王國慶

(中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013)

0 引言

建筑索結(jié)構(gòu)在大跨空間結(jié)構(gòu)領域越來越多的得到了應用。索結(jié)構(gòu)是用索作為主要受力構(gòu)件而形成的結(jié)構(gòu)體系，常見形式有：懸索結(jié)構(gòu)、斜拉結(jié)構(gòu)、張弦結(jié)構(gòu)、索穹頂?shù)?。建筑索結(jié)構(gòu)具有抗震性能、力學性能優(yōu)良，最大程度利用材料的特性，施工方便，建筑造型靈活，能夠較為經(jīng)濟的實現(xiàn)大跨度等特點，被廣泛應用于體育場館、會展中心、大型交通樞紐建筑等，如日本的代代木體育館(見圖1(a))、蘇州奧體中心體育場(見圖1(b))、石家莊會展中心(見圖1(c))、上海浦東國際機場航站樓(見圖1(d))。拉索索夾節(jié)點是索結(jié)構(gòu)中重要的節(jié)點之一，主要是由拉索、主體、壓板和高強螺栓組成。索夾節(jié)點因索夾構(gòu)造不同大致可以分為可滑動索夾和不可滑動索夾。

1 索夾節(jié)點構(gòu)造與分類

索夾節(jié)點作為一種連接索體和相連構(gòu)件的節(jié)點，主要由拉索、主體、壓板和高強螺栓組成。主體與非索構(gòu)件相連，壓板通過高強螺栓與主體相連，主體與壓板預留安裝索體的孔道，通過對高強螺栓施加緊固力使主體與壓板共同夾持住索體[1]，索體在壓板中不應滑移，壓板與索體的摩擦力應大于兩側(cè)索體的索力差，同時采取保護措施保證索體的防護層不被擠壓損壞。索夾節(jié)點因拉索類型和索夾類型不同而有明顯的區(qū)別。拉索按照索體受力不同分為柔性索和勁性索。一般情況下，勁性索主要指鋼拉桿，而柔性索主要指鋼絲索，包括鋼絲繩、鋼絲束、鋼絞線、密閉索等。索夾根據(jù)構(gòu)造不同大致可分為可滑動索夾和不可滑動索夾。

1.1 拉索分類

1)鋼絲繩。

鋼絲繩是由多個索股圍繞一個繩芯螺旋捻制而成，繩芯可以是纖維芯、鋼芯或固態(tài)聚合物芯，鋼芯可以是一個繩股，也可以是獨立的鋼絲繩，如圖2所示。鋼絲繩索體中各層鋼絲同向捻制，常用截面形式為7×7，7×19和7×37三種。鋼絲繩比較柔軟，施工安裝方便，相比于單個索股組成的鋼絞線和鋼絲束具有更強的彎曲能力，它適用于曲率較大的結(jié)構(gòu)[2]。因其強度和彈性模量低，捻制系數(shù)大，外觀防腐性能較差等弊端日漸不能滿足建筑索結(jié)構(gòu)和預應力技術的發(fā)展要求。

2)鋼絞線。

鋼絞線是由多根高強鋼絲呈螺旋形絞合而成，為延長拉索的使用壽命，鋼絲上可以鍍鋅、Galfan涂層或者外包PE，HDPE塑料護套等，如圖3所示。鋼絞線的捻向有左捻、右捻，多層鋼絞線的最外層鋼絲的捻向與相鄰內(nèi)層鋼絲的捻向相反。根據(jù)鋼絲層數(shù)不同，通常有3根、7根、19根等，大直徑的鋼絞線的規(guī)格有1×61，1×91，1×127等。鋼絞線具有破斷力大、柔性好、施工便利等優(yōu)點。預應力鋼結(jié)構(gòu)通常采用七絲鋼絞線，即由6根鋼絲緊密螺旋在1根中心鋼絲上組成[3]。

3)鋼絲束拉索。

鋼絲束根據(jù)高強鋼絲是否平行排列可分為平行鋼絲束和半平行鋼絲束。

平行鋼絲束將高強鋼絲按照正六邊形截面平行排列，并攏扎緊，然后穿以護套制成，如圖4所示。平行鋼絲束由于未經(jīng)扭轉(zhuǎn)捻制，其力學性能與單根鋼絲十分相近，具有高強度、低松弛、防腐性能好、抗疲勞性能強等優(yōu)點。

半平行鋼絲束是將平行的鋼絲束作輕度扭絞(3°±0.5°)，在索體最外層熱擠聚乙烯(PE)套管作護套，如圖5所示。輕度扭絞不僅不會削減拉索的彈性模量和疲勞性能，反而提高了其彎曲性能，因而可以盤繞在卷筒上，方便于長途運輸。綜合以上優(yōu)勢，目前工程中半平行鋼絲束的應用相比平行鋼絲束更加普遍[4]。

4)密閉索。

密閉索即封閉索，它也是由多層高強鋼絲螺旋捻制而成，相鄰層的捻制方向相反[5]，其最大特點在外層鋼絲為異形截面。異形截面鋼絲面面接觸，提高了密實度以達到“封閉”的效果。密閉索最外層的異形鋼絲通常為“Z”形，往內(nèi)可以有梯形鋼絲，如圖6，圖7所示。外層的Z形鋼絲彼此緊扣形成密閉狀態(tài)，可以有效地阻止外部水分進入到內(nèi)層鋼絲中。當索體的最外層為“H”形鋼絲時，外層索絲之間基本為線性接觸，則形成了半封閉索，如圖8，圖9所示。

密閉索相比于其他形式的拉索有眾多的優(yōu)勢：

a.密實系數(shù)大。

密閉索的外層索絲之間為面接觸，其結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定，相比于鋼絲繩，封閉索的密實系數(shù)增加了將近50%，可以達到0.91。

b.抗滑移性能強。

由于最外圈鋼絲為異形截面，索體與索孔道之間呈面接觸，增大了與套筒的接觸面積，有利于提高抗滑移摩擦力。

c.耐磨性能好，抗疲勞能力強。

索絲之間呈面接觸，索絲之間的接觸力小，減少了應力集中的現(xiàn)象。密閉所相鄰索絲層之間是反向捻制，相比于同向捻制，各索絲層之間的摩擦損耗小。

d.彈性模量大。

由于外層異形鋼絲的包圍，索絲之間摩阻力大，相互約束，在荷載作用下延伸率小。

e.耐久性好，使用壽命長。

外層的異形鋼絲接觸緊密，能夠有效地降低環(huán)境對索內(nèi)部的腐蝕，其使用壽命明顯提高。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)的密閉索的使用壽命相對于普通鋼絲繩提高了5倍。

f.自鎖性能強。

Z形鋼絲在使用過程中即使斷絲也不易發(fā)生跳絲現(xiàn)象。

g.抗扭性能好，平穩(wěn)性高。

由于相鄰鋼絲是反向捻制的，具有良好的不旋轉(zhuǎn)特性，它的抗扭性能和平穩(wěn)性要優(yōu)于其他拉索。

1.2 可滑動索夾

可滑動索夾是指在拉索張拉過程中可以進行滑動，在拉索張拉完成后再進行固定，其主要是采取了一些降低摩擦力的方法?？苫瑒铀鲓A可大致分為兩類：

1)在鑄鋼節(jié)點的基礎上進行改良，即在鑄鋼索夾孔內(nèi)設置不銹鋼墊板和聚四氟乙烯板來降低摩擦力[6]。

2)在索夾上增設滾軸，使拉索可繞滾軸旋轉(zhuǎn)，將滑動摩擦改為滾動摩擦形式，有效地降低了摩擦力和預應力損失，拉索張拉結(jié)束后將轉(zhuǎn)軸焊死并將兩側(cè)的內(nèi)壓板與外壓板用螺栓固定將拉索卡緊充分固定[7]，如圖10所示。

山東茌平體育館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的球殼部分采用了弦支穹頂結(jié)構(gòu)，弦支穹頂結(jié)構(gòu)部分與上部空間曲線拱通過撐桿連接在一起，形成了一種新型的空間結(jié)構(gòu)體系——弦支穹頂疊合拱結(jié)構(gòu)，如圖11所示。結(jié)構(gòu)中的索撐節(jié)點采用了滾動式張拉索節(jié)點，如圖12所示。

1.3 不可滑動索夾

不可滑動索夾指在施工和使用過程中索夾和拉索之間不能發(fā)生滑移，多用于弦支穹頂和張弦結(jié)構(gòu)中的索撐下節(jié)點，因為節(jié)點復雜且尺寸較大，通常采用鑄鋼材料。不可滑動索夾根據(jù)其構(gòu)造形式大致可以分為：半圓對合型、半圓蓋合型、貼板壓合型和多塊組裝型等四種類型。

1)半圓對合型。

半圓對合型的構(gòu)造特點為：索夾由兩塊對稱的夾板組成，每塊夾板按照拉索的直徑開有近似半圓形的索孔道。夾板之間留有適當?shù)目障?，用于夾板之間對合安裝和施加螺栓的緊固力。由于索夾鑄鋼件的剛度較小，從而發(fā)生彈性變形，索孔道表面與拉索壓實接觸，壓應力分布較為均勻。

新鄭國際機場航站樓的屋面為斜放四角錐空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)由中間的8組四叉鋼斜撐和上下(東西)兩側(cè)的混凝土斜柱、左右(南北)兩側(cè)的混凝土直柱共同組成屋蓋結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件，同時兼作屋蓋結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件[8]，如圖13，圖14所示。

2)半圓蓋合型。

半圓蓋合型索夾的構(gòu)造特點為：索夾由兩部分構(gòu)成，主體連接撐桿，為環(huán)向索和徑向索的交匯處，其索孔道通常設計為半圓凹槽，并在半圓的切線方向適當延長。下蓋板為和主體索孔道內(nèi)側(cè)咬合的弧形索孔道的鑄鋼件，主體與下蓋板通過沉孔式高強螺栓進行連接。由于上下蓋板的剛度較大，近似視為不會發(fā)生彈性變形的剛體，所以索體和索孔道接觸不充分，從而壓應力分布不均勻。

2008奧運會羽毛球館和三亞體育中心體育館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋均采用弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系，由上弦單層圓形網(wǎng)殼、下弦環(huán)索與徑向拉桿、豎向撐桿組成，環(huán)索轉(zhuǎn)折處的索撐節(jié)點采用半圓蓋合型索夾[9]，如圖15,圖16所示。

3)貼板壓合型。

貼板壓合型索夾的構(gòu)造特點為：索夾主體有多個用于固定拉索的凹槽孔道，以索孔道為對稱軸留有貼板的安裝空間，貼板為留有一定弧度的鑄鋼件。貼板壓合型索夾可以滿足多根拉索同時受力和固定，多用于弦支穹頂、索穹頂?shù)葞в卸喔h(huán)索的結(jié)構(gòu)中。

樂清市體育中心體育場屋面承重結(jié)構(gòu)采用索桁體系。大跨度空間索桁體系主受力索為上、下弦索和環(huán)索，上、下弦索通過吊索維持形狀。外圈鋼環(huán)梁與斜柱利用其整體水平剛度作為索桁體系的有效支承。連接吊索下節(jié)點的環(huán)向索為構(gòu)造索，用于平衡支承屋面拱梁的水平推力[10]，如圖17，圖18所示。

4)多塊組裝型。

多塊組裝型索夾的構(gòu)造特點為：多塊組裝型索夾由多片夾具組成，每片夾具都留有索孔道凹槽，相鄰的夾具索孔道配對加工。它多用于多個方向的拉索交匯位置，連接不同方向和不同高度的拉索。

中國石油大廈中間兩座塔樓為空腹桁架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)連接部分為矩形桁架結(jié)構(gòu)，這使得上弦平面內(nèi)剛度加大，傳遞了兩樓間的水平地震力，同時也可以作為主中庭側(cè)立面索網(wǎng)幕墻及雙向張弦屋蓋的受力構(gòu)件。主中庭屋蓋采用雙向張弦結(jié)構(gòu)，為方便兩座塔樓之間的通行，在塔樓之間安裝了吊橋，吊橋由中庭的雙向張弦結(jié)構(gòu)下弦節(jié)點下垂的不銹鋼索懸吊[11]，如圖19，圖20所示。

2 索夾選材

索夾材料的選擇需要結(jié)合節(jié)點類型、造價等因素綜合考慮，總的原則是“小型索夾采用鋼板加工，大型索夾宜采用鑄鋼件”。

在幕墻索結(jié)構(gòu)中，索夾的體積較小且數(shù)量較多，所以多采用鋼板進行加工。而大型索夾一般采用Q345，Q390，Q420等低合金鋼或鑄鋼件，對于索結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的大型且形態(tài)復雜的節(jié)點，主要以鑄鋼件為主。鑄鋼相對于低合金鋼有以下優(yōu)勢：

1)應用范圍廣且擁有更大的設計靈活性。鑄鋼可以根據(jù)實際工程的需要，生產(chǎn)出形狀復雜，受力合理的截面。它的易成型和易變形可以大大縮短加工時間，同時也可以改善節(jié)點的應力分布情況。

2)冶金制造的可變性。鑄鋼節(jié)點的化學元素和含量對鑄鋼的性能有很大的影響且要求嚴格，在制造時，可以調(diào)整化學元素的成分和組織結(jié)構(gòu)以滿足工程對節(jié)點的特殊要求。

3)避免了焊接的應力集中。鑄鋼節(jié)點是整體澆筑，避免了焊縫引起的應力集中現(xiàn)狀，改善了節(jié)點的抗疲勞性能。

索夾節(jié)點鑄鋼件的材料牌號宜選用ZG230-450H，ZG270-480H，ZG300-500H和ZG340-550H的鑄鋼件，也可選用德國標準的牌號G17Mn5QT，G20Mn5N和G20Mn5QT的鑄鋼件進行代替。在國內(nèi)的實際工程中，鑄鋼材料牌號為G20Mn5使用最為廣泛，它與國內(nèi)對應鑄鋼的合金含量相近，雖然價格略高，但是G20Mn5性能更優(yōu)。

3 結(jié)語

本文結(jié)合工程實例對預應力索夾節(jié)點進行了分類總結(jié)，介紹了各類索夾節(jié)點的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、受力特點、應用范圍以及選材方法。隨著新結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生和制造工藝的不斷優(yōu)化，索夾節(jié)點在類型、防腐蝕和抗滑極限承載力提高方面會不斷的發(fā)展和進步。