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建筑索结构的类型及其应用论文
索结构是一种特殊的建筑结构，它具有独特而多样的结构形式。
一般来说，从结构形式上可将索结构分为由桥式索、斜角桥式索和悬索结构三种类型。
其中，桥式索是一种最早出现的索结构，其具有结构件低成本、自重轻、安装简单快捷等优点，可用于高架路、大跨度索桥和水上桥梁等地方。
斜角桥式索索具有一定的灵活性，能够提供较大的空间，可用于停车场、学校体育场和公园的建造。
悬索结构则具有较强的耐久性，常用于桥梁、大跨度楼宇以及多种形式的公路桥梁。
除此之外，索结构还有广泛的应用。
其中一个重要应用就是索桥，它可以支持较大跨度，同时也可以减少建筑物承受的压力，因此能够提高建筑物的耐久性。
此外，索结构也可以将多个建筑物联系起来，从而节省土地和重新建造更巨大的结构面积。
另外，索结构可以被用于室内设计，如高架屋顶、广场和酒吧的围栏、帐篷和阳台的支架等。
总而言之，索结构是一种具有很多应用的创新结构形式。
它具备独特的结构形式，包括桥式索、斜角桥式索和悬索结构，可用于大跨度的桥梁、宽敞的停车场和公园等地。
它的应用也很广泛，可以为桥梁、屋顶、围栏、支架等设计提供便利，同时也可以节省土地和重新建造更大的结构面积。
因此，索结构是一种非常有价值的建筑结构形式。
浅述我国建筑索结构的概念、类型与发展来源：中国建设报近年来,索结构在建筑结构中越来越多地得到应用，其建造技术也得到迅速发展。
北京工业大学空间结构研究中心主任、中国钢结构协会空间结构分会理事长张毅刚教授在《建筑索结构的概念、类型与发展》一文中详细地介绍了悬索结构、管内预应力结构、张弦结构、拉索结构、斜拉结构、索拱结构、吊挂结构等七种类型的结构及其在我国最新的工程实践，并就各种类型建筑索结构的组成与受力特点及其在建筑钢结构与幕墙（采光顶）中的应用与发展进行了论述。
——编者⒈引言。
我国在建筑结构中应用预应力索始于20世纪50年代，1991年中国土木工程学会桥梁与结构分会在无锡召开了全国索结构学术交流会，尽管预应力索在桥梁结构中应用更多，会上还是展示了在建筑结构中应用的良好势头。
2002年，中国工程院院士、浙江大学教授董石麟和北京工业大学教授陆赐麟整理了我国主要预应力钢结构工程（不包括膜结构工程），截至到2001年有28项。
光阴荏苒。
目前，我国建筑结构中预应力索的应用已经遍地开花，无论是设计理论还是制作建造技术均有了长足的进步。
据不完全统计，仅新发展起来的空间张弦结构已经有18项工程；近几年新建的火车站已有12个应用了索结构；综合起来估计有数百项工程。
1997年，中国工程院院士、哈尔滨工业大学教授沈世钊等所著《悬索结构设计》中所列的索结构形式，均有了新的工程实践，且不断创新。
随着114米×144米跨度的双向张弦桁架、122米跨度的张弦网壳、148米跨度的张弦桁架、310米跨度的辐射布置索桁架等世界上最大的工程落户我国，相关的内容很值得总结、梳理，以推动行业更好地发展。
索结构通常由索与其它材料的结构组成，可包括：索与钢结构、索与膜结构、索与钢筋混凝土结构、索与玻璃结构组成的各种结构体系，应用于建筑结构、桥梁结构、围护结构（幕墙、采光顶）中。
建筑索结构是指在建筑结构中应用索作为承重结构或通过张拉索对刚性结构体系施加预应力，提高或改善结构的受力性能而形成的结构体系，这里主要讨论的是其在钢结构与幕墙（采光顶）的应用中形成的各种类型体系。
索结构应用技术1. 技术内容（1）索结构的设计进行索结构设计时，需要首先确定索结构体系，包括结构的形状、布索方式、传力路径和支承位置等；其次采用非线性分析法进行找形分析，确定设计初始态，并通过施加预应力建立结构的强度与刚度，进行索结构在各种荷载工况下的极限承载能力设计与变形验算；；然后进行索具节点、锚固节点设计；最后对支承位置及下部结构设计。
（2）索结构的施工和防护索结构的预应力施工技术可分为分批张拉法和分级张拉法。
分批张拉法是指：将不同的拉索进行分批，执行合适的分批张拉顺序，以有效的改善张拉施工过程中结构中的索力分布，保证张拉过程的安全性和经济性。
分级张拉法是指：对于索力较大的结构，分多次张拉将拉索中的预应力施加到位，可以有效的调节张拉过程中结构内力的峰值。
实际工程中通常将这两种张拉技术结合使用。
目前索结构多采用定尺定长的制作工艺，一方面要求拉索具有较高的制作精度，另一方面对拉索施工过程中的夹持和锚固也提出了较高的要求。
索结构的夹持构件和索头节点应具有高强度/抗变形的材料属性，并在安装过程中具有抗滑移和精确定位的能力。
索结构还需要采取可靠的防水、防腐蚀和防老化措施，同时钢索上应涂敷防火涂料以满足防火要求，应定期检查拉索在使用过程中是否松弛，并采用恰当的措施予以张紧。
2. 技术指标（1）拉索的技术指标拉索采用高强度材料制作，作为主要受力构件，其索体的静载破断荷载一般不小于索体标准破断荷载的95%，破断延伸率不小于2%，拉索的的设计强度一般为0.4～0.5倍标准强度。
当有疲劳要求时，拉索应按规定进行疲劳试验。
此外不同用途的拉索还应分别满足《建筑工程用索》和《桥梁缆索用热镀锌钢丝》GB/T17101、《预应力混凝土用钢绞线》GB/T5224、《重要用途钢丝绳》GB8918等相关标准。
拉索采用的锚固装置应满足《预应力筋用锚具、夹具和连接器》GB/T14370及相关钢材料标准。
（2）设计技术指标索结构的选型应根据使用要求和预应力分布特点，采用找形方法确定。
浅谈索结构施工技术应用余关鹏【摘要】索结构种类繁多，在桥梁、边坡和大空间结构中非常常见。
由于预应力在索结构中的广泛应用使得单根索的极限承载力相当可观，因而索的施工质量往往关系到结构的安全性，从而受到施工技术人员的重视。
本文将列举预应力索拱、预应力单索等常见索结构并着重分析此两种索结构的施工过程及关键技术。
【关键词】索拱与单索；预应力结构施工；应力张拉前言：索结构是近代土木工程发展的产物。
随着人们对钢筋和预应力技术认识的不断深入，如何节约材料及如何设计更加美观的结构成为两大新课题。
于是索结构逐渐进入人们的视野，高承载力及空间利用的高效率使其成为一种常见的结构形式。
在悬索桥、边坡支护、火车站候车大厅及大空间展览馆中索结构均具有很强的生命力。
为提高单根索的极限承载力，通常使用的方法是应用高强钢筋并对其施加预应力，因而在索结构中，每根索的施工质量都非常重要，索的施工成為索结构发展中必须解决的一大问题。
本文将从常见的索结构入手，分析其施工工艺和关键技术，力图对索结构施工有一个全面深入的了解和认识。
1.预应力索拱施工：作为一种建筑与美学和谐统一的结构形式，拱一直受到建筑师的青睐。
但是拱是具有侧推力的结构，拱脚处往往会产生较大的水平推力。
为降低甚至消除此拱脚推力，目前工程界有效的方法是使用钢索将两拱脚相连。
结构形式为钢索与钢拱架组合，即预应力索拱结构。
图1为预应力索拱的几种常见形式。
钢索是预应力索拱结构的关键组成部分，按结构计算和耐久性要求其材料选取、长度确定有以下几个特点：1）由预应力钢索最大承载拉力及安全系数确定钢索类型为φ5×31，材料标准强度为1670MPa。
考虑防火及防腐性能选择镀锌钢丝和外包双层PE保护层。
2）预应力钢索一端为锚固端，一端为张拉端。
锚固端为叉耳式，张拉端为带螺扣的钢拉杆。
张拉时借助螺扣设计张拉设备，张拉完成后使用双螺帽进行永久锚固。
3）在设计叉耳尺寸时要进行抗剪和局部承压验算，特别注意与型钢拱架耳板尺寸匹配，防止出现叉耳安装不上或者安装之后叉耳无法转动的情况。
关于索结构——（1）预应力和三种受力状态
徐珂兄在其博客“带座位的体育馆工程设计记录（08）索单元初始张拉力与索内力”中提出了关于拉索初始预拉力的疑问，并在本网站留言，约本人一起参与讨论。
这是一个很好的话题，其实也是很多同行在实际工程设计中比较容易弄糊涂的一个问题。
借此机会，顺便谈谈我的一点个人拙见，供大家参考。
索结构（或者有拉索的结构）不同于常规结构的地方就是拉索初始预应力对结构整体的刚度贡献。
拉索是整体结构中的一根构件，其对结构整体刚度的贡献分为两部分：一是其材料刚度；二是几何刚度；其中，材料刚度像铰接杆件一样，是由于其横截面和材料刚度而产生的，只是由于索的材料比较柔，所以其材料刚度非常小，所以实际分析与设计中是可以忽略不计的。
几何刚度是由于拉索中预应力对结构产生的刚度贡献，平常我们讲索对结构的刚度贡献通常就是指这部分刚度。
索结构、张弦梁、弦之穹顶等结构体系正是充分利用拉索几何刚度对结构整体刚度的贡献。
那么在实际结构分析中，索的几何刚度怎样实现呢？这里我们不妨给出索结构分析中的三种状态：零状态、预应力状态、荷载状态。
这里我不想采用常见专业论文中的术语来描述，那样太容易把大家搅糊涂，所以下面采用我自己的“普通话”来与大家交流。
个人认为：（1）零状态就是受力分析时刚建好的模型，在此基础上我们可以得到结构的真实构件布置和受力状态；（2）预应力状态就是结构受外荷载之前的真实状态；这里有一些不同观点，有人认为是对索施加预应力，受力平衡之后的状态。
我个人认为应该是平衡预应力之后，并考虑结构自重（甚至是恒载）的状态。
（3）荷载状态是在预应力状态的基础上，结构承受外荷载的状态。
这三个状态之间的关系为：零状态是找到预应力态的基础和手段；预应力态是荷载态的基础，结构必须在预应力态上才能施加外荷载。
这里我想多讨论一下零状态和预应力态的实际用途和意义。
（1）零状态是实际工程设计和施工过程中不存在的一种状态。
它只是我们为了得到预应力状态而假定，与预应力状态较为接近的一种拓扑关系。
我们的目的是利用它找到预应力状态和预应力分布。
所以说，它只是一种处理手法。
同一个项目，不同的人计算，就可以利用不同的零状态，但是都可以得到几乎相同的目标——预应力状态。
（2）预应力状态是具有实际意义的，它是我们设计的目标，也可以讲是建筑师
给结构工程师的要求、任务。
建筑施工刚完毕之后，大家看到的就是预应力状态。
这个时候拉索是绷紧的，此时的索力就叫做拉索的预应力。
这个状态结构是稳定的、平衡的，在此基础上施加一定的荷载之后，结构的变形一般也不会太大，和常规结构几乎没有什么不同。
大家看到，上文中我叫预应力状态下的索力为“拉索的预应力”。
这就讲到了徐珂兄所讨论的问题。
在结构分析中，怎样让拉索起到提供刚度的作用，或者讲怎样得到拉索的预应力大小和分布。
这就是从“分析零状态”到“预应力状态”这个过程所干的事。
通常，在软件中我们先建立零状态计算模型，并给拉索一个初始条件，然后利用非线性有限元法，让软件计算并得到一个平衡的结果。
这就是找形过程的简单描述。
其中拉索的初始条件，可以有不同的处理方法，本网站文章“预应力在软件中的不同施加方法”讨论了常用的三种方法，分别为降温法、初始应变法和施加初始轴力法，大家可以看一下，这里就不详细讨论。
其中初始轴力法就是徐珂兄采用的方法。
可以看出，零状态对应的是“初始轴力”，而预应力态对应的才是“预拉力”，这是完全不同的两个概念，其中“初始轴力”只是一种处理手法，并没有实际意义；而“预拉力”则是具有工程意义的，是设计院提供给施工单位的张拉目标。
拿徐珂兄的工程来讲，4500则是初始轴力，而3090才是真正的拉索预拉力。
找形完成之后，4500就没有用途了，可以忘记这个数字。
为什么会出现这个问题呢，我觉得这可能是大家采用MIDAS这款软件导致的，这个软件是采用初始轴力的方式施加预应力，而且初始轴力这个数值“赫然”显示在软件界面左边的列表上，以至于大家忽视了预应力的真正概念，混淆了“手段”和“结果”。
关于索结构——（2）分析零状态和施工零状态
上一篇博文中我提到了零状态，大家注意的话，会发现后来我提到了“分析零状态”。
这是因为我觉得索结构分析、设计、施工过程中，可能会提到两个“零状态”。
而这两个“零状态”又完全不是一个概念，所以，这里想就这个问题再与大家深入讨论一下。
上一篇博文已经讲过，在结构找形分析之前，会建立一个用于找形分析的初始几何模型，这里不妨称其为“分析零状态”。
这个“零状态”模型只是一种简单的拓扑关系，在其基础上给拉索一定的初始条件，利用非线性有限元法，可以得到平衡的“预应力状态”。
这个零状态是利用软件分析时的起步状态，它没有任何实际的工程意义，只是我们利用它来得到平衡态的一种手段。
然后施工过程中，也有一种“零状态”，这里我们不妨称其为“施工零状态”。
这是设计完成后，施工单位根据设计院提供的几何拓扑关系（预应力态），简单地把各构件连接起来而得到的一种状态。
此时，虽然绝大部分构件都被连接起来，但是拉索的预应力并没有完全实现，因为还没有开始张拉。
待张拉完毕，拉索的预应力达到设计值后，就得到了预应力状态。
可以看到下面的关系：
（1）分析零状态→计算→预应力状态；
（2）施工零状态→张拉→预应力状态；
分析零状态和施工零状态最终都是得到了预应力状态，但是他们两个却是完全不同的两个概念。
分析零状态在上一篇博文中已经讨论过，就不详细讨论了，这里说说施工零状态是怎么来的。
设计院设计完整后，给施工单位的资料有：拓扑关系、预应力具体数值。
这些数据通常都是预应力平衡状态下的结果。
也就是说，索长和预应力大小是拉索拉紧状态下的数据。
施工单位会根据这些数据，反算拉索松弛状态下的长度，也就是下料长度。
然后将下料长度的索运至施工现场进行施工。
利用下料长度的索，按照设计院提供的拓扑关系，拼装起来的结构就是施工零状态。
其实，施工零状态是很难用软件计算出来的，除非是比较简单的结构体系。
因为很有可能有些拉索在张拉之前，处于极度松弛状态，就像一根绳子堆在地上一样，这种状态是没法用有限元方法计算的。
不过，有一种理论叫“机构位移理论”，据说可以较为准确地算出索结构的施工零状态，记得同济大学的钱若军老师利用这种理论算过佛山世纪莲体育场的施工张拉过程。
感兴趣的朋友可以找钱老师讨论讨论。
所以，分析零状态只是一种处理手法，没有实际工程意义；而施工零状态是施工张拉前的结构状态，具有实际工程意义。
