赵鹏飞, 刘枫, 钱基宏, 赵基达, 马明

索结构在建筑行业内得到广泛的应用,范围包括各类大跨度公共建筑屋盖的悬索结构、斜拉索结构、张弦结构,以及大面积拉索幕墙结构等,其轻盈的造型、通透的观感受到建筑师及广大业主的热烈欢迎。国家体育馆[1-2]、国家速滑馆[3]、东莞篮球馆[4]、青岛北站[5]、深圳北站[6]等项目就是典型的例子。目前,索结构已成为大跨度公共建筑的主要结构形式之一,且这些公共建筑一般均为当地的地标性建筑,影响力大。

《索结构技术规程》(JGJ 257—2012)(简称规程JGJ 257—2012)自2012年批准实施以来,在建筑行业内得到广泛的应用,成为索结构工程设计、施工、工程验收的重要依据。但应该看到,经过多年的发展,索结构在材料、节点、计算等方面都有了长足的进步,现版本的规程JGJ 257—2012已有部分条文不完全适应目前的工程实践。同时新一版的相关国标、行标也已修订发布,规程JGJ 257—2012也迫切需要与新标准的协调,特别是与相关通用规范的协调。为了更好地发挥规程JGJ 257—2012对我国索结构的技术指导作用,提高索结构的设计、施工水平,修订的必要性愈发迫切。

根据住房和城乡建设部建标函〔2021〕11号的要求,由中国建筑科学研究院有限公司会同有关单位对行业标准规程JGJ 257—2012进行局部修订。局部修订工作自2021年4月开始,2022年6月完成报批稿。

本次局部修订的主要原则为:1)全面吸收近年来国内外在索结构领域的最新研究成果及成熟的实践经验;2)成熟的新技术内容纳入规程;3)各章的体例基本与原规程保持一致;4)按照局部修订的要求,原规程条文内容如与工程实践及科研成果不抵触、与现行国家标准特别是通用规范无矛盾、条文文字表述不会引起歧义的,尽量维持原状。

2.1 柔性索索体分类

原规程JGJ 257—2012将索体分为四种:钢丝束、钢绞线、钢丝绳与钢拉杆,密闭索划归为钢丝绳。在工程实践中,很多技术人员对钢绞线、钢丝绳的区别不是很清楚,对二者的分类也有不同的意见。这些意见包括:1)钢绞线仅局限于单根1×7截面及多根1×7截面平行组成的索体,其余均不应称为钢绞线,而应称为钢丝绳;2)将钢丝绳全部归为钢绞线;3)钢丝绳仅特指为多股钢丝绳;4)将密封钢丝绳单独列出或归为钢绞线。

为了厘清钢绞线、钢丝绳的区别以及密闭索的分类,在本次修订过程中,编制组对此进行了广泛的调研与研讨。

2.1.1 钢绞线、钢丝绳的区别

钢绞线、钢丝绳的比较以各种索体对应的国标(行标)为基础(表1),从定义、截面形式、捻制工艺、弹性模量、强度级别等方面进行了比较(表2)。

表1 钢绞线、钢丝绳对应的标准

表2 钢绞线、钢丝绳(非密封)的比较

注:n为钢绞线中钢丝总根数,n=1+(1+2+3+4+…+N)×6,N为钢绞线钢丝层数(除中心钢丝外钢丝层数)。

通过表2及工程调研,可得:

(1)房建专业一般使用的是单捻钢丝绳系中的单股钢丝绳、多股钢丝绳系中的单层多股钢丝绳(单层多股钢丝绳使用得较少)。

(2)单股钢丝绳与钢绞线既有区别又有联系:1)从截面上看,1×19及以上截面的钢绞线与单股钢丝绳是相同的(钢丝绳要求至少有两层钢丝围绕一个中心钢丝,所以1×7及以下截面不属于钢丝绳),二者容易造成混淆;其余钢丝绳与钢绞线在截面上有明显差别。2)单股钢丝绳与钢绞线的捻制工艺不同,由于钢丝绳某些特殊的用途与要求,其捻距普遍要比钢绞线小。3)二者的后处理方式不同,钢绞线需要稳定化工艺处理。4)在房建领域,钢绞线的应用比单股钢丝绳更为广泛(可能是因为前者的弹性模量大)。

基于此,此次修订,修订规程JGJ 257—2012拟不将钢丝绳与钢绞线强制统一。

2.1.2 密闭索的分类

目前涉及密闭索的标准有两本,分别是行业标准《密封钢丝绳》(YB/T 5295—2010)以及国家标准《钢丝绳 术语、标记和分类》(GB/T 8706—2017)中的第2.6.3.4条。因为此两本标准均将密闭索划为钢丝绳(称之为密封钢丝绳或全密封钢丝绳),所以修订规程JGJ 257—2012仍维持将密闭索划为钢丝绳的分类方法。

综上,修订规程JGJ 257—2012采用的建筑工程柔性索体材料分类见图1。

图1 建筑工程柔性索体材料分类

2.2 明确初始预应力状态对应的荷载状态

初始预应力状态是指索结构在预应力施加完成后实现结构初始几何形态的平衡状态。它是后续挠度计算的起点,直接与挠度计算结果相关。以往在工程实践中,关于此状态对应的荷载一直有争议。此次修订在相关术语的条文说明中指出:初始预应力状态考虑的荷载可仅为拉索自重也可包含其他恒载,由设计人员根据实际情况确定。初始预应力状态包括索结构的初始几何形状及相应的预应力分布两个方面。

条文说明的内容相当于将初始预应力状态对应的荷载决定权交给了设计人员,后续挠度可以仅计入可变作用产生的效应,也可计入“可变作用+部分永久作用”的效应。

2.3 索结构屋盖挠度允许值

本次修订过程中,编制组收集了近年来国内16座大型索结构屋盖的技术资料,包括体育馆、体育场、会展中心等多种建筑形式,而结构形式包括单层索网、索桁架、弦支网壳、索穹顶等。根据上述资料及征求意见,将索结构屋盖的挠度限值汇总为一个条文且对限值进行了修改,见表3。

表3 索结构屋盖挠度容许值

注:L为索结构的跨度,对于体育场等建筑的挑棚结构,跨度L应取挑棚结构悬挑长度的2倍。

进行的修订主要有:

(1)适当放松对索网、双层索系、横向加劲索系的位移限值,同时收紧了对张弦网壳(弦支穹顶)的位移限值。此项修订,一方面吸收了工程实践的成果,另一面也充分考虑了各种索结构形式自身刚度的限制,在确保结构安全与正常使用性能的前提下,按不同的索结构体系给出挠度容许值。对悬索结构屋盖适当放松挠度容许值,也是基于不影响悬索结构的视觉外观与经济、合理性等考虑。

在调研的16个项目屋盖挠度值中,风载作用下,不符合原规程JGJ 257—2012限值的有5项,不符合修订规程JGJ 257—2012限值的减为3项(2项为膜材屋面、1项为金属屋面);在屋面活载作用下,不符合原规程JGJ 257—2012限值的有8项,不符合修订规程JGJ 257—2012限值的减为2项(均为膜材屋面)。可以看出,在新修订下,大多数项目的屋盖挠度值是满足要求的。不满足修订规程JGJ 257—2012要求的主要是在体育场建筑中采用单层车辐式马鞍形索结构的项目,该索结构体系其结构刚度相对较柔。

(2)明确了体育场挑棚结构跨度L的取法。在以往工程实践中,体育场跨度的确定方法并不统一,部分项目采用整体结构长度作为挠度取值的基准(图2),这不符合索结构受力性态的跨度概念,也不是表2限值的确定依据。

图2 体育场等建筑的挑棚结构跨度L的取法

2.4 张拉控制原则

原规程JGJ 257—2012在7.4.4条第3款,对悬索结构的拉索张拉控制原则的规定为:拉索张拉前应确定以索力控制为主或结构位移控制为主的原则。对结构重要部位宜同时进行索力和位移双控制;并规定了索力和位移的允许偏差。

本次修订为:拉索张拉前应确定以索力控制为主或结构几何形状控制为主的原则。对结构重要部位宜同时进行索力和几何形状双控制;并规定了索力和几何形状的允许偏差。

主要更改内容为将原规程JGJ 257—2012的“位移”改为结构的“几何形状”。做此修订的原因为:1)索结构张拉之前,索网处于松弛状态,结构位移控制的起始点本身就是不确定的;此处位移的物理概念不明确;2)预应力张拉的目的是形成既定的索结构几何形状,将索结构几何形状作为控制目标更符合索结构设计中力与形相应的初衷。索结构几何形状可以用垂度与拱度进行描述,也可以用空间坐标进行描述。修订规程JGJ 257—2012的控制原则其物理概念更为清晰也便于施工操作。

2.5 张拉控制指标

原规程JGJ 257—2012在7.4.9条第3款,对悬索结构的拉索张拉提出如下要求:各阶段张拉后,应检查张拉力、拱度及挠度;张拉力允许偏差不宜大于设计值10%,拱度及挠度允许偏差不宜大于设计值5%。

本次修订为:各阶段张拉后,应检查索力、垂度及拱度;索力允许偏差不宜大于计算值10%,垂度及拱度允许偏差不宜大于跨度的1/1 000。主要更改内容为以下两点:1)将挠度改为垂度:事实上,张拉完成后在未进一步施加荷载之前,结构不存在挠度,改为垂度更符合原规程JGJ 257—2012的原意。对于不易确定拱度与垂度的结构,可以将控制点的坐标偏差代替垂度与拱度作为检查对象。2)垂度及拱度允许偏差的基准由设计值改为跨度:部分索结构的拱度与垂度绝对值较小,以其为基准进行控制难度较大,改为以跨度控制可以解决此问题。

如以索结构常用的承重索垂跨比与稳定索拱跨比考虑,当按跨度的1/1 000控制索结构的垂度与拱度允许偏差时,其对应的垂度及拱度与设计值的允许偏差为1%～3%,这比原规程JGJ 257—2012的5%事实上更为严格。对双层索系及横向加劲索系也是如此。

2.6 柔性索承载力设计值

2.6.1 承载力设计值确定基准的修改

原规程JGJ 257—2012在5.6.1条规定拉索的抗拉力设计值应按式(1)计算:

(1)

式中:F为拉索的抗拉力设计值,kN;F_tk为拉索的极限抗拉力标准值,kN;γ_R为拉索的抗力分项系数,取2.0,当为钢拉杆时取1.7。

本次修订将F_tk定义为拉索的公称破断力。主要更改内容为以下三点:1)将拉索改为柔性索,以区别于劲性索,后者的承载力设计值可参照相应的钢结构设计标准。2)将抗拉力设计值改为承载力设计值,进一步明确此条文对柔性索抗力规定的属性。3)将拉索的极限抗拉力标准值改为公称破断力,与《建筑工程用索》(JC/T 330—2011)及《斜拉桥用热挤聚乙烯高强钢丝拉索》(GB/T 18365—2018)、《钢结构工程施工质量验收标准》(GB 50205—2020)(标称破断力)等标准保持一致。

原规程JGJ 257—2012涉及的索体材料及对应的产品标准较多,且各本产品标准对“公称破断力”对应内容的称谓并不相同。本次修订重新梳理了各类索体材料引用的标准;为使用方便,表4列出了各种索体对应产品标准及公称破断力取值方法。

表4 各种索体对应产品标准及公称破断力取值方法

2.6.2 拉索的抗力分项系数γ_R取值的讨论

在原规程JGJ 257—2012的实施过程中,有收到提高拉索抗力分项系数γR取值的反馈意见。在此次修订过程中,结合国内现有索产品与索结构设计、施工经验,参考国外相关规范,对此问题进行了讨论。

对标的国外规范主要是美国ASCE主编的Structural applications of steel cables for buildings(ASCE/SEI 19-16)[7]以及欧洲标准Design of structures with tension components(BS EN 1993-1-11)[8],二者均不包含钢拉杆及劲性索。美国ASCE/SEI 19-16第3.3.1条,将材料分项系数(safety factor)Ω取为2.2,但应该看到,其对应的荷载分项系数不大于1.0;而我国的恒载与活荷载组合后的整体荷载分项系数大约为1.3,拉索的抗力分项系数2.0,因此对索结构总体安全储备系数大约为2.6,稍大于美国ASCE/SEI 19-16的要求。欧洲BS EN 1993-1-11∶2006第6.2条,将材料分项系数取为1.5,其对应的荷载分项系数取值方式与我国标准取值基本一致。所以,其总体安全储备也是稍低于原规程JGJ 257—2012的。

基于与国外标准的对比情况考虑,没有必要再进一步提高拉索抗力分项系数γR的取值。另外,随着新一版《建筑结构可靠性设计统一标准》(GB 50068—2018)中对荷载分项系数的提高,索结构具备更大的安全储备。

2.7 节点承载力的要求

原规程JGJ 257—2012在6.1.3条规定:索结构节点的承载力和刚度应按现行国家标准《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)的规定进行验算。索结构节点承载力设计值应满足其承载力设计值不小于拉索内力设计值1.25～1.5倍的要求。

本次修订为:索结构节点的承载力应按现行国家标准《钢结构通用规范》(GB 55006—2021)、《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)的规定进行验算,也可根据承载力试验确定。索结构节点承载力设计值应满足式(2)要求:

N_j≥max(F,1.25γ₀N_d)             (2)

式中:N_j为索结构节点承载力设计值,kN;N_d 为拉索承受的拉力设计值,kN;γ₀为结构重要性系数。

主要更改内容为以下三点:1)删除了对索结构节点刚度的要求,其物理概念并不明确;2)除了计算分析,允许通过试验确定节点承载力;3)索结构节点的承载力设计值由仅由拉索内力设计值控制,改为由拉索承受的拉力设计值及拉索的承载力设计值双控。这主要是考虑到部分项目由于特殊原因,存在拉索的承载力设计值大于拉索承受的拉力设计值较多(超过25%)的情形,为了实现“强节点”所做的修改。

2.8 增加对索结构监测的要求

索结构的应用对象往往是较大规模的公共建筑,对其进行监测是必要的。本次局部修订,增加了一节,对索结构“监测”提出了原则性要求:1)索结构在施工期间应安排相应的监测工作;使用阶段的监测,仅对重要索结构提出了要求,这个规定,综合考虑了结构安全性及经济性因素。2)施工期间监测内容应包括索力、索结构几何形状、应变、环境;使用阶段监测内容应包括索力、变形、应变和环境。施工期间和使用期间的监测内容略有不同,后者着重于结构变形。3)对监测数据的处理进行了规定:监测期间,监测结果应与结构分析结果进行适时对比,当监测数据异常时,应及时对监测对象与监测系统进行核查,当监测值超过预警值时应立即报警。

2.9 增加对劲性索的规定

原规程JGJ 257—2012关于劲性索,仅在术语2.1.11及条文3.2.1有所涉及。此次局修,对劲性索的规定进行补充完善:

(1)劲性索的术语由“长度远大于其截面特征尺寸,可同时承受拉力和部分弯矩,如型钢等”改为“长度远大于其截面特征尺寸,可同时承受拉力和部分弯矩且全截面受拉的构件”。既强调劲性索可受弯的特点,更强调其“全截面受拉”的受力特性。

(2)在4.2节“索体材料与性能”中增加对劲性索材料的规定,明确了劲性索材料与柔性索的区别:“劲性索宜采用Q355、Q390、Q420、Q460和Q460、Q500、Q550、Q620、Q690和Q355GJ、Q460GJ、Q500GJ、Q550GJ、Q620GJ、Q690GJ钢,其质量应分别符合现行国家标准《低合金高强度结构钢》(GB/T 1591—2018)和《建筑结构用钢板》(GB/T 19879—2015)的规定。劲性索用型材产品的规格、外形、重量及允许偏差应符合国家现行相关标准的规定”。

(3)在5.6节“拉索承载力验算”中增加对劲性索承载力验算的规定:“劲性索的承载力验算应符合现行国家标准《钢结构通用规范》(GB 55006—2021)、《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)、《高强钢结构设计标准》(JGJ/T 483—2020)的规定”,即劲性索验算时采用钢结构系列的标准规范。

《索结构技术规程》(JGJ 257—2012)的局修工作,尽可能全面反映国内外近10年来在索结构产品、设计、施工等方面新成果、新经验,结合广泛征集的意见及反馈,主要梳理、变更、完善的内容有:1)柔性索索体的分类;2)索结构屋盖挠度允许值及其起算点对应的荷载状态;3)悬索结构的张拉控制原则及指标;4)柔性索承载力确定的基准;5)节点承载力要求;6)索结构的监测;7)劲性索的定义、材料、验算。

(1)对节点的计算分析、试验等方面的规定需要进一步细化,如索夹抗滑移计算及试验等,本次修订对此仅提出了一些原则性的要求,以后应加强研究并注重积累经验。

(2)索结构的节点不但具有结构性质,也具有很强的建筑性质。本次局部修订工作,对原有部分节点形式进行了修改,也增加了一些节点图示。后续应根据工程经验,研究索托结构中的滑动节点、屋面系统与索网屋面的新型连接节点等内容,并在规程中得到反映。

(3)索结构对风荷载极为敏感,风荷载的取值方式对索结构的设计具有重大影响。下一步有必要将索结构工程的风工程研究资料进行提炼并反映到规程中,不但有助于提升相应的技术水平,也可以节省大量的重复研究费用。

(4)因索结构通常运用于人员密集的公共建筑中,其防火问题必须引起足够的重视。本次修订新增一项防火措施,下一步需根据《建筑钢结构防火技术规范》(GB 51249—2017)等相关标准、结合已有工程经验及研究成果,对索结构的防火计算及措施进行更具针对性的规定。

(5)本次修订新增一节“监测”,鉴于索结构的特点,索结构在施工及使用阶段,对索力及相关构件的监测是十分重要的工作。以后需继续收集资料、研判数据,增强条文的可操作性。

致谢：本文是《索结构技术规程》(JGJ 257—2012)修订组共同的劳动成果,除署名作者外,其余编制组成员为武岳、薛素铎、朱忠义、王泽强、向新岸、罗斌、任俊超、孟亚丹和骆治安。在此向编制组全体成员及审查专家范重、王立军、李亚明、李霆、刘彦生、曾滨、郭彦林、周健和秦杰表示诚挚的感谢!

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