索结构在建筑领域的应用与发展(二)

2017-10-24 18:43:03 admin 4

三、索体材料的物理特性

拉索是预应力钢结构的关键构件,因此对拉索基本特性的研究就显得非常重要。拉索的基本力学特性包括弹性模量、抗拉强度以及温度线膨胀系数,对于前两者,拉索的制作厂家会提供给相应的数值,但对于后者,一般按照经验取值。很多情况下,预应力钢结构设计和研究大都忽略拉索铰捻特性,国内按普通型钢将拉索膨胀系数取为1.2×10-5/℃,有时取为1.84×10-5/℃和1.12×10-5/℃。国外对于拉索膨胀系数的取值也有3.9×10-6/℃和1.2×10-5/℃两种。拉索线膨胀系数取值的不确定性给预应力钢结构的温度性能分析带来了极大的误差。为解决这个问题,给设计单位提供一个较为准确的、考虑拉索铰捻特性的拉索线膨胀系数,消除预应力钢结构设计中的安全隐患,天津大学钢结构研究所在国家自然科学基金的支持下,完成了相关的理论分析和试验研究。

为了测定拉索的线膨胀系数,天津大学钢结构研究所设计制作了两种拉索线膨胀系数测定仪器——空气加热索线膨胀系数测定仪器和水域加热索线膨胀系数测定仪器。通过理论分析和试验研究,最终确定钢丝绳、钢绞线、半平行钢丝束3种索材的线膨胀系数值分别为:1.92×10-5/℃、1.38×10-5/℃、1.87×10-5/℃。

四、建筑索结构的形式、特点及工程应用

目前,在工程中常用的建筑索结构主要有弦支结构、斜拉结构、索穹顶结构、索桁架结构、索膜结构和索网结构6种结构形式。

⑴弦支结构

天津大学钢结构研究所从1998年开始,在研究弦支梁(即张弦梁)、弦支桁架(即张弦桁架)和弦支穹顶的结构性能基础上,研究和归纳了这两种结构的本质,即用撑杆连接上部压弯构件和下部的受拉构件,通过在受拉构件上施加预应力,使上部结构产生反挠度,从而减小荷载作用下的最终挠度,改善上部构件的受力形式,并通过调整受拉构件的预应力,减小结构对支座产生的水平推力,使之成为自平衡体系,并将这种自平衡体系统称为弦支结构体系。课题组在研究弦支结构体系本质的基础上,相继提出了弦支筒壳结构、弦支拱壳结构、弦支混凝土楼板结构、弦支钢丝网架混凝土夹芯板结构等多种弦支结构,丰富了弦支结构体系的内容。目前,弦支结构体系已在大型的体育场馆、会展文化中心、重大交通枢纽、大型厂房等国家重要基础建设工程中得到了广泛的应用。

在弦支结构体系中,弦支梁或桁架(张弦梁和张弦桁架)是出现最早的一种弦支结构。1839年德国建筑师Georg Ludwig Friedrich Laves,发明了一种预应力梁“Lavesbeam”,他把梁分成上层和下层两部分,两者之间仅用立柱连接,通过这种方式梁的强度可以显著提高,并用于Herrenhausen花园的温室中,这是笔者目前查到的最早弦支梁的雏形。Paxton利用这种预应力梁概念,在建于1851年的伦敦万国博览会的水晶宫结构的桁架之间采用了弦支梁结构檩条。建于1876年费城博览会展馆的国际展厅屋盖同样采用了弦支梁结构。

最早提出弦支梁结构概念的是MasaoSaito。在1979年Madrid召开的IASS年会上,Masao提出了弦支梁结构形式,并研究了其基本受力特性和分析计算原理。1998年,天津大学教授刘锡良率先在国内对张弦梁结构开展了系统、深入的研究,当时由于直接取其日语“张弦梁”定义,故“张弦梁”的名称沿用至今。

截止到2008年,据不完全统计,全国已有51项平面弦支结构的工程应用。其中较为典型的工程项目有:国内第一个张弦梁结构——上海浦东国际机场航站楼,国内首个跨度超过100米的平面张弦结构——哈尔滨国际会展中心、采用双索的平面弦支结构——迁安文化会展中心。

1998年,刘锡良教授即开展了可分解空间型弦支结构的结构性能研究,但真正意义上的第一个双向张弦结构工程建于2005年,即深圳市福田交通综合枢纽换乘中心工程钢结构。此后,典型的工程应用有2008年北京奥运会国家体育馆双向张弦结构、2008年北京奥运会乒乓球馆辐射张弦结构等大型工程。

弦支穹顶结构是1993年由日本川口卫教授提出,并应用到日本跨度为35.4米的光丘穹顶。笔者1996年在日本跟随川口卫教授做博士后时,对此进行了一些研究,并于1998年回国后在中国博士后科研基金的支持下,在国内首先对弦支穹顶结构开展了系统深入的研究,并参与设计完成了国内第一座中大跨度弦支穹顶结构——天津保税区国际商务交流中心大堂屋盖结构。随后,国内浙江大学、北京工业大学、东南大学、北京建筑工程研究院、清华大学等单位也开始对弦支穹顶结构的结构性能和施工技术进行了理论和试验研究。2007年,建成国内第一座大跨度弦支穹顶结构——2008北京奥运会羽毛球馆。截至目前,据不完全统计,国内已有23项弦支穹顶结构工程,其中最大的球形弦支穹顶结构为济南奥体中心体育馆,跨度为122米;最大的椭球形弦支穹顶结构为大连市体育馆,跨度为145米。

柳州奇石博物馆经过优化分析后采用了弦支筒壳结构。辽宁华福印染公司的厂房结构屋盖为筒壳形,矢跨比小,经过方案比较,采用了弦支单层网壳结构,网格形式为三向网格,最终结构用钢量为50千克/平方米。天津大港发电厂干煤棚屋盖结构跨度大,结构布置受生产工艺影响大,经过分析整体采用了大跨度门式刚架与弦支筒壳复合结构体系,屋盖部分采用了弦支双层筒壳结构,用钢量约为55千克/平方米。弦支筒壳结构在这两个工程的应用经验可为类似工程提供参考依据和指导。

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