索結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)形式

根據(jù)受力特點可分為剛性和柔性索結(jié)構(gòu)：

剛性索結(jié)構(gòu)在荷載作用下滿足小變形假定，如斜拉結(jié)構(gòu)、張弦結(jié)構(gòu)(弦支穹頂)、預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、索拱結(jié)構(gòu)、索托結(jié)構(gòu)等;

根據(jù)受力特點可分為剛性和柔性索結(jié)構(gòu)：

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(gòu)件連接、索與支承構(gòu)件連接、索與圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(gòu)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(gòu)件連接

拉索與鋼混支承構(gòu)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(hù)結(jié)構(gòu)連接

拉索與鋼檁條

拉索與玻璃

節(jié)點的含義

影響鋼結(jié)構(gòu)建筑中節(jié)點形式的因素有很多，節(jié)點的分類較為復(fù)雜，根據(jù)連接件的位置關(guān)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(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)性節(jié)點和構(gòu)造性節(jié)點。結(jié)構(gòu)性節(jié)點是結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間連接的節(jié)點，是建筑結(jié)構(gòu)中力的集中點與傳遞點，起到完成各構(gòu)件之間力的傳遞的作用，體現(xiàn)著各構(gòu)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(gòu)件與支座之間的連接等(如圖11所示)。節(jié)點處的不同構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學(xué)美[4]。以同濟(jì)大學(xué)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

圖14  同濟(jì)大學(xué)B樓中庭大廳的屋頂

圖15  螺栓球節(jié)點

構(gòu)造性節(jié)點，連接的是鋼結(jié)構(gòu)建筑的附屬功能構(gòu)件與結(jié)構(gòu)構(gòu)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(guān)系，突出不同材料的交融(如圖16所示)。以玻璃幕墻與受力構(gòu)件之間的連接為例(如圖17所示)，玻璃幕墻與結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接方式較為多樣，如明框式玻璃幕墻構(gòu)造、隱框半隱框玻璃幕墻構(gòu)造、全玻式玻璃幕墻構(gòu)造、點支玻璃幕墻構(gòu)造等。例如上海當(dāng)代藝術(shù)館的玻璃幕墻即采用點支玻璃幕墻構(gòu)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(shè)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(gòu)造的不斷進(jìn)步才更好地展現(xiàn)了不同材料的特征與性能。

圖16  構(gòu)造性節(jié)點

圖17  玻璃幕墻與受力構(gòu)件之間的連接

圖18 上海當(dāng)代藝術(shù)館的玻璃幕墻即采用點支玻璃幕墻構(gòu)造

索結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則

綜合考慮建筑外觀、節(jié)點傳力方式并結(jié)合節(jié)點錨具和索體類型等進(jìn)行概念設(shè)計，確定節(jié)點連接形式，然后對節(jié)點進(jìn)行具體構(gòu)造設(shè)計。

按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選用索結(jié)構(gòu)節(jié)點的材料(熱軋鋼、鑄鋼、高強螺栓副、銷軸、關(guān)節(jié)軸承、焊接材料、涂裝材料等)。

節(jié)點的構(gòu)造應(yīng)與計算假定相符，傳力路線簡捷明確、安全可靠，構(gòu)造簡單合理并便于制作、安裝、索力調(diào)整和維護(hù)，經(jīng)濟(jì)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(yīng)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》、《索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》、《預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》、《鑄鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定。

節(jié)點的承載力設(shè)計值應(yīng)不小于拉索內(nèi)力設(shè)計值的1.25～1.5倍。

主要受拉節(jié)點焊縫質(zhì)量等級應(yīng)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(fù)雜節(jié)點，可根據(jù)節(jié)點實際受力狀態(tài)進(jìn)行足尺或縮尺模型的檢驗性試驗(最大內(nèi)力設(shè)計值的1.3倍)或破壞性試驗(最大內(nèi)力設(shè)計值的2.0倍)。

根據(jù)環(huán)境條件、材質(zhì)、結(jié)構(gòu)形式、使用要求、施工條件和維護(hù)管理條件等進(jìn)行節(jié)點的防火與防腐設(shè)計。

螺桿連接節(jié)點設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計;其他情況下螺桿承載力設(shè)計值應(yīng)按照索拉力設(shè)計值的1.25~1.5倍選取。

⊙螺桿承載力計算時應(yīng)考慮螺紋對螺桿截面削弱的影響。

⊙應(yīng)采用雙螺母、螺母加彈簧墊片、螺母下設(shè)置止動墊圈、螺栓上設(shè)置開口銷、自鎖螺母等方式防止螺母松動。

⊙多螺桿連接設(shè)計時應(yīng)考慮合理的張拉順序，確保多根螺桿受力均衡。

⊙螺母應(yīng)緊固牢靠，外露絲扣不應(yīng)少于兩扣;對于索-索螺桿連接，應(yīng)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(jìn)行專門設(shè)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(guān)鍵部位，一般由生產(chǎn)單位進(jìn)行專門設(shè)計。

內(nèi)螺紋彎曲應(yīng)力驗算：

內(nèi)螺紋剪應(yīng)力驗算：

外螺紋彎曲應(yīng)力驗算：

外螺紋剪應(yīng)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(yù)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(dǎo)致局部壓力很大。

支承構(gòu)件沖切(剪切)驗算

若支承結(jié)構(gòu)構(gòu)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(shè)置加勁板、隔板等，使得節(jié)點連接域構(gòu)造較為復(fù)雜。對于索力大、節(jié)點構(gòu)造復(fù)雜的螺桿連接節(jié)點，應(yīng)建立有限元模型進(jìn)行分析。

*以上驗算分別按照現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行

索夾節(jié)點的定義與構(gòu)成

索夾節(jié)點是連接索體和相連構(gòu)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(gòu)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。