索結構在建筑領域的應用與發(fā)展

1、索結構在建筑領域的應用與發(fā)展索結構在建筑領域的應用與發(fā)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(guī)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(shù)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(wǎng)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(xiàn)代大跨度建筑結構的主要形式

2、之一，已在國內外大型工程項目中得到廣泛應用。根據(jù)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(xiàn)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

3、者又將其稱為索結構。根據(jù)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(wǎng)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(wǎng)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

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(jīng)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廠家會提供給相應的數(shù)值，但對于后者，一般按照經(jīng)驗取值。很多情況下，預應力鋼結構設計和研究大都忽略拉索鉸捻特性，國內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(shù)，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(shù)，天津大學鋼結構

6、研究所設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(wǎng)結構6種結構形式。弦支結構——天津大學鋼結構研究所從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(chǎn)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，并通過調整受拉構件的預應力，減小結構對支座產(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

8、支拱殼結構、弦支混凝土樓板結構、弦支鋼絲網(wǎng)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(xiàn)最早的一種弦支結構。1839年德國建筑師GegLudwigFriedrichLaves，發(fā)明了一種預應力梁“Lavesbeam”，他把梁分成上層和下層兩部分，兩者之間僅用