建筑索结构设计-概念、方法和实例

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1、建筑索结构设计——概念、方法和实例张其林同济大学土木工程学院2008年9月22日石、土、木钢筋混凝土钢材索和膜受压为主受拉为主充气整体张拉压+拉+充气+整体张拉？主要内容q索的构成和力学性能q索的计算模型q计算分析中的基本定义q建筑索结构的分类q初始状态找形q设计验算中的基本概念q工程实例简介一索的构成和力学性能索——拉杆、拉索拉杆——杆身+锚头+调节套筒杆身:合金钢、不锈钢不锈钢：建筑幕墙结构，直径F12～F60合金钢：建筑主体结构，直径F20～F210强度级别235级、345级、460级、550级和650级锚头：叉

2、耳式（U型）、单耳式（O型）、螺杆式（I型）U型锚头O型锚头I型锚头型号规格：LG-abD×LLG表示拉杆；a、b表示拉杆两端的锚头形式；D表示直径；L表示长度。一直径150mm、长度6000mm、两端锚头均为U型的钢拉杆标记为：LG-UU150×6000。拉索——索体+护层+锚具索体：钢丝束索体、钢丝绳索体钢丝束索体(spiralstrand)：由单股高强度钢丝或钢绞线按平行或半平行方式扭绞而成,高强度钢丝的直径一般为5mm和7mm。型号一般表示为:(f)d×N，其中d为高强钢丝或钢绞线的直径，N为索体中高强钢丝或钢

3、绞线的数量。建筑用钢丝束:(f)5×7～(f)5×649(f)7×7～(f)7×649钢丝绳索体(wirerope):由钢丝束围绕绳芯扭绞而成，绳芯可采用纤维芯或钢芯纤维芯钢丝绳（6×19）钢芯钢丝绳（6×19）高强度钢丝直径小于5mm膜结构可采用纤维钢丝绳，其他建筑应采用钢芯钢丝绳钢丝绳索体的规格一般表示为：N×MN为绳中钢丝束的股数（不计绳芯）M为每股钢丝束中高强钢丝的数量建筑和桥梁结构中钢丝绳的规格范以6×M居多。护层：简单防护和多层防护——防腐简单防护——对钢丝和钢绞线镀芯、锌铝、防护漆、环氧喷涂——对光索体包

4、裹防护套多层防护——对钢丝和钢绞线经防腐处理后再对索体包裹防护套或润滑材料加防护套多层防护——对高强钢丝和钢绞线经防腐处理后再对索体包裹防护套或润滑材料加防护套。室内非腐蚀环境：索体可采用简单防护处理其它情况：索体应采用多层防护处理具体要求宜根据不同工程不同索材在设计中注明。索体护层材料宜选用高密度聚乙烯。锚具：冷铸锚——锚杯内冷铸带钢丸的有机结合剂热铸锚——锚杯内填充浇注低熔点合金压接锚——钢板与索体通过压力机挤压成型夹片锚——热加工后的钢夹片与索体自锁镦头锚——钢丝或钢绞线端头加工成镦头卡在夹板上锚具组件为低合金结

5、构钢压接锚锚具宜应用于直径<44mm的索体，√索体直径超过规定数值时应进行试验验证。热铸锚锚杯的坯件可选用锻件或铸件，√锻件材料应为优质碳素结构钢或合金结构钢。耐久性较好冷铸锚锚杯的坯件宜选用锻件，耐久性较差，多用于斜拉桥中的斜拉索销轴、螺杆的坯件应选用锻件。锚具的强度应符合钢索破断后而锚具和连接件均不能破断的准则，必要时应通过试验来确定。按连接方式锚具可分为销轴式连接和螺纹式连接；按调节形式可分为固定式连接和可调式连接；对于可调式连接可采用螺栓调整、套筒调整；按组成形式可分为叉耳式、单耳式。索的应力应变曲线和力学性能

6、拉索的应力——应变关系：se==DNLAL松弛新索的应力——应变关系松弛新索：未经反复张拉消除残余应变的新索；张紧索：反复加卸载若干次后已消除了大部分残余应变，再次加载并卸载后只有较小的残余应变，例如ep<0.1mm/m。张紧索在一定的加载范围内可视为线弹性的，其弹性模量一般比松弛新索高20—30%。一般松弛新索经10次循环加卸载后就可消除大部分残余应变。高强钢丝和钢绞线的弹性模量在1.9×105MPa的数量级上，索体的弹性模量一般小于钢丝和钢绞线自身的弹性模量。弹性模量要求：钢丝束索体的弹性模量不应小于1.9×105

7、MPa；钢丝绳索体的弹性模量：单股不应小于1.4×105MPa，多股不应小于1.1×105MPa。设计强度：桥梁结构中拉索的安全系数K=2.5建筑结构中考虑可靠度指标4.2，可取材料抗力系数为2.0相应的安全系数大于等于2.5钢丝束公称破断力［荷载]为高强钢丝的标准抗拉强度乘以钢丝束的公称截面面积，钢丝束拉索静载破断荷载不应小于索体公称破断荷载的95%。钢丝绳公称破断力［荷载］有整绳破断力和钢丝绳内钢丝破断力总和两种测定方法，钢丝绳拉索的最小破断荷载不应低于相应规范规定的最小破断力。拉索抗拉强度按下式设计或验算：NfP

8、maxk£fff==kAAgRgR为拉索的抗力分项系数，取2.0。二、索的计算模型基本假定：只受拉不受压和弯；线弹性材料。较细较短的索，自重影响不大将索的自重等效作用到两端节点处可采用直线两节点线单元。较粗较长的索，自重影响较大，宜采用能考虑跨中自重的单元多段直线两节点单元(可考虑人与方向荷载)，通用和专业软件均具有，适用性最强近