索結構的表現(xiàn)形式
根據(jù)受力特點可分為剛性和柔性索結構:
剛性索結構在荷載作用下滿足小變形假定,如斜拉結構、張弦結構(弦支穹頂)、預應力網(wǎng)格結構、索拱結構、索托結構等;
根據(jù)受力特點可分為剛性和柔性索結構:
柔性索結構的計算分析必須考慮幾何非線性效應,各項荷載效應之間不再滿足線性疊加原則,如懸索結構(單索結構、索網(wǎng)結構、雙層索系、橫向加勁索系)、索穹頂?shù)取?/p>
索結構節(jié)點類型:
端頭連接:螺栓錨固、螺栓接長、耳板銷軸
中間連接:夾緊、轉(zhuǎn)向、滑動
按索節(jié)點的連接功能分類:
張拉節(jié)點、錨固節(jié)點、轉(zhuǎn)折節(jié)點、交叉節(jié)點、索桿節(jié)點
按索節(jié)點的連接作用分類:
索與索的連接、索與剛性構件連接、索與支承構件連接、索與圍護結構連接
索與索的連接
同向拉索中間連接張緊
雙向拉索的連接
拉索與柔性邊索的連接
同向拉索中間連接張緊
雙向拉索的連接
拉索與柔性邊索的連接
同向拉索在中間節(jié)點改變方向
平面內(nèi)不同方向拉索之間連接
索與剛性構件連接
拉索與橫向加勁桁架下弦連接
撐桿與下弦拉索的連接
拉索與橫向加勁桁架下弦連接
撐桿與下弦拉索的連接
斜索與剛性節(jié)點連接
撐桿上節(jié)點連接多個方向脊索
索與支承構件連接
拉索與鋼混支承構件連接
拉索與支承鋼柱或鋼梁連接
徑向拉索與支承鋼環(huán)梁連接
索與圍護結構連接
拉索與鋼檁條
拉索與玻璃
節(jié)點的含義
影響鋼結構建筑中節(jié)點形式的因素有很多,節(jié)點的分類較為復雜,根據(jù)連接件的位置關系,節(jié)點可分為:搭接節(jié)點、平接節(jié)點、角接節(jié)點、對接節(jié)點等(如圖9所示);根據(jù)節(jié)點的連接工藝不同可分為:焊接節(jié)點、鉚接節(jié)點、螺栓連接節(jié)點、銷栓連接節(jié)點、膠結連接節(jié)點等(如圖10所示)。
圖9 根據(jù)連接件位置而定的節(jié)點分類
圖10 根據(jù)連接工藝而定的節(jié)點分類
鋼結構建筑中的節(jié)點根據(jù)其所起到的作用不同,大體可分為結構性節(jié)點和構造性節(jié)點。結構性節(jié)點是結構構件之間連接的節(jié)點,是建筑結構中力的集中點與傳遞點,起到完成各構件之間力的傳遞的作用,體現(xiàn)著各構件之間的穩(wěn)定性和受力平衡,如:桿件與桿件之間的連接、索與索之間的連接、桿件與索之間的連接、構件與支座之間的連接等(如圖11所示)。節(jié)點處的不同構件受力方式不同,拉力、壓力、剪力等不同形式的力都反映在節(jié)點處,節(jié)點將這些力連接成一個整體,形成一個個視覺焦點,壓力在節(jié)點處往往雄健有力,增加空間的力量感,而拉力則輕盈明快,給空間增添活躍感(如圖12所示)。約翰內(nèi)斯堡體育館采用了一種懸掛結構,節(jié)點連接了拉索與平衡桿(如圖13所示),節(jié)點處拉索通過平衡桿處的封板將拉力轉(zhuǎn)化為壓力,節(jié)點部位的加勁肋增加了節(jié)點的剛度和強度,實現(xiàn)了力的平衡。圖中拉索顯然承受很大的力的作用,維持受力平衡的節(jié)點顯得強勁有力,體現(xiàn)出節(jié)點作為結構構件的力學美[4]。以同濟大學B樓中庭大廳的屋頂為例(如圖14所示),采用四角錐體系網(wǎng)架結構,支撐起大跨度空間的覆頂,采用螺栓球節(jié)點(如圖15所示),具有節(jié)點部位沒有偏心、受力狀態(tài)好等優(yōu)點。
圖11 結構性節(jié)點
圖12 節(jié)點的視覺焦點
圖13 約翰內(nèi)斯堡體育館采用的懸掛結構
圖14 同濟大學B樓中庭大廳的屋頂
圖15 螺栓球節(jié)點
構造性節(jié)點,連接的是鋼結構建筑的附屬功能構件與結構構件,是皮與骨的連接,節(jié)點處不同的材質(zhì)有著不同的肌理變化和材料質(zhì)感,如鋼材與玻璃、鋼材與膜材等,這些不同的材料在節(jié)點處形成強烈的對比,展現(xiàn)出各種材料的沖突,節(jié)點使這些材料在沖突中形成一種和諧、穩(wěn)定的關系,突出不同材料的交融(如圖16所示)。以玻璃幕墻與受力構件之間的連接為例(如圖17所示),玻璃幕墻與結構構件之間的連接方式較為多樣,如明框式玻璃幕墻構造、隱框半隱框玻璃幕墻構造、全玻式玻璃幕墻構造、點支玻璃幕墻構造等。例如上海當代藝術館的玻璃幕墻即采用點支玻璃幕墻構造,“每塊玻璃的四個角分別由不銹鋼支撐爪件作四點固定,在支撐爪件背后設有11mm的鋼索系統(tǒng)縱橫繃緊固定[5]”,如圖18所示。這種點支玻璃幕墻更強調(diào)玻璃的通透性,使得建筑外立面更具特色、內(nèi)部空間更顯開敞。正是由于節(jié)點構造的不斷進步才更好地展現(xiàn)了不同材料的特征與性能。
圖16 構造性節(jié)點
圖17 玻璃幕墻與受力構件之間的連接
圖18 上海當代藝術館的玻璃幕墻即采用點支玻璃幕墻構造
索結構的設計原則
綜合考慮建筑外觀、節(jié)點傳力方式并結合節(jié)點錨具和索體類型等進行概念設計,確定節(jié)點連接形式,然后對節(jié)點進行具體構造設計。
按相關標準選用索結構節(jié)點的材料(熱軋鋼、鑄鋼、高強螺栓副、銷軸、關節(jié)軸承、焊接材料、涂裝材料等)。
節(jié)點的構造應與計算假定相符,傳力路線簡捷明確、安全可靠,構造簡單合理并便于制作、安裝、索力調(diào)整和維護,經(jīng)濟性好。
節(jié)點的強度(含局部承壓強度)、剛度、變形和受壓板件的穩(wěn)定性應滿足國家標準《鋼結構設計標準》、《索結構技術規(guī)程》、《預應力鋼結構技術規(guī)程》、《鑄鋼結構技術規(guī)程》的規(guī)定。
節(jié)點的承載力設計值應不小于拉索內(nèi)力設計值的1.25~1.5倍。
主要受拉節(jié)點焊縫質(zhì)量等級應為一級,其它焊縫質(zhì)量不低于二級。
對采用新材料或新工藝的重要、復雜節(jié)點,可根據(jù)節(jié)點實際受力狀態(tài)進行足尺或縮尺模型的檢驗性試驗(最大內(nèi)力設計值的1.3倍)或破壞性試驗(最大內(nèi)力設計值的2.0倍)。
根據(jù)環(huán)境條件、材質(zhì)、結構形式、使用要求、施工條件和維護管理條件等進行節(jié)點的防火與防腐設計。
螺桿連接節(jié)點設計
螺桿連接節(jié)點的多種形式:
拉索接長
索端錨固
螺桿本身是錨具
通過錨箱轉(zhuǎn)換連接
不同承壓位置
設球鉸等轉(zhuǎn)動裝置,釋放因大變形引起的端部彎矩
螺桿連接節(jié)點設計的一般要求
⊙螺桿連接中螺桿是索體的一部分時,螺桿與索按照等強設計;其他情況下螺桿承載力設計值應按照索拉力設計值的1.25~1.5倍選取。
⊙螺桿承載力計算時應考慮螺紋對螺桿截面削弱的影響。
⊙應采用雙螺母、螺母加彈簧墊片、螺母下設置止動墊圈、螺栓上設置開口銷、自鎖螺母等方式防止螺母松動。
⊙多螺桿連接設計時應考慮合理的張拉順序,確保多根螺桿受力均衡。
⊙螺母應緊固牢靠,外露絲扣不應少于兩扣;對于索-索螺桿連接,應確保螺桿擰入錨具內(nèi)的螺紋長度不小于10倍螺距。
⊙張拉時要對張拉工裝進行專門設計,防止張拉過程中螺桿承受彎矩。
螺桿連接節(jié)點的承載力驗算
螺紋驗算 螺紋是螺桿連接的關鍵部位,一般由生產(chǎn)單位進行專門設計。
內(nèi)螺紋彎曲應力驗算:
內(nèi)螺紋剪應力驗算:
外螺紋彎曲應力驗算:
外螺紋剪應力驗算:
接觸面局部承壓驗算
由于錨具端頭較螺桿直徑大,索體要穿過支承部位就需要預留較螺桿直徑更大的孔洞,使得螺母與錨固體接觸面較小,導致局部壓力很大。
支承構件沖切(剪切)驗算
若支承結構構件(鋼板、混凝土板)較薄時,還容易發(fā)生沖切(剪切)破壞。
有限元分析
螺桿連接節(jié)點常在節(jié)點連接域設置加勁板、隔板等,使得節(jié)點連接域構造較為復雜。對于索力大、節(jié)點構造復雜的螺桿連接節(jié)點,應建立有限元模型進行分析。
*以上驗算分別按照現(xiàn)行《混凝土結構設計規(guī)范》、《鋼結構設計標準》進行
索夾節(jié)點的定義與構成
索夾節(jié)點是連接索體和相連構件的一種不可滑動的節(jié)點。
一般包括主體、壓板和高強螺栓。
主體直接與非索構件相連,壓板通過高強螺栓與主體相連,通過高強螺栓的緊固力使主體和壓板共同夾持住索體。
* 形式多樣,名稱多樣:夾具、鑄鋼夾具、U形夾、螺栓夾具、鋼板夾具、索球、索瓦、前壓塊、后壓塊、索壓塊等等。
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