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索结构在建筑领域的应用与发展

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。本文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。

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)和柔性预应力钢结构(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。

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。

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广泛应用。

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