1、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(nèi)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(nèi)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之一，已在國內(nèi)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

2、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(nèi)外學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

3、材料的構成要素進行分類，大致可分成鋼絲繩、鋼餃線、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(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壽命。鋼絲繩的強度和彈性模量低于鋼絞線，其優(yōu)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1X7;也有多根鋼絲，如19根、37根等捻成

4、的鋼絞線；國內(nèi)常用1X7鋼絞線或由多根1X7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(xiàn)場制作。半平行鋼絲束拉索在工廠內(nèi)全部制造完成，產(chǎn)品以盤卷的成品方式提供，適合于工地現(xiàn)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

5、越江工程等。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1960兆帕等級另L彈性模量一般不小于1.90X105兆帕。鋼絲束的優(yōu)點是能充分發(fā)揮軸向拉力和高彈性模量的

6、力學性能。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(yōu)異的抗腐蝕性能和綜合的力學性能。國內(nèi)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(shù)，對于前兩者，拉索的制作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

7、略拉索餃捻特性，國內(nèi)按普通型鋼將拉索膨脹系數(shù)取為1.2X10-5/C,有時取為1.84X10-5/C和1.12X10-5/C。國外對于拉索膨脹系數(shù)的取值也有3.9X10-6/C和1.2X10-5/C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、考慮拉索較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)，天津大學鋼結構研究所設計制作了兩種拉索線膨脹系數(shù)測定儀器一一空氣加熱索線膨脹系數(shù)測定儀器和水域加熱索線

8、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：1.92X10-5/C、1.38X10-5/C、1.87X10-5/C。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。弦支結構一一天津大學鋼結構研究所從1998年開始，在研究弦支梁（即張弦梁卜弦支桁架（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(zhì)，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

9、度，改善上部構件的受力形式，并通過調(diào)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(zhì)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(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(nèi)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GeorgLudwigFriedrichLaves,發(fā)明了一種預應力梁“Laves

10、beam”,他把梁分成上層和下層兩部分，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楝條。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(nèi)對張弦梁結構開展了系統(tǒng)、深入的研究，當時由于直

11、接取其日語“張弦梁”定義，故“張弦梁”的名稱沿用至今。截至2008年，據(jù)不完全統(tǒng)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(nèi)第一個張弦梁結構一一上海浦東國際機場航站樓，國內(nèi)首個跨度超過100米的平面張弦結構一一哈爾濱國際會展中心、采用雙索的平面弦支結構一一遷安文化會展中心。國內(nèi)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

12、1993年由日本川口衛(wèi)教授提出，并應用到日本跨度為35.4米的光丘穹頂。筆者1996年在日本跟隨川口衛(wèi)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(nèi)首先對弦支穹頂結構開展了系統(tǒng)深入的研究，并參與設計完成了國內(nèi)第一座中大跨度弦支穹頂結構一一天津保稅區(qū)國際商務交流中心大堂屋蓋結構。隨后，國內(nèi)浙江大學、北京工業(yè)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(nèi)第一座大跨度弦支穹頂結構一一2008北京奧運會羽毛球館。截至目前，據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)已有23項弦支穹頂結構工程，其中

13、最大的球形弦支穹頂結構為濟南奧體中心體育館，跨度為122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(jīng)過優(yōu)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(jīng)過方案比較，采用了弦支單層網(wǎng)殼結構，網(wǎng)格形式為三向網(wǎng)格，最終結構用鋼量為50千克/平方米。天津大港發(fā)電廠干煤棚屋蓋結構跨度大，結構布置受生產(chǎn)工藝影響大，經(jīng)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(jīng)驗可為類似工程提供參考依據(jù)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

14、、索膜結構和索網(wǎng)結構作簡單介紹。斜拉結構一一是由主結構、塔柱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。索穹頂結構一一是由連續(xù)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(fā)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。索桁架結構一一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(wǎng)結構一一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