建筑索结构设计

建筑索结构设计建筑索结构设计——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绞线的数量。建筑用钢丝束:(f)5×7～(f)5×649(f)7×7～(f)7×649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(wirerope):由钢丝束围绕绳芯扭绞而成，绳芯可采用纤维芯或钢芯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。纤维芯钢丝绳（6×19）钢芯钢丝绳（6×19）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拉索的应力——应变关系：AN=sLLD=e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ep0.1mm/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1.9×105MPa；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：gR为拉索的抗力分项系数，取2.0。maxkkRNfPfffAAg£==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，适用性最强近似两节点单元(可考虑任意方向荷载)，通用软件不具有，适用于桅杆结构中的拉索悬链线单元(仅考虑竖向自重)通用软件不具有，仅适用于室内索三、计算分析中的基本定义1.主动索和被动索2.索结构的三个状态和分析类别3.找形分析时是否考虑自重4.索结构的几何5.索结构的位移定义6.索结构的刚度特征7.“索杆体系”和“索梁体系”1.主动索和被动索主动索：受张拉的索段，原长改变、控制拉力，张拉完毕后予以固定。被动索：张拉前两端固定于结构节点，张拉中原长不变、拉力变化。2.索结构的三个状态和分析类别建筑索结构形成的一般步骤：搭设支承体系、安装钢结构构件和被动索→零状态；张拉主动索、撤除支承体系、形成自平衡体系→初始状态；荷载作用下→工作状态。3.找形分析时是否考虑自重如果在自重作用下调整主动索预张力至给定值后进行固定，结构初始状态是主动索预张力效应和结构自重效应共同作用下的平衡状态，找形分析时意味着应该同时考虑自重作用。如果是在无自重作用情况下张拉主动索至给定值并进行固定，然后再将结构安装就位，可将与给定主动索力对应的平衡状态作为初始状态，结构自重在找形分析时可不考虑，但应作为恒载的一部分在计算工作状态时考虑。4.索结构的几何定义零状态几何——构件制作和拼装时的几何；初始状态几何——结构施加预张力完成后的几何；工作状态几何——外部荷载作用下结构达到的几何。图纸几何——建筑设计图纸中所规定的结构几何，是已知的。结构的初始状态几何应该等于图纸几何相吻合、是已知的；结构的零状态几何必须依据图纸几何确定、是未知的。实际计算时可考虑以下两种情况：(1)初始状态几何可不严格满足图纸几何→零状态几何=图纸几何结构刚度较大预张力变形很小、预张力变形与自重效应抵消时,非线性分析法：将图纸几何取为零状态几何，按图纸几何建立计算模型，进行非线性分析计算得到结构的初始状态的几何和内力。(2)初始状态几何与图纸几何吻合→初始状态几何=图纸几何结构较柔预张力变形较大、或预张力变形与自重效应迭加时，“拆杆加力法”：将图纸几何取为结构的初始状态几何，按图纸几何建立计算模型，拆除主动索在其两端节点加上主动索力，进行线性分析确定与图纸几何对应的预张力平衡内力5.索结构的位移定义结构自零状态至初始状态会产生位移，结构在外部荷载作用下自初始状态至工作状态也会产生位移，结构的位移有两种可能的定义：位移一：结构自零状态至工作状态的位移；位移二：结构自初始状态至工作状态的位移。位移一位移二位移一位移二对结构位移进行限制是考虑结构正常使用极限状态的要求。正常使用极限状态要考虑两个方面的因素：结构的位移不会影响结构的几何外观；结构的位移不致造成维护面板的漏水从而影响使用功能。从几何外观方面考虑，结构正常使用极限状态验算时的位移应以图纸几何为基准；从使用功能方面考虑，结构验算时的位移应以初始状态时的几何为基准，因为维护面板一般都是在结构达到初始状态即张拉安装完成后安装的。当初始状态几何等于图纸几何时，无论考虑几何外观还是使用功能，均应取位移二作为结构验算时的位移。当结构的零状态几何等于图纸几何时，从几何外观方面考虑，位移应取为位移一；从使用功能方面考虑，位移应取为位移二。结构设计时，应根据具体的结构体系和施工安装情况选择合适的位移作为结构正常使用极限状态验算时的位移指标。6.索结构的刚度特征(1)轻型和高效高强度的索体材料可以大大降低受拉构件的自重；索结构的预张力分布可以抵消恒载作用效应，并贡献应力刚度。(2)刚度的线性和非线性特征索单元对结构的刚度贡献包含截面刚度EA/L和应力刚度sA/L，#索结构中可以存在机构或瞬变自由度索单元的截面刚度仅是轴向的，但应力刚度是空间三向的，#索结构本质上是一种非线性结构应力刚度变化、索受压会退出工作。可按线性结构计算的条件：各自由度均存在截面刚度、索始终只受拉原因：截面刚度比应力刚度高2-3个数量级，应将索预张力引起的结构内力分布与荷载效应进行迭加。(3)刚性结构、半刚性结构和柔性结构刚性结构：各个自由度方向均存在截面刚度时；柔性结构：大部分自由度方向仅存在应力刚度，索结构刚度较小并呈现明显的非线性特征；半刚性结构：部分自由度方向（如平面内）存在截面刚度而其他方向（如平面外）仅存在应力刚度。7.“索杆体系”和“索梁体系”索结构的计算和设计中，初始状态的确定是至关重要的。在初始状态基础上，可以进行结构工作状态和零状态的分析。而索结构初始状态的形成直接取决于施工张拉过程中结构单元及其体系的变形特征。(1)变形不协调单元和变形协调单元结构单元在预张力施加过程中的变形可能有两种情况。变形不协调单元变形不协调单元::““索索””或或““杆杆””单元：单元：不随主动索张拉而同步变形的单元。不随主动索张拉而同步变形的单元。变形协调单元变形协调单元::““梁梁””单元单元随主动索张拉而同步变形的单元。随主动索张拉而同步变形的单元。(2)“索杆体系”的定义及其初始状态确定方法由“索”或“杆”单元构成的建筑索结构，初始状态仅需满足平衡条件。情况一：初始状态几何给定，可具有不同的初始状态平衡内力。情况二：初始状态几何不定在给定的边界条件下，可具备不同的形状和对应的平衡内力。——索网(3)“索梁体系”的定义及其初始状态确定方法“索梁体系”中存在变形协调的“梁”单元和不协调的“索”“杆”单元。“梁”单元的内力必须根据主动索张拉过程中产生的协调变形进行计算，“索梁体系”的内力分布应满足平衡条件和“梁”单元变形协调的条件。“索梁体系”的初始状态取决于所设定的主动索预张力值，这一数值必须使结构体系满足结构正常使用和承载能力极限状态的要求。情况一：不要求初始状态几何满足图纸几何（零状态几何等于图纸几何）计算模型按图纸几何取用，引入主动索张力，计算在主动索张拉力作用下达到平衡状态的结构的结构内力和相应的几何，得到初始状态。情况二：要求初始状态几何满足图纸几何（初始状态几何等于图纸几何）直接取图纸几何为初始状态几何，采用“拆杆加力法”、按线性分析方法计算得到在图纸几何上满足平衡条件的一组预张力分布。但零状态几何必须在初始状态基础上拆除主动索进行非线性计算分析得到。——施工过程分析四、建筑索结构的分类按预张力施加过程中的变形特征：索杆体系和索梁体系按索结构的刚度特征：刚性结构、半刚性结构和柔性结构按索结构的构造情况：平面：索桁架、张弦梁、斜拉梁、悬挂梁层面：单层索网空间：索网格、弦支穹顶、索穹顶……索桁架张弦梁斜拉梁悬挂梁索网在索网的大部分自由度方向只存在预张力刚度，并且索网一般存在多于一组的预张力分布，因此它是柔性的索杆体系。索网格索网格结构在竖向的刚度主要由预张力提供，在平面内的刚度由截面和预张力两者提供。索网格存在多于一组的预张力分布，因而索网格也可归为柔性的索杆体系。弦支穹顶弦支穹顶的顶部和斜拉索结构中的下部由梁系组成，其他部位的索杆节点平面外刚度由预张力提供。梁系刚度很大时，呈现刚性结构的特征，反之为半刚性结构。这类结构属于初始协调体系。在索穹顶结构中，大部分自由度方向只存在预张力刚度，结构体系由“索”和“杆”离散构成，所以索穹顶结构是柔性的初始平衡体系。索穹顶五、初始状态找形11.几何给定索杆体系（设计几何等于初始状态几何）2.