預應力拉索索夾節(jié)點類型及應用現(xiàn)狀

王國慶

(中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013)

0 引言

建筑索結構在大跨空間結構領域越來越多的得到了應用。索結構是用索作為主要受力構件而形成的結構體系，常見形式有：懸索結構、斜拉結構、張弦結構、索穹頂?shù)取＝ㄖ鹘Y構具有抗震性能、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)點是索結構中重要的節(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)點構造與分類

索夾節(jié)點作為一種連接索體和相連構件的節(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構[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構和預應力技術的發(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。預應力鋼結構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扭轉捻制，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，其結構緊湊，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)境對索內部的腐蝕，其使用壽命明顯提高。據(jù)統(tǒng)計，國內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。可滑動索夾可大致分為兩類：

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，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，拉索張拉結束后將轉軸焊死并將兩側的內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構屋蓋的球殼部分采用了弦支穹頂結構，弦支穹頂結構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構體系——弦支穹頂疊合拱結構，如圖11所示。結構中的索撐節(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構中的索撐下節(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)目障叮糜趭A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架結構，網架結構由中間的8組四叉鋼斜撐和上下(東西)兩側的混凝土斜柱、左右(南北)兩側的混凝土直柱共同組成屋蓋結構的豎向構件，同時兼作屋蓋結構的抗側力構件[8]，如圖13，圖14所示。

2)半圓蓋合型。

半圓蓋合型索夾的構造特點為：索夾由兩部分構成，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側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構屋蓋均采用弦支穹頂結構體系，由上弦單層圓形網殼、下弦環(huán)索與徑向拉桿、豎向撐桿組成，環(huán)索轉折處的索撐節(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)索的結構中。

樂清市體育中心體育場屋面承重結構采用索桁體系。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構，結構連接部分為矩形桁架結構，這使得上弦平面內剛度加大，傳遞了兩樓間的水平地震力，同時也可以作為主中庭側立面索網幕墻及雙向張弦屋蓋的受力構件。主中庭屋蓋采用雙向張弦結構，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構下弦節(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”。

在幕墻索結構中，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，對于索結構中出現(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，可以調整化學元素的成分和組織結構以滿足工程對節(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。在國內的實際工程中，鑄鋼材料牌號為G20Mn5使用最為廣泛，它與國內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 結語

本文結合工程實例對預應力索夾節(jié)點進行了分類總結，介紹了各類索夾節(jié)點的結構構造、受力特點、應用范圍以及選材方法。隨著新結構的產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。