索结构在建筑领域的应用与发展

　　□陈志华

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利用这种预应力梁概念，在建于1851年的伦敦万国博览会的水晶宫结构的桁架之间采用了弦支梁结构檩条。建于1876年费城博览会展馆的国际展厅屋盖同样采用了弦支梁结构。
最早提出弦支梁结构概念的是MasaoSaito。在1979年Madrid召开的IASS年会上，Masao提出了弦支梁结构形式，并研究了其基本受力特性和分析计算原理。1998年，天津大学教授刘锡良率先在国内对张弦梁结构开展了系统、深入的研究，当时由于直接取其日语“张弦梁”定义，故“张弦梁”的名称沿用至今。
截至2008年，据不完全统计，全国已有51项平面弦支结构的工程应用。其中较为典型的工程项目有：国内第一个张弦梁结构——上海浦东国际机场航站楼，国内首个跨度超过100米的平面张弦结构——哈尔滨国际会展中心、采用双索的平面弦支结构——迁安文化会展中心。
国内刘锡良教授1998年最先开展了可分解空间型弦支结构的结构性能研究，而真正意义上的第一个双向张弦结构工程建于2005年，即深圳市福田交通综合枢纽换乘中心工程钢结构。此后，典型的工程应用有2008年北京奥运会国家体育馆双向张弦结构、2008年北京奥运会乒乓球馆辐射张弦结构等大型工程。
弦支穹顶结构是1993年由日本川口卫教授提出，并应用到日本跨度为35.4米的光丘穹顶。笔者1996年在日本跟随川口卫教授做博士后时，对此进行了一些研究，并于1998年回国后在中国博士后科研基金的支持下，在国内首先对弦支穹顶结构开展了系统深入的研究，并参与设计完成了国内第一座中大跨度弦支穹顶结构——天津保税区国际商务交流中心大堂屋盖结构。随后，国内浙江大学、北京工业大学、东南大学、北京建筑工程研究院、清华大学等单位也开始对弦支穹顶结构的结构性能和施工技术进行了理论和试验研究。2007年，建成国内第一座大跨度弦支穹顶结构——2008北京奥运会羽毛球馆。截至目前，据不完全统计，国内已有23项弦支穹顶结构工程，其中最大的球形弦支穹顶结构为济南奥体中心体育馆，跨度为122米；最大的椭球形弦支穹顶结构为大连市体育馆，跨度为145米。
柳州奇石博物馆经过优化分析后采用了弦支筒壳结构。辽宁华福印染公司的厂房结构屋盖为筒壳形，矢跨比小，经过方案比较，采用了弦支单层网壳结构，网格形式为三向网格，最终结构用钢量为50千克/平方米。天津大港发电厂干煤棚屋盖结构跨度大，结构布置受生产工艺影响大，经过分析整体采用了大跨度门式刚架与弦支筒壳复合结构体系，屋盖部分采用弦支双层筒壳结构，用钢量约为55千克/平方米。弦支筒壳结构在这两个工程的应用经验可为类似工程提供参考依据和指导。
由于篇幅有限，笔者对斜拉结构、索穹顶结构、索桁架结构、索膜结构和索网结构作简单介绍。斜拉结构——是由主结构、塔柱和拉索构成的一种索结构形式。斜拉结构多用于桥梁结构，即斜拉桥。索穹顶结构——是由连续的拉索和间断的压杆构成的一种自平衡、自应力结构体系，是目前最接近Fuller张拉整体结构思想的结构体系。由于该结构体系主要以拉杆为主，因此构件材料强度得以充分发挥，尤其是采用强度本身就很高的拉索材料，因此索穹顶结构的自重较轻，跨越能力较大。索桁架结构——是由飞柱和索组成的索结构，可分为平面索桁架结构和空间索桁架结构。平面索桁架结构多用于玻璃幕墙，属于双层索系结构，包含鱼腹式索桁架和自平衡索桁架。索膜结构和索网结构——膜结构主要包括充气膜结构、气承结构、张拉膜结构三类，其中张拉膜结构又包括悬吊式膜结构和骨架式膜结构，两者都是以钢索和钢结构件为主承重结构传递膜面外界荷载的，因此张拉膜结构又称为索膜结构。
索结构体系作为一种主要的预应力钢结构体系，其体系越来越丰富，发展速度越来越多快，科学体系越来越完整，工程应用也越来越多，从整体上来看，我国在弦支结构、斜拉结构、索网结构、索膜结构等方面的建造技术水平代表了世界水平。但是在索穹顶结构方面，我国目前建造的最大跨度索穹顶落后于国外，因此今后还需在现有的实践和理论基础上，继续对索结构，尤其是索穹顶结构的施工控制理论与设计优化理论进一步开展研究，使索结构体系能够得到健康发展。 (作者系天津大学教授、博士生导师，天津钢结构学会理事长)