁)、弦支桁架(即張弦桁架)和弦支穹頂的結構性能基礎上，研究和歸納了這兩種結構的本質，即用撐桿連接上部壓彎構件和下部的受拉構件，通過在受拉構件上施加預應力，使上部結構產生反撓度，從而減小荷載作用下的最終撓度，改善上部構件的受力形式，并通過調整受拉9、構件的預應力，減小結構對支座產生的水平推力，使之成為自平衡體系，并將這種自平衡體系統稱為弦支結構體系。課題組在研究弦支結構體系本質的基礎上，相繼提出了弦支筒殼結構、弦支拱殼結構、弦支混凝土樓板結構、弦支鋼絲網架混凝土夾芯板結構等多種弦支結構，豐富了弦支結構體系的內容。目前，弦支結構體系已在大型的體育場館、會展文化中心、重大交通樞紐、大型廠房等國家重要基礎建設工程中得到廣泛應用。在弦支結構體系中，弦支梁或桁架(張弦梁和張弦桁架)是出現最早的一種弦支結構。1839年德國建筑師Georg Ludwig Friedrich Laves，發明了一種預應力梁“Lavesbeam”，他把梁分成上層和下層兩部10、分，兩者之間僅用立柱連接，通過這種方式梁的強度可以顯著提高，并用于Herrenhausen花園的溫室中，這是筆者目前查到的最早弦支梁的雛形。Paxton利用這種預應力梁概念，在建于1851年的倫敦萬國博覽會的水晶宮結構的桁架之間采用了弦支梁結構檁條。建于1876年費城博覽會展館的國際展廳屋蓋同樣采用了弦支梁結構。最早提出弦支梁結構概念的是MasaoSaito。在1979年Madrid召開的IASS年會上，Masao提出了弦支梁結構形式，并研究了其基本受力特性和分析計算原理。1998年，天津大學教授劉錫良率先在國內對張弦梁結構開展了系統、深入的研究，當時由于直接取其日語“張弦梁”定義，故“張弦梁11、”的名稱沿用至今。截至2008年，據不完全統計，全國已有51項平面弦支結構的工程應用。其中較為典型的工程項目有：國內第一個張弦梁結構上海浦東國際機場航站樓，國內首個跨度超過100米的平面張弦結構哈爾濱國際會展中心、采用雙索的平面弦支結構遷安文化會展中心。國內劉錫良教授1998年最先開展了可分解空間型弦支結構的結構性能研究，而真正意義上的第一個雙向張弦結構工程建于2005年，即深圳市福田交通綜合樞紐換乘中心工程鋼結構。此后，典型的工程應用有2008年北京奧運會國家體育館雙向張弦結構、2008年北京奧運會乒乓球館輻射張弦結構等大型工程。弦支穹頂結構是1993年由日本川口衛教授提出，并應用到日本跨度12、為35.4米的光丘穹頂。筆者1996年在日本跟隨川口衛教授做博士后時，對此進行了一些研究，并于1998年回國后在中國博士后科研基金的支持下，在國內首先對弦支穹頂結構開展了系統深入的研究，并參與設計完成了國內第一座中大跨度弦支穹頂結構天津保稅區國際商務交流中心大堂屋蓋結構。隨后，國內浙江大學、北京工業大學、東南大學、北京建筑工程研究院、清華大學等單位也開始對弦支穹頂結構的結構性能和施工技術進行了理論和試驗研究。2007年，建成國內第一座大跨度弦支穹頂結構2008北京奧運會羽毛球館。截至目前，據不完全統計，國內已有23項弦支穹頂結構工程，其中最大的球形弦支穹頂結構為濟南奧體中心體育館，跨度為12213、米；最大的橢球形弦支穹頂結構為大連市體育館，跨度為145米。柳州奇石博物館經過優化分析后采用了弦支筒殼結構。遼寧華福印染公司的廠房結構屋蓋為筒殼形，矢跨比小，經過方案比較，采用了弦支單層網殼結構，網格形式為三向網格，最終結構用鋼量為50千克/平方米。天津大港發電廠干煤棚屋蓋結構跨度大，結構布置受生產工藝影響大，經過分析整體采用了大跨度門式剛架與弦支筒殼復合結構體系，屋蓋部分采用弦支雙層筒殼結構，用鋼量約為55千克/平方米。弦支筒殼結構在這兩個工程的應用經驗可為類似工程提供參考依據和指導。由于篇幅有限，筆者對斜拉結構、索穹頂結構、索桁架結構、索膜結構和索網結構作簡單介紹。斜拉結構是由主結構、塔柱14、和拉索構成的一種索結構形式。斜拉結構多用于橋梁結構，即斜拉橋。索穹頂結構是由連續的拉索和間斷的壓桿構成的一種自平衡、自應力結構體系，是目前最接近Fuller張拉整體結構思想的結構體系。由于該結構體系主要以拉桿為主，因此構件材料強度得以充分發揮，尤其是采用強度本身就很高的拉索材料，因此索穹頂結構的自重較輕，跨越能力較大。索桁架結構是由飛柱和索組成的索結構，可分為平面索桁架結構和空間索桁架結構。平面索桁架結構多用于玻璃幕墻，屬于雙層索系結構，包含魚腹式索桁架和自平衡索桁架。索膜結構和索網結構膜結構主要包括充氣膜結構、氣承結構、張拉膜結構三類，其中張拉膜結構又包括懸吊式膜結構和骨架式膜結構，兩者都是以鋼索和鋼結構件為主承重結構傳遞膜面外界荷載的，因此張拉膜結構又稱為索膜結構。索結構體系作為一種主要的預應力鋼結構體系，其體系越來越豐富，發展速度越來越多快，科學體系越來越完整，工程應用也越來越多，從整體上來看，我國在弦支結構、斜拉結構、索網結構、索膜結構等方面的建造技術水平代表了世界水平。但是在索穹頂結構方面，我國目前建造的最大跨度索穹頂落后于國外，因此今后還需在現有的實踐和理論基礎上，繼續對索結構，尤其是索穹頂結構的施工控制理論與設計優化理論進一步開展研究，使索結構體系能夠得到健康發展。