密闭索索夹抗滑移试验研究

李 嘉 刘火明 刘盟盟 向 卫 辜 飞

中国建筑第八工程局有限公司西南分公司 四川 成都 610041

索穹顶结构因设计简洁、结构优美，在体育场馆、会展中心等建筑中得到广泛的应用[1-4]。与此同时，新的索体材料也不断涌现，例如采用锌-5%铝-混合稀土合金镀层（Galfan）的密封索体材料。本文所提项目为全球首例大开口索穹顶结构，Galfan镀层密封索直径达125 mm，采用G20Mn5QT材质铸钢索夹。在新材料、超规格、相关理论依据不足等多重因素影响下，给施工带来了巨大的难度。以1∶1实体模拟了单个索节点在结构设计工况下的单索及群索的抗滑移情况。经验证，试验数据准确可靠，索的位移值及高强螺栓压力在设计允许范围内，可为类似工程的设计、施工提供借鉴。

1 工程概况

成都凤凰山体育中心项目中的专业足球场创新性设计了全球首个大开口葵花形索穹顶屋盖体系，该屋盖由支承结构、外环网架、大开口索穹顶结构以及内环桁架组成（图1），结构体系新颖、技术含量高。

图1 屋盖结构体系示意

2 试验概述

索穹顶由上层的脊索＋撑杆＋径向斜索＋环索组成，布置有2道环索，径向设置80道斜拉索，每圈设置40根撑杆。其中内环索为2根φ115 mm进口密封索，外环索为4根φ125 mm进口密封索。本次试验选取外环索密封索节点（图2）为试验对象，对其单索和群索情况进行抗滑移分析。

图2 试验选取节点位置及大样示意

环索与斜索及撑杆采用铸钢索夹连接，其中环索贯通，索夹由上、下索夹和高强螺栓副构成。上、下索夹通过高强螺栓＋盖板夹住索体，防止索夹和索体之间相对滑动。高强螺栓采用10.9级大六角M27摩擦型高强螺栓。

3 试验内容

索夹的抗滑移试验包括单孔道索夹抗滑移承载力试验和群索的抗滑移承载力试验。群索试验在索夹4个孔道上都安装拉索，同时张拉，顶推加载至设计不平衡力，考察4个孔道的滑移情况。

2个试验均在拉索达到设计预应力状态下进行，试验过程中实时监测高强螺栓紧固力变化、实时顶推力和滑移量。根据顶推力-滑移量变化曲线，确定索夹单孔和四孔的抗滑承载力，提出本项目索夹高强螺栓紧固力衰减系数和孔道摩擦因数。

环索单个索夹的最大总不平衡力为1 300 kN，即每根索孔的抗滑移力为325 kN。索夹位置如图3所示。

图3 外环索夹W17透视图

4 试件材料及试验方法

4.1试件材料

试件材料主要为环索夹W17、外环封闭索，具体规格和数量见表1。

表1 拉索-索夹试验件

试验拉索的长度、试验索夹（图4）的高强螺栓的具体尺寸，待深化后确定。

图4 试验索编号示意

4.2试验方法

实际结构索夹受环索索力、撑杆压力、斜索拉力共同作用（图5，红色为拉力，蓝色为压力），在试验条件下，将径向斜索拉力和撑杆压力合并，采用顶推索夹的方式对环索加力，简化符合力学原则（图6）。

图5 索夹受力简化

图6 试验反力架轴测图

为了约束索夹在顶推加载时发生的平面外变形，在试验反力架索夹设置上下2道导向梁，导向梁上下夹住索夹，确保索夹在加载时沿着水平方向变形（图7）。

图7 约束索夹变形装置

5 试验步骤

索和索夹滑移试验共分为5个子试验。4根拉索分别进行单索滑移试验和4根索共同的群索滑移试验，试验步骤如下：

1）将拉索和索夹安装在试验反力架上。

2）安装索夹盖板，连接高强螺栓副和高强螺栓压力传感器，并按照预拉力用电动扳手对高强螺栓施拧（图8）。本工程采用M27高强螺栓，螺栓预拉力为290 kN。

图8 电动扭矩扳手施拧顺序

3）安装顶推梁、顶推千斤顶及顶推压力传感器和位移计（图9）。

图9 推力梁及推力千斤顶

4）安装加载千斤顶，加载千斤顶底部加4 mm厚PTFE板，以减小索夹滑动时的切向阻力。

5）分级张拉拉索至0.4倍标称破断力并持载（群索试验时总索力加到1倍设计荷载），持载时间至高强螺栓紧固力衰减稳定，加载的同时记录索端的环索压力环的读数，记录各个试验阶段环索索力的变化。

6）分级加推力顶推索夹，记录荷载和滑移值，直至索夹与索体间出现明显大幅度的相对滑移。

7）自施拧高强螺栓开始，自动监测盖板高强螺栓的紧固力，监测采集时间间隔为60 s，自顶推索夹开始，自动监测加载力值，监测采集时间间隔为5 s，直至顶推加载结束。

8）拉索卸载，拆除索夹，换下一个试件进行试验。

9）分析试验数据。

U1索、U2索、D1索、D2索单索和4根索共同的抗滑移试验均按以上步骤进行。

6 试验结果记录及分析

6.1群索滑移试验数据记录及分析

群索滑移试验中，环索两端锚固，通过中间加载千斤顶施加横向推力对环索间接张拉，待环索张拉到设计值后，再利用侧面的加载千斤顶施加推力，检验索夹和索的抗滑移性能是否能满足设计要求（图10）。

图10 群索滑移试验加载受力模式简图

1）群索滑移试验油压表数据（表2）。中间加载千斤顶，加载使群索达到张拉设计值。

表2 群索加载过程目标力

表3 群索滑移试验压力环两端索力合力

3）高强螺栓压力传感器结果。试验实时测量了16个高强螺栓（图11，U为顶部，D为底部）的压力变化曲线，在环索张紧过程中，盖板高强螺栓拉力有变化，影响范围在－15～32 kN（相对于螺栓初始拉力），本试验没有发现明确的变化规律。在索夹两侧不平衡力的作用下，如果产生滑移，高强螺栓内力也会发生变化，变化幅度在10 kN范围内。

图11 侧推时实时监测的高强螺栓传感器布置示意

4）推力-位移变化分析。群索滑移试验侧推采用2个150 t千斤顶进行顶推，设计要求侧推力是1 300 kN，试验实际侧推力达到2 467 kN，为设计值的1.9倍。在设计要求的不平衡力作用下，索的滑移量小于0.3 mm，在1.9倍设计不平衡力的作用下，索的滑移量在0.7 mm以下，满足设计要求。

6.2单索滑移试验数据记录及分析

单索滑移试验将每根索单独张拉到设计值后，用侧面千斤顶顶推，检测单根索的索夹索孔位置的滑移，从而检测单索抗滑移能力。在进行某根单索抗滑移试验时，其他索两端的螺母放开，仅试验索受张力。

单根环索与索夹通过盖板连接后，通过中间加载千斤顶的方式张拉环索，环索达到设计值（0.4倍索破断力，6 320 kN）时，通过侧推千斤顶来施加设计不平衡力（325 kN），检验索抗滑移的安全性是否满足要求，如图12所示。

图12 单索滑移试验加载受力模式简图

1）试验索拉力值。U1、U2、D1、D2这4根索的张拉通过中间加载千斤顶的方式进行，分2级，为6 MPa和11.4 MPa。通过中间加载千斤顶，间接对环索进行张拉，设计误差范围在±10%以内，能够满足试验精度要求，如表4所示。

表4 加载过程中的油压和索力

2）高强螺栓压力传感器结果。高强螺栓拉力值并无明显规律，这里不再列出分析结果。

3）推力-位移变化分析。环索索力张拉到设计值后，用侧推千斤顶施加推力，直到索夹滑移。发生明显滑移时，索夹的不平衡力均大于设计值325 kN，满足安全要求，4根索计算得到的索和索夹摩擦因数为0.4。

7 结语

本次试验完成环索的群索滑移试验、单索滑移试验，从以上数据得出如下试验结论：

1）通过将索两端锚固，中间横向加载的方式可以用较小的力对环索施加比较大的预应力，预应力的精度满足试验要求。

2）环索张拉及施加侧向推力的过程会对索盖板的高强螺栓拉力产生影响，变化范围为－15～32 kN（相对于高强螺栓初拉力），高强螺栓拉力有增有减，没有特定的规律。当索夹产生滑移，高强螺栓内力变化幅度在±10 kN范围内。

3）试验实际侧推力达到2 467 kN，为设计值的1.9倍。在设计要求的不平衡力作用下，索的滑移量小于0.3 mm，在1.9倍的设计不平衡力作用下，索的滑移量在0.7 mm以内，在1.9倍侧推力下，索与索夹没有产生明显的滑移变化，索夹的抗滑移能力满足设计要求。

4）4根单索抗滑移力最小值为564.5 kN，最大值为940.8 kN，均大于设计要求的325 kN。

5）4根单索抗滑移试验得到的摩擦系数最小值为0.31，最大值为0.48，平均值为0.4。