索拱桁架体系索夹抗滑移试验

杨宗林

摘要：针对中铁青岛世界博览城项目展廊的索拱桁架结构体系跨度和矢高大、索夹两端索力不平衡的问题，用穿心式千斤顶顶推法测试索拱桁架体系索夹的抗滑移能力，验证索夹满足工程项目抗滑移承载能力。试验同时进行超极限顶推，测试类似索夹的抗滑移因数，评估索夹的抗滑移能力。

关键词：抗滑移;索拱体系;索夹;顶推法;试验

中图分类号：U448.25;TU393.3

文献标志码：B

文章编号：1006-0871（2019）01-0036-04

0 引 言

索夹连接是建筑索结构的关键节点，索夹滑移是影响建筑索结构安全承载的关键因素之一，而索夹的滑移大多来源于螺杆紧固力的不足。[1]

索拱桁架结构建筑净空大、张拉受力明确，索拱中悬索的设置可以改善桁架拱的变形和受力，有效提高整体结构的承载力。[2]然而，在受力状态下，若索拱桁架结构的索夹两侧悬索存在较大的不平衡力，则索夹抗滑力不足会导致索的滑移，改变整体结构的受力状态，对结构产生不利影响。因此，有必要对索夹抗滑性能进行分析。

近年来，随着国内体育场馆和公共建筑领域索结构应用日益广泛，建筑索结构索夹连接的抗滑移研究日益深入，如对重庆江北国际机场[3]、北京奥运会老山自行车馆[4]、枣庄体育中心体育场[5]、长春奥体体育场[6]等索拱体系的研究。在这些实际工程的索夹连接研究中，抗滑移因数的确定是此类节点性能研究的重点和难点。

本文针对中铁青岛世界博览城项目展廊的索拱桁架结构体系的索夹连接进行抗滑移试验研究。试验达到结构的承载极限，对其抗滑移能力及抗滑移因数选择提出建设性建议。

1 试验概述

中铁青岛世界博览城项目位于青岛西海岸新区核心区南侧，紧邻滨海大道。展廊结构布置示意见图1，东西向长为508.0 m，南北向长为287.0 m，结构为索拱桁架结构，东西向为主拱架，南北向为次拱架。展廊结构立面图见图2。每榀索拱结构间距为4.5 m，主拱架跨度为47.5 m，高度为28.8 m;次拱架跨度为31.6 m，高度为19.1 m。

索拱结构的斜拉杆和悬索采用索夹连接，斜拉杆与索夹通过销轴连接，见图3a）。悬索有2种类型：56悬索用于次拱架，68悬索用于主拱架。根据斜拉杆角度位置不同，设计2种索夹，分别见图3b）和3c）。索夹两侧的悬索拉力不一样，使得索夹会承受由此产生的不平衡力，不平衡力由索夹与悬索的静摩擦力抵抗。索夹与悬索受力情况复杂，最有效的方法就是进行节点抗滑移试验，了解节点的滑移性能，验证索夹抗滑移因数，并作为数值模拟分析的条件。

2 试件设计

展廊主次拱索体大样见图4。索体采用Galfan镀层，钢索抗拉强度为1 670 MPa，56钢索理论破断力为2 700 kN，68钢索理论破断力为3 950 kN。试验索体由项目用索供应方提供，每种直径试验钢索各2根，长度不小于2 000 mm，不制作两端锚具。

试验索夹由悬索供应方提供，索夾性能要求与工程要求相同。索夹试件螺栓与现场实际用螺栓一致。索夹安装螺杆为10.9级M16摩擦型高强螺栓，预紧力为110 kN，高强螺栓应备有配件。

为保证螺栓预紧力均匀，螺栓的施拧顺序见图5中1～8。M16高强螺栓终拧值为228.8 N·m，M24高强螺栓终拧值为780 N·m。螺栓分初拧和终拧2个阶段施工，初拧值为终拧值的50%。

设计要求索夹I抗滑移摩擦阻力Pb=200 kN，索夹II抗滑移摩擦阻力Pb=150 kN，安全因数均取1.5，因此试验滑移力分别为300和225 kN。

3 试验方案

3.1 试验准备和安装

取2种悬索规格与2种索夹形式交叉组合各1组，共4个试件，组合情况见表1。穿心式千斤顶选用YCW100B型，公称油压为51 MPa，张拉力为973 kN，张拉行程为200 mm。

为避免索夹零件影响滑移，试件组装前用干净棉布将索夹表面和螺孔油污擦拭干净。

同规格2个索夹安装示意见图6。索夹之间的索段尽量平直安装，减少因悬索调直的顶推量。两索夹间放置YCW100B千斤顶，由普通扳手拧紧环索索夹螺栓，按《钢结构高强度螺栓连接技术规程》（JGJ 82—2011）的安装要求，用力矩扳手拧紧螺栓至设计初定的力矩值[7]。施拧顺序按图5，符合规程要求。

在节点两侧与索体之间各布置1个百分表，测试索夹的滑移量。

3.2 顶推索夹步骤

（1）分步顶推千斤顶，每级加载0.1Pb，每级加载达到后持荷5 min，载荷增大速度不大于100 MPa/min，加载至索体平直，当载荷-位移曲线为载荷增长、位移不增加时，记录P值。

（2）按Pbn=Pb-P，分10级逐级加载，每级增加0.1Pb，直至索夹试件发生滑移，观察油压表和百分表，记录每级索夹试件的力和位移。

3.3 试验终止条件

试验终止条件设置3种情况：

（1）在千斤顶推力下，任一索体发生滑移达到1 mm且力-位移曲线呈现明显下降段;

（2）千斤顶推力达到1.5Pb;

（3）任何试件出现破坏导致试验无法继续。

4 试验结果讨论

试验索夹滑移量随顶推力变化曲线见图7。在达到表1试验滑移力后，均在千斤顶能力范围内继续加载至试验终止条件。4个试件均达到试验条件1终止，终止时的千斤顶读数和索夹滑移量见表2。试验照片见图8。

根据表2，试验所测试的4种情况均可满足设计抗滑移摩擦阻力，并且满足1.5倍的安全因数。

抗滑移摩擦阻力属于静摩擦力，静摩擦力存在最大值。试验显示，当施加的顶推载荷大于最大静摩擦力时会出现滑移，且位移迅速增加，载荷难以维持且出现迅速下降现象，因此图7的4条曲线均出现位移短时间迅速增长现象，千斤顶读数难以判断。

根据试验结果可知，56钢索索夹抗滑移摩擦阻力极限值大于68钢索索夹。索夹安装螺杆为10.9级M16摩擦型高强螺栓，预紧力为110 kN，所以试件的摩擦因数范围为0.260～0.375。

5 结 论

为获得中铁青岛世界博览城项目索拱桁架展廊的索夹抗滑移性能，设计索夹抗滑移试验，试验得到结论如下：

（1）试验索夹均满足承载能力极限状态，并满足1.5倍的安全能力储备，验证索夹节点设计在工程中的安全性满足要求。

（2）在相同索夹构造下，较小直径的索夹握紧力更好，表现为抗滑移能力大于较大直径索夹。

（3）所有试件试验均为达到滑移量而试验终止，此时获得静摩擦力极值，以此推算的试件静摩擦因数范围为0.260～0.375。

參考文献：

[1] 唐亮， 王熠， 崔冰， 等. 悬索桥索夹螺杆应力无损检测研究[J]. 公路， 2015（10）：125-129.

[2] 陈耀， 冯健， 盛平， 等. 新广州站内凹式索拱结构索夹节点抗滑性能分析[J]. 建筑结构学报， 2013， 34（5）：27-32. DOI：10.14006/j.jzjgxb.2013.05.004.

[3] 戴国欣， 李万伟， 邢世建， 等. 重庆江北国际机场新航站楼大跨钢桁架铸钢节点性能研究[J]. 建筑结构学报， 2005， 26（4）：70-75. DOI：10.14006/j.jzjgxb.2005.04.011.

[4] 赵宪忠， 王冠男， 陈以一， 等. 北京奥运会老山自行车馆柱脚铸钢节点试验研究[J]. 建筑结构学报， 2008， 29（1）：10-15. DOI：10.14006/j.jzjgxb.2008.01.003.

[5] 石硕， 李亚明， 罗晓群. 枣庄体育中心体育场内环索桁架单索索夹抗滑移试验研究[J]. 建筑结构， 2017， 47（21）：20-24. DOI：10.19701/j.jzjg.2017.21.004.

[6] 刘文锐. 柔性空间结构施工过程数值模拟和索长误差敏感性分析[D]. 上海：同济大学， 2017.

[7] 钢结构高强度螺栓连接技术规程：JGJ 82—2011[S].

（编辑 武晓英）