索拱桁架體系索夾抗滑移試驗

楊宗林

摘要：針對中鐵青島世界博覽城項目展廊的索拱桁架結構體系跨度和矢高大、索夾兩端索力不平衡的問題，用穿心式千斤頂頂推法測試索拱桁架體系索夾的抗滑移能力，驗證索夾滿足工程項目抗滑移承載能力。試驗同時進行超極限頂推，測試類似索夾的抗滑移因數，評估索夾的抗滑移能力。

關鍵詞：抗滑移;索拱體系;索夾;頂推法;試驗

中圖分類號：U448.25;TU393.3

文獻標志碼：B

文章編號：1006-0871（2019）01-0036-04

0 引 言

索夾連接是建筑索結構的關鍵節點，索夾滑移是影響建筑索結構安全承載的關鍵因素之一，而索夾的滑移大多來源于螺桿緊固力的不足。[1]

索拱桁架結構建筑凈空大、張拉受力明確，索拱中懸索的設置可以改善桁架拱的變形和受力，有效提高整體結構的承載力。[2]然而，在受力狀態下，若索拱桁架結構的索夾兩側懸索存在較大的不平衡力，則索夾抗滑力不足會導致索的滑移，改變整體結構的受力狀態，對結構產生不利影響。因此，有必要對索夾抗滑性能進行分析。

近年來，隨著國內體育場館和公共建筑領域索結構應用日益廣泛，建筑索結構索夾連接的抗滑移研究日益深入，如對重慶江北國際機場[3]、北京奧運會老山自行車館[4]、棗莊體育中心體育場[5]、長春奧體體育場[6]等索拱體系的研究。在這些實際工程的索夾連接研究中，抗滑移因數的確定是此類節點性能研究的重點和難點。

本文針對中鐵青島世界博覽城項目展廊的索拱桁架結構體系的索夾連接進行抗滑移試驗研究。試驗達到結構的承載極限，對其抗滑移能力及抗滑移因數選擇提出建設性建議。

1 試驗概述

中鐵青島世界博覽城項目位于青島西海岸新區核心區南側，緊鄰濱海大道。展廊結構布置示意見圖1，東西向長為508.0 m，南北向長為287.0 m，結構為索拱桁架結構，東西向為主拱架，南北向為次拱架。展廊結構立面圖見圖2。每榀索拱結構間距為4.5 m，主拱架跨度為47.5 m，高度為28.8 m;次拱架跨度為31.6 m，高度為19.1 m。

索拱結構的斜拉桿和懸索采用索夾連接，斜拉桿與索夾通過銷軸連接，見圖3a）。懸索有2種類型：56懸索用于次拱架，68懸索用于主拱架。根據斜拉桿角度位置不同，設計2種索夾，分別見圖3b）和3c）。索夾兩側的懸索拉力不一樣，使得索夾會承受由此產生的不平衡力，不平衡力由索夾與懸索的靜摩擦力抵抗。索夾與懸索受力情況復雜，最有效的方法就是進行節點抗滑移試驗，了解節點的滑移性能，驗證索夾抗滑移因數，并作為數值模擬分析的條件。

2 試件設計

展廊主次拱索體大樣見圖4。索體采用Galfan鍍層，鋼索抗拉強度為1 670 MPa，56鋼索理論破斷力為2 700 kN，68鋼索理論破斷力為3 950 kN。試驗索體由項目用索供應方提供，每種直徑試驗鋼索各2根，長度不小于2 000 mm，不制作兩端錨具。

試驗索夾由懸索供應方提供，索夾性能要求與工程要求相同。索夾試件螺栓與現場實際用螺栓一致。索夾安裝螺桿為10.9級M16摩擦型高強螺栓，預緊力為110 kN，高強螺栓應備有配件。

為保證螺栓預緊力均勻，螺栓的施擰順序見圖5中1～8。M16高強螺栓終擰值為228.8 N·m，M24高強螺栓終擰值為780 N·m。螺栓分初擰和終擰2個階段施工，初擰值為終擰值的50%。

設計要求索夾I抗滑移摩擦阻力Pb=200 kN，索夾II抗滑移摩擦阻力Pb=150 kN，安全因數均取1.5，因此試驗滑移力分別為300和225 kN。

3 試驗方案

3.1 試驗準備和安裝

取2種懸索規格與2種索夾形式交叉組合各1組，共4個試件，組合情況見表1。穿心式千斤頂選用YCW100B型，公稱油壓為51 MPa，張拉力為973 kN，張拉行程為200 mm。

為避免索夾零件影響滑移，試件組裝前用干凈棉布將索夾表面和螺孔油污擦拭干凈。

同規格2個索夾安裝示意見圖6。索夾之間的索段盡量平直安裝，減少因懸索調直的頂推量。兩索夾間放置YCW100B千斤頂，由普通扳手擰緊環索索夾螺栓，按《鋼結構高強度螺栓連接技術規程》（JGJ 82—2011）的安裝要求，用力矩扳手擰緊螺栓至設計初定的力矩值[7]。施擰順序按圖5，符合規程要求。

在節點兩側與索體之間各布置1個百分表，測試索夾的滑移量。

3.2 頂推索夾步驟

（1）分步頂推千斤頂，每級加載0.1Pb，每級加載達到后持荷5 min，載荷增大速度不大于100 MPa/min，加載至索體平直，當載荷-位移曲線為載荷增長、位移不增加時，記錄P值。

（2）按Pbn=Pb-P，分10級逐級加載，每級增加0.1Pb，直至索夾試件發生滑移，觀察油壓表和百分表，記錄每級索夾試件的力和位移。

3.3 試驗終止條件

試驗終止條件設置3種情況：

（1）在千斤頂推力下，任一索體發生滑移達到1 mm且力-位移曲線呈現明顯下降段;

（2）千斤頂推力達到1.5Pb;

（3）任何試件出現破壞導致試驗無法繼續。

4 試驗結果討論

試驗索夾滑移量隨頂推力變化曲線見圖7。在達到表1試驗滑移力后，均在千斤頂能力范圍內繼續加載至試驗終止條件。4個試件均達到試驗條件1終止，終止時的千斤頂讀數和索夾滑移量見表2。試驗照片見圖8。

根據表2，試驗所測試的4種情況均可滿足設計抗滑移摩擦阻力，并且滿足1.5倍的安全因數。

抗滑移摩擦阻力屬于靜摩擦力，靜摩擦力存在最大值。試驗顯示，當施加的頂推載荷大于最大靜摩擦力時會出現滑移，且位移迅速增加，載荷難以維持且出現迅速下降現象，因此圖7的4條曲線均出現位移短時間迅速增長現象，千斤頂讀數難以判斷。

根據試驗結果可知，56鋼索索夾抗滑移摩擦阻力極限值大于68鋼索索夾。索夾安裝螺桿為10.9級M16摩擦型高強螺栓，預緊力為110 kN，所以試件的摩擦因數范圍為0.260～0.375。

5 結 論

為獲得中鐵青島世界博覽城項目索拱桁架展廊的索夾抗滑移性能，設計索夾抗滑移試驗，試驗得到結論如下：

（1）試驗索夾均滿足承載能力極限狀態，并滿足1.5倍的安全能力儲備，驗證索夾節點設計在工程中的安全性滿足要求。

（2）在相同索夾構造下，較小直徑的索夾握緊力更好，表現為抗滑移能力大于較大直徑索夾。

（3）所有試件試驗均為達到滑移量而試驗終止，此時獲得靜摩擦力極值，以此推算的試件靜摩擦因數范圍為0.260～0.375。

參考文獻：

[1] 唐亮， 王熠， 崔冰， 等. 懸索橋索夾螺桿應力無損檢測研究[J]. 公路， 2015（10）：125-129.

[2] 陳耀， 馮健， 盛平， 等. 新廣州站內凹式索拱結構索夾節點抗滑性能分析[J]. 建筑結構學報， 2013， 34（5）：27-32. DOI：10.14006/j.jzjgxb.2013.05.004.

[3] 戴國欣， 李萬偉， 邢世建， 等. 重慶江北國際機場新航站樓大跨鋼桁架鑄鋼節點性能研究[J]. 建筑結構學報， 2005， 26（4）：70-75. DOI：10.14006/j.jzjgxb.2005.04.011.

[4] 趙憲忠， 王冠男， 陳以一， 等. 北京奧運會老山自行車館柱腳鑄鋼節點試驗研究[J]. 建筑結構學報， 2008， 29（1）：10-15. DOI：10.14006/j.jzjgxb.2008.01.003.

[5] 石碩， 李亞明， 羅曉群. 棗莊體育中心體育場內環索桁架單索索夾抗滑移試驗研究[J]. 建筑結構， 2017， 47（21）：20-24. DOI：10.19701/j.jzjg.2017.21.004.

[6] 劉文銳. 柔性空間結構施工過程數值模擬和索長誤差敏感性分析[D]. 上海：同濟大學， 2017.

[7] 鋼結構高強度螺栓連接技術規程：JGJ 82—2011[S].

（編輯 武曉英）