4．鋼索的選型與索桁架預應力的形成
鋼索的設計要符合現行標準《建筑用
不銹鋼絞線》JG/
T200-2007,《建筑幕墻用鋼索壓管接頭》JG/
T200-2007。
4.1 鋼索預張拉處理
在鋼索選型、制作與加工過程中在確保隱式單索體系鋼索受力性能的基礎上還要考慮其
防腐因素,所以在制作過程中要有嚴格的加工工藝控制。玻璃幕墻用鋼索由于性能及防腐的要求通常選用1×19或1×37T的奧氏體或奧氏體加
鐵素體不銹鋼鉸線,其
彈性模量E=1.2~1.7× 1O~sN/mm2。它受力均勻,能充分發揮經多次冷拉
硬化的高強不銹鋼鋼絲材料的
抗拉強度。若使用高強度
鋁包鋼鉸線,以有效的減少鋼鉸線的外徑以更好的適應隱索構造的空間要求。
預應力索桁架結構玻璃幕墻使用的鋼索在施加預拉力之后成為獨立工作的體系,工作狀態是處于持續永久受力狀態。為保證鋼索穩定工作性能,對每條鋼索在使用前都必須進行預張拉處理。目的是消除索內非
彈性變形因素,使其在工作狀態中應力與應變呈線性關系,在彈性變形狀態下工作。如圖4,1所示,預張拉的拉力取用鋼索破斷力的50%,經3次反復張拉歷時1.5小時。對于面積為A、長度為L的松馳新索,在拉力N作用下伸長ΔL,如果定義應力為σ=N/A,應變ε=ΔI/L,則應力-應變關系為:
第一特征段,隨著應力不大的增加中,應變迅速增加,其中大部分是永久應變。在第二階段,應力應變變化相對均勻,這一分階段的σ及ε近似認為是常數,永久應變εP變化不大。第三階段是永久應變的迅速增加的特征的,應力緩慢增加至索的破壞強度。實際縈彈性模量被定義為第二階段曲線切線模量的平均值。
索的反復加載效應是指張緊索和部分張緊索。將松弛新索均勻張拉至選定的拉力后,再均勻卸載,這時索體存在的殘余永久變形。在以后2~n次加卸載后,每次殘余永久變形為εP2....εPn。隨著加卸載次數的增加,σ ˉε曲線將趨于直線。索的殘余永久應變為εP=ΣPi,如果一根索在反復加卸載若干次后已消除了大部分殘余應變,再次加載并卸載后只有較小的殘余應變。當εP<0.1×10三次方,這樣的索可稱為張緊索。張緊索在一定的加載范圍內可視為線彈性的,其彈性模量一般比松弛新索高20%～～30%,實驗表明,一般松弛新索經10次循環加卸載后就可消除大部分殘余應變。
如果一根索在反復加卸載若干次后只能消除部分殘余應變,這樣的索稱為部分張緊索。當索被用于工程結構后,未消除的殘余應變將會因材料蠕變效應慢慢得到消除,但這將使索產生松弛。
鋼索在實際生產過程中的預張拉工藝目前大致有兩種方法:
工藝1:在索的最大破斷力40%～～60%間反復張拉5次,然后持續10分鐘;
工藝2:在索的最大破斷力的50%～～55%,持續張拉1~2小時;美國資料:鋼絲繩取55%,
鋼絞線取50%,維持0.5～2小時;前蘇聯取最大破斷力的65%,歷時0,5小時。
4.2 不銹鋼絞線強度設計值
不銹鋼絞線最小破斷拉力的計算方法按《建筑用不銹鋼絞線》JG/
T201-2007計算最小破斷拉力,公式如下:
(當需方要求時可采用整繩破斷拉力試驗方法。)
不銹鋼絞線強度設計值=不銹鋼絞線最小破斷拉力(Fm) ×
軋制系數(0,9)/安全系(Κ )。鋼索強度設計值需考慮材料安全度,在破斷應力的基礎上除以材料安全系數K=1.8。
不銹鋼絲強度要求,高強度級≥1512 Mpa,中強度級≥1163 Mpa,根據供需雙方協議,也可采用其他強度級別的不銹鋼絲。
4.3 鋼索的下料
鋼索的下料長度是否精確對索桁架的施工安裝和預應力形成有很大的影響,經實踐證明采用
拉應力狀態下料對保證下料尺寸
精度有很大的幫助,也就在下料前對鋼索施加一定的軸向拉應力使鋼索拉直后進行
切割,下料時必須注意經預張拉處理后的索才可以按圖紙尺寸要求長度下料,同時注意在同一工程使用的同一直徑索在進行拉應力狀態下料時,拉力應保持一致。
任何材料在長期
荷載效應作用下都會產生蠕變,索也不例外,雖然關于索的蠕變研究已進行了很長的時間,但至今仍很難確定索蠕變的程度,如果
線材是以正規規范的方法絞合并具有合適的絞合長度,而索是施加過預應力的張緊索,考慮到鋼絲同時處于冷拉狀態。因此工程設計中可以忽略索正常工作壽命內的蠕變效應。
所有類型的索都有其疲勞壽命,超過疲勞壽命后索內線材將全開始疲勞
斷裂,疲勞壽命取決于索內的應力幅值和工作條件。對繞軸卷動彎曲的索,其疲勞是由
拉伸應力和
彎曲應力組合作用引起的。而工程結構中的索,主要承受拉應力,只有脈動風效應會使索中產生幅度應力。
按《建筑幕墻用鋼索壓管接頭》JG/
T201-2007的要求,接頭應在承受不少于7.5萬次鋼索最小破斷拉力的15%～～30%的脈動沖擊荷載后,仍滿足最小破壞拉力大于鋼索最小破斷拉力的90%的要求。
4.4 索結構施工前的試驗與檢測
索結構
玻璃幕墻的性能指標是由結構構造、材料性能和安裝精度等多方面因素所決定的,所以在施工前應按實際使用的材料及安裝方案進行各項性能的檢測,確保達到設計要求。
對索結構需進行以下檢測與試驗:
(1)鋼索結構承載靜力試驗(按加載按設計值的1.5倍取值);
(2)鋼索破斷力試驗;
(3)索套管接頭壓制后進行破斷力試驗;
(4)結構與玻璃連接機構的承載力試驗;
(5)材料的化學分析、物理性能試驗。
4.5 施加預應力
為確保幕墻的性能,鋼索的預應力值應準確,預應力越大施工中預應力施加的難度就.越大,因此在設計時就應考慮到施工順序和預應力施加方案。嚴格按規定的步驟進行施工,防止出現由于施加預應力強起的支承結構嚴重超載的現象,張拉步驟:
(1)在進行索預應力張拉前先將堅向索布設到位,采用專用工裝將索拉直,并使用有拉力
傳感器的液壓千斤頂等設各按最終預應力值的30%進行第一級張拉。順序是從中部向兩端逐條對稱張拉。此后對索的分布尺寸進行一次復合測量,工程中常采用
張力測量儀測量。將中部鎖緊機構按尺寸安裝到位,要求只進行初始連接不鎖緊。
(2)經調整達到索內力基本平衡,中部節`點空間定位尺寸基本到位后按最終預應力值的20%進行第二級張拉。順序與第一次張拉一致。張拉全部到位后按各節點總定位尺寸,將索的鎖緊機構和玻璃連接機構調整到位,并進行初期鎖緊和初期固定。保持24小時后檢查各邊部節點和中部節點以及邊緣支承結構．
(3)當確定各節點和邊部支承結構無異常情 張拉力況后,按最終預應力值進行第三級張拉之后進行100%尺寸精度測量調整,鎖緊各節點的連接機構。待76小時后再進行一次尺寸復合采用高精度的索內力測定儀對索內應力進行檢測,確認內力均衡后 30%方可進行下一道安裝工序。(見圖4.4)
<
在施加預應力過程中必須注意以下幾個方面:
(1)施工時預應力的確定要按施工過程中的氣溫變化調整預應力,設計人員要給施工人員提供合攏溫度與預應力值對照表確保索內應力在溫度變化過程中的均衡狀態和安全性。
(2)在節點定位時應考慮到鋼索的長度是隨著拉應力的增力面伸長,不論是在一端施加預應力還是在兩端同時施加預應力都要按索的彈性模量E和索的
金屬有效面積A計算出伸長量來保證節點定位的準確度,減少調整量。
(3)張拉
設備的拉力傳感器和索內應力測定儀在使用前應進行標定,保證測出應力指標的
可靠性。
(4)在施加預應力的過程中要同時觀查邊部支承結構的變形情況和穩定性,看是否符合設計要求,發現異常情況要及時處理。
(5)索桁架加工的誤差應符合(表4.4)要求:
5．結束語
鋼索結構支承點支式玻璃幕墻,在近年來愈來愈多的使用在現代建筑中,從雙層索系到單層索網、從平面到曲面玻璃幕墻。使得原本規矩、粗笨的結構也活躍起來,全透明的玻璃支撐在索結構上,道道纖細的鋼索發散在空中,精美、華麗的連接件點綴其間,給人留下深刻印象,也極大的滿足了建筑師對
建筑立面通透性的追求。與其它柔性結構相比,它顯得更加簡潔、純凈。
參考文獻
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T201-2007
[2] 《建筑幕墻用鋼索壓管接頭》,中華人民共和行業標準,JG/
T201-2007
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王德勤,索結構玻璃幕墻用索桁架的構造與設計,《中國
建筑裝飾裝修》2005
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