正交單層索網索夾節點的應用與研究

董 凱，王 巖，王海兵，黎冰蕊，牛潔亮（中建鋼構有限公司，廣東 深圳 518040）

蘇州工業園區游泳館屋蓋為馬鞍形外圈鋼結構加索網結構。鋼結構外圈包含 28 根環梁、56 根 V 柱，柱腳采用球鉸支座；屋面為正交索網，包含 31 對承重索與 31 對穩定索，采用高釩密閉索，Φ 40 mm，索網通過索夾連接，索夾上中下三層通過一顆 8.8 級 M 30 高強螺栓連接，高強螺栓要求施加 100% 預應力。索夾三維效果圖如圖 1 所示。索夾節點是保證游泳館結構安全的重要環節，除用于索網連接之外，通過索夾上設置檁托連接剛性金屬屋面，索夾為受力關鍵節點。

圖1 索夾三維效果圖

1 索夾力學性能要求

索夾材質為 GS 20 Mn 5 V，屈服強度標準值 ≥385 MPa，遠高于 CECS 235—2008《鑄鋼節點應用技術規程》及 DIN EN 10293—2005 《鑄鋼件材質標準》的要求，即使后期采取調質處理，也要有相應的化學成分作保證，C、Mn 等元素要達到中上限，并需加入 Cr 和 Ni 等合金元素，還要嚴格控制 P、S 的含量，合理調配 Si 的含量，提高鋼水的純凈度，才能保證鑄鋼件的力學性能。碳當量控制在≤0.48%，其與 Q 390 C 鋼板的碳當量相匹配。鑄鋼件的化學成分及力學性能見表 1、表 2。與鋼索接觸的索夾索槽表面噴涂 1 mm 厚的鋅涂層，以增加鋼索的摩擦因數，索槽采用機加工。

表1 鑄鋼件化學成分

表2 鑄鋼件力學性能

2 索夾高強螺栓預應力松弛

高強螺栓預應力松弛試驗包括兩部分：高強螺栓自身的應力松弛試驗；高強螺栓、索夾和索體組裝件的應力松弛試驗。

2.1 高強螺栓自身預應力松弛

高強螺栓自身預應力松弛試驗是對試件施加試驗力，保持初始應變，變形或位移恒定，而測定其應力隨時間的變化關系。對 3 根 8.8 級 M 30 高強螺栓試件進行應力松弛試驗，試驗結果見表 3。

表3 3 根高強螺栓應力松弛試驗

3 根高強螺栓張拉擰緊后的第 3 d，應力損失基本穩定，應力松弛系數分別為 0.012、0.018、0.015，平均值為 0.015；高強螺栓張拉擰緊后的 8 h，應力損失值占 3 d 損失值的 80%；1 d 時，損失值占 3 d 損失值的 89%；2 d 時，損失值占 3 d 損失值的 94%。

2.2 索體變化引起的預應力松弛

高強螺栓、索夾和索體組裝件，在高強螺栓最終擰錨固后，不僅會出現螺栓自身應力松弛，還會出現由于張拉拉索使索體直徑減小引起的應力松弛。

張拉拉索使索體直徑收縮，高強螺栓拉力損失明顯，應力松弛系數為 0.131；拉索張拉完成后，高強螺栓應力松弛速度減緩，再靜置 19 h 后應力基本不變，此時應力松弛系數為 0.181。試驗結果見表 4。

表4 索體變化應力松弛

3 索夾抗滑移

索體在張拉過程中，索徑索長都會發生變化，從而影響索夾高強螺栓的預應力，而高強螺栓本身也存在著復雜的應力松弛現象，這些都會對索夾的抗滑能力產生不可預料的影響。因此索體在雙向張拉的情況下，抗滑移承載力的大小需要通過試驗進行研究。

為保證每次試驗索體表面的完整，將試驗分為 3 個試件組。每個試件組中的索夾和高強螺栓均不同，而且索夾夾持的索體位置也不同。每個試件組包含兩個工況：承重索方向頂推和穩定索方向頂推。

索夾抗滑承載力試驗中，3 個試件組，每個試件組有 2 個加載工況，共 6 個工況，其中抗滑移承載力最小值為 92.1 kN，大于設計值，滿足使用要求。試驗結果見表 5。

表5 索夾抗滑承載力試驗的綜合摩擦系數

4 索夾安裝方法

為彌補高強螺栓的應力損失，根據試驗結果對高強螺栓進行超張拉。具體操作為：① 當索夾的底層和中層夾緊承重索時，中間螺母預緊力超張拉至 110%，即 308 kN；② 當安裝穩定索后，頂部螺母預緊力超張拉至 120%，即 336 kN；③ 待 1 d 后，對索夾頂部螺母再次超張拉至 120%，即 336 kN。索夾安裝流程見圖 1。

圖1 索夾安裝流程

因現場場地限制，游泳館索網未采用常規的低空組網后整體提升的施工工藝，而是先通過高空溜索將承重索安裝就位，后鋪設貓道在高空安裝穩定索并分批進行張拉，因此索夾中下層在地面進行安裝，上層為高空安裝。

5 結 語

(1) 通過對索夾材質的處理提高了索夾屈服強度，索槽機加工及噴鋅處理工藝滿足了抗滑移承載力的要求。

(2) 根據索網的施工方法對索夾施工工藝進行了相關試驗，采用超張拉彌補因螺栓自身及索網張拉變細造成的預應力損失，確定了超張拉數值。螺栓自身預應力松弛在 3 d 后基本穩定，索體變化造成的預應力損失較為明顯，索體張拉完成 19 h 后趨于穩定。

(3) 索體與索槽的緊貼程度越高，索夾抗滑移綜合摩擦因數越高。