索结构在建筑领域的应用与发展(一)

2017-10-24 18:42:36 admin 4

索结构作为预应力钢结构的主要结构类型,已在国内外建筑结构领域得到广泛应用。我国第一部《索结构技术规程》已于2012年8月1日起正式实施。有着丰富理论基础、工程实践的天津大学教授、博士生导师陈志华在《索结构在建筑领域的应用与发展》一文中总结分析了索结构核心构件拉索的类型、特点以及温度线膨胀系数取值;总结了弦支结构、斜拉结构、索穹顶结构、索桁架结构、索网结构以及索膜结构等主要索结构的概念、结构特点及其在国内外主要工程中应用情况。本报将分4次连载《索结构在建筑领域的应用与发展》一文。敬请关注。——编者

一、索结构

预应力钢结构作为现代大跨度建筑结构的主要形式之一,已在国内外大型工程项目中得到广泛应用。根据预应力钢结构中杆件类别的构成,将预应力钢结构分为三类,即刚性预应力钢结构、刚柔混合预应力钢结构、柔性预应力钢结构。由于刚性预应力钢结构的施工较为复杂,工程应用较少。伴随着索体材料制作技术的提高以及拉索预应力张拉施工技术日益成熟,刚柔混合预应力钢结构和柔性预应力钢结构已成为现代大跨度建筑结构的首选结构体系之一。由于后两种预应力钢结构是以拉索作为主要受力构件而形成的预应力结构体系,因此国内外学者又将其称为索结构。

根据预应力钢结构中杆件类别的构成可将其分为刚性预应力钢结构(包括预应力平板网架结构、钢棒式吊挂结构、钢梁式预应力钢结构)、刚柔混合预应力钢结构(包括弦支结构、斜拉结构、悬索结构、索桁结构、索穹顶结构、拉索式吊挂结构)、柔性预应力钢结构(包括索网结构、索膜结构)三类。

二、拉索材料的种类

拉索从用途上可分为建筑结构用索和桥梁用索;从索体材料的构成要素进行分类,大致可分成钢丝绳、钢铰线、钢丝束。此外,还有钢拉杆和H型钢。

钢丝绳主要由绳芯、绳股和钢丝三个基本元件组成。使用时,钢丝绳会发生伸长,其伸长分为弹性伸长和结构性伸长。钢丝绳的预张拉技术是消除钢丝绳结构性伸长的有效手段。经过预张拉处理后的钢丝绳,可有效地消除其结构性伸长,使整绳的每一根钢丝在使用中能够均匀受力,不仅避免了钢丝绳在使用中的不便,而且可极大地提高钢丝绳的使用寿命。钢丝绳的强度和弹性模量低于钢绞线,其优点是比较柔软,适用于需要弯曲且曲率较大的构件。

钢绞线一般由7根钢丝捻成,一根在中心,其余6根在外层向同一方向缠绕,标记为1×7;也有多根钢丝,如19根、37根等捻成的钢绞线;国内常用1×7钢绞线或由多根1×7钢绞线平行组成的钢绞线束。钢绞线可采用的类型有镀锌钢绞线、高强度低松弛预应力热镀锌钢绞线、铝包钢绞线、涂塑钢绞线、无粘结钢绞线和PE钢绞线等,并常采用整体型、单根防腐整体型、单根防腐型的索体截面形式。钢绞线工作应力较高,能适当减少钢材用量。

钢丝束有平行钢丝束和半平行钢丝束之分。平行钢丝束是将若干根钢丝平行并拢、扎紧、穿入聚乙烯套管,在张拉结束后采用柔性防护而成,适合于现场制作。半平行钢丝束拉索在工厂内全部制造完成,产品以盘卷的成品方式提供,适合于工地现场安装架设。钢丝束拉索广泛用于各种建筑顶层索结构和斜拉索桥、拱桥、悬索桥、人行天桥、水管、煤气管道的越江工程等。

目前工程中应用比较普遍的是半平行钢丝束,为热挤聚乙烯护层扭绞拉索,制作过程如下:将若干根高强度钢丝采用同心绞合方式一次扭绞成型,绞合角为30±0.50。扭绞后在钢丝束外面绕包高强度复合包带,然后在钢丝束上热挤高密度聚乙烯防护层,拉索进行精确下料后两端加装冷、热锚具进行预张拉,拉索以成盘或成圈方式包装。

钢丝束的钢丝采用热镀锌的5毫米或7毫米的高强钢丝,宜选用高强度、低松弛、耐腐蚀的钢丝,标准强度不得低于1570兆帕,强度等级有1570兆帕、1670兆帕、1770兆帕、1870兆帕和1960兆帕等级别,弹性模量一般不小于1.90×105兆帕。钢丝束的优点是能充分发挥轴向拉力和高弹性模量的力学性能。

目前,为了解决索体材料的锈蚀和腐蚀问题,已研究出含Zn——5%Al——RE合金镀层的索体材料,这种新型索体材料具有优异的抗腐蚀性能和综合的力学性能。国内外有关的试验测试表明,其抗腐蚀性能是热镀锌层的2倍以上,并具有更好的缠绕性能、可焊性能、可漆性能和成型加工性能等,此项成果已在鄂尔多斯伊金霍洛旗体育活动中心等工程中得到应用。(待续)