索結(jié)構(gòu)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展

1、索結(jié)構(gòu)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展索結(jié)構(gòu)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展索結(jié)構(gòu)作為預應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)類型，已在國內(nèi)外建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。我國第一部《索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》已于2012年8月1日起正式實施。本文總結(jié)分析了索結(jié)構(gòu)核心構(gòu)件拉索的類型、特點以及溫度線膨脹系數(shù)取值；總結(jié)了弦支結(jié)構(gòu)、斜拉結(jié)構(gòu)、索穹頂結(jié)構(gòu)、索桁架結(jié)構(gòu)、索網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及索膜結(jié)構(gòu)等主要索結(jié)構(gòu)的概念、結(jié)構(gòu)特點及其在國內(nèi)外主要工程中應(yīng)用。一、索結(jié)構(gòu)預應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)作為現(xiàn)代大跨度建筑結(jié)構(gòu)的主要形式

2、之一，已在國內(nèi)外大型工程項目中得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)預應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)中桿件類別的構(gòu)成，將預應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)分為三類，即剛性預應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)、剛?cè)峄旌项A應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)、柔性預應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)。由于剛性預應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的施工較為復雜，工程應(yīng)用較少。伴隨著索體材料制作技術(shù)的提高以及拉索預應(yīng)力張拉施工技術(shù)日益成熟，剛?cè)峄旌项A應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)和柔性預應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)已成為現(xiàn)代大跨度建筑結(jié)構(gòu)的首選結(jié)構(gòu)體系之一。由于后兩種預應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)是以拉索作為主要受力構(gòu)件而形成的預應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系，因此國內(nèi)外學

3、者又將其稱為索結(jié)構(gòu)。根據(jù)預應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)中桿件類別的構(gòu)成可將其分為剛性預應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)(包括預應(yīng)力平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、鋼棒式吊掛結(jié)構(gòu)、鋼梁式預應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu))，剛?cè)峄旌项A應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)(包括弦支結(jié)構(gòu)、斜拉結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、索桁結(jié)構(gòu)、索穹頂結(jié)構(gòu)、拉索式吊掛結(jié)構(gòu))和柔性預應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)(包括索網(wǎng)結(jié)構(gòu)、索膜結(jié)構(gòu))三類。二、拉索材料的種類拉索從用途上可分為建筑結(jié)構(gòu)用索和橋梁用索；從索體材料的構(gòu)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

4、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(fā)生伸長，其伸長分為彈性伸長和結(jié)構(gòu)性伸長。鋼絲繩的預張拉技術(shù)是消除鋼絲繩結(jié)構(gòu)性伸長的有效手段。經(jīng)過預張拉處理后的鋼絲繩，可有效地消除其結(jié)構(gòu)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廠家會提供給相應(yīng)的數(shù)值，但對于后者，一般按照經(jīng)驗取值。很多情況下，預應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計和研究大都忽略拉索鉸捻特性，國內(nèi)按普通型鋼將拉索膨脹系

5、數(shù)取為1.2105℃，有時取為1.84105℃和1.12105℃。國外對于拉索膨脹系數(shù)的取值也有3.9106℃和1.2105℃兩種。拉索線膨脹系數(shù)取值的不確定性給預應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的溫度性能分析帶來了極大的誤差。為解決這個問題，給設(shè)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(shù)，消除預應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的安全隱患，天津大學鋼結(jié)構(gòu)研究所在國家自然科學基金的支持下，完成了相關(guān)的理論分析和試驗研究。為了測定拉索的線膨脹系數(shù)，天津大學鋼結(jié)構(gòu)

6、研究所設(shè)計制作了兩種拉索線膨脹系數(shù)測定儀器——空氣加熱索線膨脹系數(shù)測定儀器和水域加熱索線膨脹系數(shù)測定儀器。通過理論分析和試驗研究，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(shù)值分別為：1.92105℃、1.38105℃、1.87105℃。四、建筑索結(jié)構(gòu)的形式、特點及工程應(yīng)用目前，在工程中常用的建筑索結(jié)構(gòu)主要有弦支結(jié)構(gòu)、斜拉結(jié)構(gòu)、索穹頂結(jié)構(gòu)、索桁架結(jié)構(gòu)、索膜結(jié)構(gòu)和索網(wǎng)結(jié)構(gòu)6種結(jié)構(gòu)形式。弦支結(jié)構(gòu)——天津大學鋼結(jié)構(gòu)研究所從1998

7、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?shù)慕Y(jié)構(gòu)性能基礎(chǔ)上，研究和歸納了這兩種結(jié)構(gòu)的本質(zhì)，即用撐桿連接上部壓彎構(gòu)件和下部的受拉構(gòu)件，通過在受拉構(gòu)件上施加預應(yīng)力，使上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反撓度，從而減小荷載作用下的最終撓度，改善上部構(gòu)件的受力形式，并通過調(diào)整受拉構(gòu)件的預應(yīng)力，減小結(jié)構(gòu)對支座產(chǎn)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(tǒng)稱為弦支結(jié)構(gòu)體系。課題組在研究弦支結(jié)構(gòu)體系本質(zhì)的基礎(chǔ)上，相繼提出了弦支筒殼結(jié)構(gòu)、弦

8、支拱殼結(jié)構(gòu)、弦支混凝土樓板結(jié)構(gòu)、弦支鋼絲網(wǎng)架混凝土夾芯板結(jié)構(gòu)等多種弦支結(jié)構(gòu)，豐富了弦支結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)容。目前，弦支結(jié)構(gòu)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(chǔ)建設(shè)工程中得到廣泛應(yīng)用。在弦支結(jié)構(gòu)體系中，弦支梁或桁架(張弦梁和張弦桁架)是出現(xiàn)最早的一種弦支結(jié)構(gòu)。1839年德國建筑師GegLudwigFriedrichLaves，發(fā)明了一種預應(yīng)力梁“Lavesbeam”，他把梁分成上層和下層兩部分，兩者之間僅用