三、索體材料的物理特性

拉索是預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件，因此對拉索基本特性的研究就顯得非常重要。拉索的基本力學(xué)特性包括彈性模量、抗拉強度以及溫度線膨脹系數(shù)，對于前兩者，拉索的制作廠家會提供給相應(yīng)的數(shù)值，但對于后者，一般按照經(jīng)驗取值。很多情況下，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計和研究大都忽略拉索鉸捻特性，國內(nèi)按普通型鋼將拉索膨脹系數(shù)取為1.2×10-5/℃，有時取為1.84×10-5/℃和1.12×10-5/℃。國外對于拉索膨脹系數(shù)的取值也有3.9×10-6/℃和1.2×10-5/℃兩種。拉索線膨脹系數(shù)取值的不確定性給預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的溫度性能分析帶來了極大的誤差。為解決這個問題，給設(shè)計單位提供一個較為準(zhǔn)確的、考慮拉索鉸捻特性的拉索線膨脹系數(shù)，消除預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的安全隱患，天津大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究所在國家自然科學(xué)基金的支持下，完成了相關(guān)的理論分析和試驗研究。

為了測定拉索的線膨脹系數(shù)，天津大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究所設(shè)計制作了兩種拉索線膨脹系數(shù)測定儀器——空氣加熱索線膨脹系數(shù)測定儀器和水域加熱索線膨脹系數(shù)測定儀器。通過理論分析和試驗研究，最終確定鋼絲繩、鋼絞線、半平行鋼絲束3種索材的線膨脹系數(shù)值分別為：1.92×10-5/℃、1.38×10-5/℃、1.87×10-5/℃。

四、建筑索結(jié)構(gòu)的形式、特點及工程應(yīng)用

目前，在工程中常用的建筑索結(jié)構(gòu)主要有弦支結(jié)構(gòu)、斜拉結(jié)構(gòu)、索穹頂結(jié)構(gòu)、索桁架結(jié)構(gòu)、索膜結(jié)構(gòu)和索網(wǎng)結(jié)構(gòu)6種結(jié)構(gòu)形式。

⑴弦支結(jié)構(gòu)

天津大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究所從1998年開始，在研究弦支梁（即張弦梁）、弦支桁架（即張弦桁架）和弦支穹頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)性能基礎(chǔ)上，研究和歸納了這兩種結(jié)構(gòu)的本質(zhì)，即用撐桿連接上部壓彎構(gòu)件和下部的受拉構(gòu)件，通過在受拉構(gòu)件上施加預(yù)應(yīng)力，使上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反撓度，從而減小荷載作用下的最終撓度，改善上部構(gòu)件的受力形式，并通過調(diào)整受拉構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力，減小結(jié)構(gòu)對支座產(chǎn)生的水平推力，使之成為自平衡體系，并將這種自平衡體系統(tǒng)稱為弦支結(jié)構(gòu)體系。課題組在研究弦支結(jié)構(gòu)體系本質(zhì)的基礎(chǔ)上，相繼提出了弦支筒殼結(jié)構(gòu)、弦支拱殼結(jié)構(gòu)、弦支混凝土樓板結(jié)構(gòu)、弦支鋼絲網(wǎng)架混凝土夾芯板結(jié)構(gòu)等多種弦支結(jié)構(gòu)，豐富了弦支結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)容。目前，弦支結(jié)構(gòu)體系已在大型的體育場館、會展文化中心、重大交通樞紐、大型廠房等國家重要基礎(chǔ)建設(shè)工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

在弦支結(jié)構(gòu)體系中，弦支梁或桁架（張弦梁和張弦桁架）是出現(xiàn)最早的一種弦支結(jié)構(gòu)。1839年德國建筑師Georg Ludwig Friedrich Laves，發(fā)明了一種預(yù)應(yīng)力梁“Lavesbeam”，他把梁分成上層和下層兩部分，兩者之間僅用立柱連接，通過這種方式梁的強度可以顯著提高，并用于Herrenhausen花園的溫室中，這是筆者目前查到的最早弦支梁的雛形。Paxton利用這種預(yù)應(yīng)力梁概念，在建于1851年的倫敦萬國博覽會的水晶宮結(jié)構(gòu)的桁架之間采用了弦支梁結(jié)構(gòu)檁條。建于1876年費城博覽會展館的國際展廳屋蓋同樣采用了弦支梁結(jié)構(gòu)。

最早提出弦支梁結(jié)構(gòu)概念的是MasaoSaito。在1979年Madrid召開的IASS年會上，Masao提出了弦支梁結(jié)構(gòu)形式，并研究了其基本受力特性和分析計算原理。1998年，天津大學(xué)教授劉錫良率先在國內(nèi)對張弦梁結(jié)構(gòu)開展了系統(tǒng)、深入的研究，當(dāng)時由于直接取其日語“張弦梁”定義，故“張弦梁”的名稱沿用至今。

截止到2008年，據(jù)不完全統(tǒng)計，全國已有51項平面弦支結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用。其中較為典型的工程項目有：國內(nèi)第一個張弦梁結(jié)構(gòu)——上海浦東國際機場航站樓，國內(nèi)首個跨度超過100米的平面張弦結(jié)構(gòu)——哈爾濱國際會展中心、采用雙索的平面弦支結(jié)構(gòu)——遷安文化會展中心。

1998年，劉錫良教授即開展了可分解空間型弦支結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能研究，但真正意義上的第一個雙向張弦結(jié)構(gòu)工程建于2005年，即深圳市福田交通綜合樞紐換乘中心工程鋼結(jié)構(gòu)。此后，典型的工程應(yīng)用有2008年北京奧運會國家體育館雙向張弦結(jié)構(gòu)、2008年北京奧運會乒乓球館輻射張弦結(jié)構(gòu)等大型工程。

弦支穹頂結(jié)構(gòu)是1993年由日本川口衛(wèi)教授提出，并應(yīng)用到日本跨度為35.4米的光丘穹頂。筆者1996年在日本跟隨川口衛(wèi)教授做博士后時，對此進(jìn)行了一些研究，并于1998年回國后在中國博士后科研基金的支持下，在國內(nèi)首先對弦支穹頂結(jié)構(gòu)開展了系統(tǒng)深入的研究，并參與設(shè)計完成了國內(nèi)第一座中大跨度弦支穹頂結(jié)構(gòu)——天津保稅區(qū)國際商務(wù)交流中心大堂屋蓋結(jié)構(gòu)。隨后，國內(nèi)浙江大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、東南大學(xué)、北京建筑工程研究院、清華大學(xué)等單位也開始對弦支穹頂結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能和施工技術(shù)進(jìn)行了理論和試驗研究。2007年，建成國內(nèi)第一座大跨度弦支穹頂結(jié)構(gòu)——2008北京奧運會羽毛球館。截至目前，據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)已有23項弦支穹頂結(jié)構(gòu)工程，其中最大的球形弦支穹頂結(jié)構(gòu)為濟南奧體中心體育館，跨度為122米；最大的橢球形弦支穹頂結(jié)構(gòu)為大連市體育館，跨度為145米。

柳州奇石博物館經(jīng)過優(yōu)化分析后采用了弦支筒殼結(jié)構(gòu)。遼寧華福印染公司的廠房結(jié)構(gòu)屋蓋為筒殼形，矢跨比小，經(jīng)過方案比較，采用了弦支單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格形式為三向網(wǎng)格，最終結(jié)構(gòu)用鋼量為50千克/平方米。天津大港發(fā)電廠干煤棚屋蓋結(jié)構(gòu)跨度大，結(jié)構(gòu)布置受生產(chǎn)工藝影響大，經(jīng)過分析整體采用了大跨度門式剛架與弦支筒殼復(fù)合結(jié)構(gòu)體系，屋蓋部分采用了弦支雙層筒殼結(jié)構(gòu)，用鋼量約為55千克/平方米。弦支筒殼結(jié)構(gòu)在這兩個工程的應(yīng)用經(jīng)驗可為類似工程提供參考依據(jù)和指導(dǎo)。

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