密閉索索夾抗滑移試驗(yàn)研究

李 嘉 劉火明 劉盟盟 向 衛(wèi) 辜 飛

中國建筑第八工程局有限公司西南分公司 四川 成都 610041

索穹頂結(jié)構(gòu)因設(shè)計(jì)簡潔、結(jié)構(gòu)優(yōu)美，在體育場館、會展中心等建筑中得到廣泛的應(yīng)用[1-4]。與此同時，新的索體材料也不斷涌現(xiàn)，例如采用鋅-5%鋁-混合稀土合金鍍層（Galfan）的密封索體材料。本文所提項(xiàng)目為全球首例大開口索穹頂結(jié)構(gòu)，Galfan鍍層密封索直徑達(dá)125 mm，采用G20Mn5QT材質(zhì)鑄鋼索夾。在新材料、超規(guī)格、相關(guān)理論依據(jù)不足等多重因素影響下，給施工帶來了巨大的難度。以1∶1實(shí)體模擬了單個索節(jié)點(diǎn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工況下的單索及群索的抗滑移情況。經(jīng)驗(yàn)證，試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，索的位移值及高強(qiáng)螺栓壓力在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，可為類似工程的設(shè)計(jì)、施工提供借鑒。

1 工程概況

成都鳳凰山體育中心項(xiàng)目中的專業(yè)足球場創(chuàng)新性設(shè)計(jì)了全球首個大開口葵花形索穹頂屋蓋體系，該屋蓋由支承結(jié)構(gòu)、外環(huán)網(wǎng)架、大開口索穹頂結(jié)構(gòu)以及內(nèi)環(huán)桁架組成（圖1），結(jié)構(gòu)體系新穎、技術(shù)含量高。

圖1 屋蓋結(jié)構(gòu)體系示意

2 試驗(yàn)概述

索穹頂由上層的脊索＋撐桿＋徑向斜索＋環(huán)索組成，布置有2道環(huán)索，徑向設(shè)置80道斜拉索，每圈設(shè)置40根撐桿。其中內(nèi)環(huán)索為2根φ115 mm進(jìn)口密封索，外環(huán)索為4根φ125 mm進(jìn)口密封索。本次試驗(yàn)選取外環(huán)索密封索節(jié)點(diǎn)（圖2）為試驗(yàn)對象，對其單索和群索情況進(jìn)行抗滑移分析。

圖2 試驗(yàn)選取節(jié)點(diǎn)位置及大樣示意

環(huán)索與斜索及撐桿采用鑄鋼索夾連接，其中環(huán)索貫通，索夾由上、下索夾和高強(qiáng)螺栓副構(gòu)成。上、下索夾通過高強(qiáng)螺栓＋蓋板夾住索體，防止索夾和索體之間相對滑動。高強(qiáng)螺栓采用10.9級大六角M27摩擦型高強(qiáng)螺栓。

3 試驗(yàn)內(nèi)容

索夾的抗滑移試驗(yàn)包括單孔道索夾抗滑移承載力試驗(yàn)和群索的抗滑移承載力試驗(yàn)。群索試驗(yàn)在索夾4個孔道上都安裝拉索，同時張拉，頂推加載至設(shè)計(jì)不平衡力，考察4個孔道的滑移情況。

2個試驗(yàn)均在拉索達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行，試驗(yàn)過程中實(shí)時監(jiān)測高強(qiáng)螺栓緊固力變化、實(shí)時頂推力和滑移量。根據(jù)頂推力-滑移量變化曲線，確定索夾單孔和四孔的抗滑承載力，提出本項(xiàng)目索夾高強(qiáng)螺栓緊固力衰減系數(shù)和孔道摩擦因數(shù)。

環(huán)索單個索夾的最大總不平衡力為1 300 kN，即每根索孔的抗滑移力為325 kN。索夾位置如圖3所示。

圖3 外環(huán)索夾W17透視圖

4 試件材料及試驗(yàn)方法

4.1試件材料

試件材料主要為環(huán)索夾W17、外環(huán)封閉索，具體規(guī)格和數(shù)量見表1。

表1 拉索-索夾試驗(yàn)件

試驗(yàn)拉索的長度、試驗(yàn)索夾（圖4）的高強(qiáng)螺栓的具體尺寸，待深化后確定。

圖4 試驗(yàn)索編號示意

4.2試驗(yàn)方法

實(shí)際結(jié)構(gòu)索夾受環(huán)索索力、撐桿壓力、斜索拉力共同作用（圖5，紅色為拉力，藍(lán)色為壓力），在試驗(yàn)條件下，將徑向斜索拉力和撐桿壓力合并，采用頂推索夾的方式對環(huán)索加力，簡化符合力學(xué)原則（圖6）。

圖5 索夾受力簡化

圖6 試驗(yàn)反力架軸測圖

為了約束索夾在頂推加載時發(fā)生的平面外變形，在試驗(yàn)反力架索夾設(shè)置上下2道導(dǎo)向梁，導(dǎo)向梁上下夾住索夾，確保索夾在加載時沿著水平方向變形（圖7）。

圖7 約束索夾變形裝置

5 試驗(yàn)步驟

索和索夾滑移試驗(yàn)共分為5個子試驗(yàn)。4根拉索分別進(jìn)行單索滑移試驗(yàn)和4根索共同的群索滑移試驗(yàn)，試驗(yàn)步驟如下：

1）將拉索和索夾安裝在試驗(yàn)反力架上。

2）安裝索夾蓋板，連接高強(qiáng)螺栓副和高強(qiáng)螺栓壓力傳感器，并按照預(yù)拉力用電動扳手對高強(qiáng)螺栓施擰（圖8）。本工程采用M27高強(qiáng)螺栓，螺栓預(yù)拉力為290 kN。

圖8 電動扭矩扳手施擰順序

3）安裝頂推梁、頂推千斤頂及頂推壓力傳感器和位移計(jì)（圖9）。

圖9 推力梁及推力千斤頂

4）安裝加載千斤頂，加載千斤頂?shù)撞考? mm厚PTFE板，以減小索夾滑動時的切向阻力。

5）分級張拉拉索至0.4倍標(biāo)稱破斷力并持載（群索試驗(yàn)時總索力加到1倍設(shè)計(jì)荷載），持載時間至高強(qiáng)螺栓緊固力衰減穩(wěn)定，加載的同時記錄索端的環(huán)索壓力環(huán)的讀數(shù)，記錄各個試驗(yàn)階段環(huán)索索力的變化。

6）分級加推力頂推索夾，記錄荷載和滑移值，直至索夾與索體間出現(xiàn)明顯大幅度的相對滑移。

7）自施擰高強(qiáng)螺栓開始，自動監(jiān)測蓋板高強(qiáng)螺栓的緊固力，監(jiān)測采集時間間隔為60 s，自頂推索夾開始，自動監(jiān)測加載力值，監(jiān)測采集時間間隔為5 s，直至頂推加載結(jié)束。

8）拉索卸載，拆除索夾，換下一個試件進(jìn)行試驗(yàn)。

9）分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

U1索、U2索、D1索、D2索單索和4根索共同的抗滑移試驗(yàn)均按以上步驟進(jìn)行。

6 試驗(yàn)結(jié)果記錄及分析

6.1群索滑移試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及分析

群索滑移試驗(yàn)中，環(huán)索兩端錨固，通過中間加載千斤頂施加橫向推力對環(huán)索間接張拉，待環(huán)索張拉到設(shè)計(jì)值后，再利用側(cè)面的加載千斤頂施加推力，檢驗(yàn)索夾和索的抗滑移性能是否能滿足設(shè)計(jì)要求（圖10）。

圖10 群索滑移試驗(yàn)加載受力模式簡圖

1）群索滑移試驗(yàn)油壓表數(shù)據(jù)（表2）。中間加載千斤頂，加載使群索達(dá)到張拉設(shè)計(jì)值。

表2 群索加載過程目標(biāo)力

表3 群索滑移試驗(yàn)壓力環(huán)兩端索力合力

3）高強(qiáng)螺栓壓力傳感器結(jié)果。試驗(yàn)實(shí)時測量了16個高強(qiáng)螺栓（圖11，U為頂部，D為底部）的壓力變化曲線，在環(huán)索張緊過程中，蓋板高強(qiáng)螺栓拉力有變化，影響范圍在－15～32 kN（相對于螺栓初始拉力），本試驗(yàn)沒有發(fā)現(xiàn)明確的變化規(guī)律。在索夾兩側(cè)不平衡力的作用下，如果產(chǎn)生滑移，高強(qiáng)螺栓內(nèi)力也會發(fā)生變化，變化幅度在10 kN范圍內(nèi)。

圖11 側(cè)推時實(shí)時監(jiān)測的高強(qiáng)螺栓傳感器布置示意

4）推力-位移變化分析。群索滑移試驗(yàn)側(cè)推采用2個150 t千斤頂進(jìn)行頂推，設(shè)計(jì)要求側(cè)推力是1 300 kN，試驗(yàn)實(shí)際側(cè)推力達(dá)到2 467 kN，為設(shè)計(jì)值的1.9倍。在設(shè)計(jì)要求的不平衡力作用下，索的滑移量小于0.3 mm，在1.9倍設(shè)計(jì)不平衡力的作用下，索的滑移量在0.7 mm以下，滿足設(shè)計(jì)要求。

6.2單索滑移試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及分析

單索滑移試驗(yàn)將每根索單獨(dú)張拉到設(shè)計(jì)值后，用側(cè)面千斤頂頂推，檢測單根索的索夾索孔位置的滑移，從而檢測單索抗滑移能力。在進(jìn)行某根單索抗滑移試驗(yàn)時，其他索兩端的螺母放開，僅試驗(yàn)索受張力。

單根環(huán)索與索夾通過蓋板連接后，通過中間加載千斤頂?shù)姆绞綇埨h(huán)索，環(huán)索達(dá)到設(shè)計(jì)值（0.4倍索破斷力，6 320 kN）時，通過側(cè)推千斤頂來施加設(shè)計(jì)不平衡力（325 kN），檢驗(yàn)索抗滑移的安全性是否滿足要求，如圖12所示。

圖12 單索滑移試驗(yàn)加載受力模式簡圖

1）試驗(yàn)索拉力值。U1、U2、D1、D2這4根索的張拉通過中間加載千斤頂?shù)姆绞竭M(jìn)行，分2級，為6 MPa和11.4 MPa。通過中間加載千斤頂，間接對環(huán)索進(jìn)行張拉，設(shè)計(jì)誤差范圍在±10%以內(nèi)，能夠滿足試驗(yàn)精度要求，如表4所示。

表4 加載過程中的油壓和索力

2）高強(qiáng)螺栓壓力傳感器結(jié)果。高強(qiáng)螺栓拉力值并無明顯規(guī)律，這里不再列出分析結(jié)果。

3）推力-位移變化分析。環(huán)索索力張拉到設(shè)計(jì)值后，用側(cè)推千斤頂施加推力，直到索夾滑移。發(fā)生明顯滑移時，索夾的不平衡力均大于設(shè)計(jì)值325 kN，滿足安全要求，4根索計(jì)算得到的索和索夾摩擦因數(shù)為0.4。

7 結(jié)語

本次試驗(yàn)完成環(huán)索的群索滑移試驗(yàn)、單索滑移試驗(yàn)，從以上數(shù)據(jù)得出如下試驗(yàn)結(jié)論：

1）通過將索兩端錨固，中間橫向加載的方式可以用較小的力對環(huán)索施加比較大的預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力的精度滿足試驗(yàn)要求。

2）環(huán)索張拉及施加側(cè)向推力的過程會對索蓋板的高強(qiáng)螺栓拉力產(chǎn)生影響，變化范圍為－15～32 kN（相對于高強(qiáng)螺栓初拉力），高強(qiáng)螺栓拉力有增有減，沒有特定的規(guī)律。當(dāng)索夾產(chǎn)生滑移，高強(qiáng)螺栓內(nèi)力變化幅度在±10 kN范圍內(nèi)。

3）試驗(yàn)實(shí)際側(cè)推力達(dá)到2 467 kN，為設(shè)計(jì)值的1.9倍。在設(shè)計(jì)要求的不平衡力作用下，索的滑移量小于0.3 mm，在1.9倍的設(shè)計(jì)不平衡力作用下，索的滑移量在0.7 mm以內(nèi)，在1.9倍側(cè)推力下，索與索夾沒有產(chǎn)生明顯的滑移變化，索夾的抗滑移能力滿足設(shè)計(jì)要求。

4）4根單索抗滑移力最小值為564.5 kN，最大值為940.8 kN，均大于設(shè)計(jì)要求的325 kN。

5）4根單索抗滑移試驗(yàn)得到的摩擦系數(shù)最小值為0.31，最大值為0.48，平均值為0.4。