专栏介绍
中国钢结构协会空间结构分会第七次会员代表大会暨第十六次技术交流会于2019年5月10日至12日在北京成功召开。本次大会结合北京新机场航站楼及机库工程建设，就空间结构科研、设计、生产、安装和管理等领域的发展和最新成果进行了广泛而深入的交流。《充气膜结构设计与施工技术导则》《建筑索结构节点设计技术导则》《大跨度预应力钢结构干煤棚设计与施工》等空间结构系列丛书在本次大会上正式发布（）。 本专栏拟由分会理事长、北京工业大学薛肃铎教授，分会原理事长、北京工业大学张毅刚教授，哈尔滨工业大学博士生导师曹正刚教授就充气膜结构、索结构、大跨度预应力钢结构干煤棚设计与建造中的相关技术进行解读。
张毅刚，北京工业大学空间结构研究中心教授、博士生导师，高级顾问。
1949年出生，1992年起享受国务院政府特殊津贴，1994年被评为国家有突出贡献专家，1998年入选北京市跨世纪人才工程“国内一级专家”。国际薄壳与空间结构学会（IASS）会员，中国钢结构协会空间结构分会第三、四、五届理事长，中国土木工程学会计算机应用分会副理事长，空间结构委员会委员，兼任《建筑结构》、《空间结构》杂志编委。主持完成国家级、省部级项目10余项，多项成果被纳入国家有关标准、规程。发表论文100余篇，著作3部。
关于建筑索结构
建筑索结构是指以索作为主要承重构件而形成的建筑结构体系，其形式有多种。
索道组件通常包括钢丝索（钢丝束、钢绞线、钢丝绳）和钢拉杆两大类。
拉索必须具有初始拉应力才能参与结构工作，初始拉应力可以通过张拉形成，也可以由外加载荷产生。
索结构应合理布置边缘构件和支撑结构，保证索结构预应力的可靠维持。
总结各种形式索结构受力及应用特点。
根据受力特点可分为刚性索结构和柔性索结构：
刚性索结构满足荷载作用下变形较小的假设，例如斜拉结构、张弦支撑结构（弦支穹顶结构）、预应力网格结构、索拱结构、索支撑结构等。
根据受力特点可分为刚性索结构和柔性索结构：
柔性索结构的计算分析必须考虑几何非线性效应，各种荷载效应不再满足线性叠加原理，例如悬挂结构（单索结构、索网结构、双层索体系、横向加劲索体系）、索穹顶结构等。
索结构节点类型：
端部连接：螺栓锚固、螺栓延长、耳板销
中间连接：夹紧、转向、滑动
按电缆节点的连接功能分类：
张拉节点、锚固节点、转弯节点、交叉节点、索杆节点
按电缆节点的连接功能分类：
缆与缆之间的连接、缆与刚性构件之间的连接、缆与支撑构件之间的连接、缆与围护结构的连接
电缆到电缆连接
同向电缆中间连接张力
双向电缆的连接
电缆与柔性侧电缆之间的连接
同向电缆中间连接张力
双向电缆的连接
电缆与柔性侧电缆之间的连接
同向电缆在中间节点改变方向
平面内不同方向电缆之间的连接
电缆与刚性构件连接
连接至横向加劲桁架下弦的拉索
支撑杆与下弦索连接
连接至横向加劲桁架下弦的拉索
支撑杆与下弦索连接
斜拉索连接至刚性节点
电线杆上的节点将电线以多个方向连接起来
连接至支撑构件的电缆
连接至钢筋混凝土支撑构件的电缆
电缆连接到支撑钢柱或钢梁
径向电缆连接至支撑钢环梁
电缆和外壳连接
电缆和钢檩条
电缆和玻璃
建筑索结构节点特点
⊙节点杆件较多，受力相对复杂；
⊙节点通常包含刚性杆和柔性电缆；
⊙节点形状复杂；
⊙基本连接形式有螺钉、电缆夹、耳板销、滑动等几种；
⊙复杂节点可以看作是基本连接的组合。
索结构节点设计原则
概念设计是通过综合考虑建筑外观、节点传力方式、结合节点锚固及拉索类型，确定节点连接形式，进而进行节点具体结构设计。
索结构节点材料（热轧型钢、铸钢、高强度螺栓副、销轴、球面支座、焊接材料、涂层材料等）按相关标准选用。
节点构造应符合计算假设，力的传递路线应简单、明确、安全可靠，构造形式应简单合理，且便于制造、安装、调整索力和维护，具有良好的经济性。
节点的强度（包括局部抗压强度）、刚度、变形及受压板的稳定性应满足国家标准《钢结构设计标准》、《索结构技术规范》、《预应力钢结构技术规范》、《铸造钢结构技术规范》的要求。
节点承载力设计值不宜小于拉索内力设计值的1.25～1.5倍。
主要受拉节点焊缝质量等级应为一级，其余焊缝质量等级不应低于二级。
对于采用新材料、新工艺的重要复杂节点，可根据节点实际受力状态，采用全尺寸或缩尺模型进行检查试验（1.3倍最大设计内力值）或破坏性试验（2.0倍最大设计内力值）。
节点的防火、防腐设计应根据环境条件、材料、结构形式、使用要求、施工条件和维护管理条件进行。
螺钉连接节点设计
多种形式的螺钉连接节点：
电缆延长
电缆端部锚固
螺丝本身就是锚
通过锚框变换进行连接
不同的压力位置
设置球窝接头等旋转装置，以释放大变形引起的端部弯矩。
螺钉连接节点设计的一般要求
⊙当螺钉连接中的螺钉为电缆本体的一部分时，螺钉与电缆按等强度设计；其它情况下螺钉承载力设计值应按电缆拉力设计值的1.25~1.5倍选取。
⊙计算螺钉的承载力时，应考虑螺纹对螺钉截面弱化的影响。
⊙应采用双螺母、带弹簧垫圈的螺母、螺母下带止动垫圈、螺栓上带开口销、自锁螺母等来防止螺母松动。
⊙设计多螺钉连接时，应考虑合理的张紧顺序，保证多颗螺钉受力均匀。
⊙螺母应紧固可靠，外露螺纹不少于两处；对于电缆与电缆的螺纹连接，应保证拧入锚栓的螺钉螺纹长度不小于螺距的10倍。
⊙张紧时，张紧工装必须经过特殊设计，防止螺杆在张紧过程中受到弯矩作用。
螺钉连接节点承载力验证
螺纹验证螺纹是螺钉连接的关键部分，一般由生产单位专门设计。
内螺纹弯曲应力验证：
内螺纹剪应力验证：
外螺纹弯曲应力验证：
外螺纹剪应力验证：
接触面局部压力计算
由于锚端大于螺杆直径，在支撑部需预留大于螺杆直径的孔供缆体穿过，使得螺母与锚体的接触面积较小，造成局部压力较大。
支撑构件冲切（剪）计算
如果支撑结构部件（钢板、混凝土板）较薄，也容易发生剪切破坏。
有限元分析
螺钉连接节点往往在节点连接域内设有加劲板、隔板等，使得节点连接域结构较为复杂。对于索力较大、节点结构复杂的螺钉连接节点，应建立有限元模型进行分析。
*以上计算依据现行《混凝土结构设计规范》及《钢结构设计标准》进行
电缆夹节点定义及组成
索夹节点是连接索体与所连接部件的非滑动节点。
它一般包括主体、压板和高强度螺栓。
主体与非电缆构件直接连接，压板与主体通过高强螺栓连接，利用高强螺栓的紧固力使主体与压板将电缆本体夹紧在一起。
*形式多样，名称多样：线夹、铸钢线夹、U型线夹、螺栓线夹、钢板线夹、电缆球、电缆鞋、前压块、后压块、电缆压块等。
电缆夹节点设计
索夹节点设计的一般要求
应具有足够的承载能力和刚度，以有效地传递结构内力，并应在结构使用阶段具有足够的抗滑移承载能力，防止电缆夹与电缆本体之间产生相对位移；
结构应符合计算假设，保证力传递清晰准确，保证安全性并易于制造和安装；
小型电缆夹可选用U型电缆夹，大型电缆夹应采用铸钢，电缆夹材料应采用低合金钢或延展性较好的铸钢；
电缆夹应采用摩擦型大六角头高强度螺栓；
用HDPE绕包的电缆抗滑移承载力比裸电缆低，当不平衡力较大时，电缆夹头易滑动，表面HDPE易撕裂。因此，对于用HDPE绕包的电缆，当不平衡力较大时，应针对孔内表面及夹持段电缆外表面制定专门的防滑、防腐措施。
强度承载能力验证
应验证电缆夹体及压板的AA、BB截面的强度和承载能力。
AA截面弯曲应力比KM、剪应力比KV计算：
应验证电缆夹体及压板的AA、BB截面的强度和承载能力。
BB截面拉应力比KT验证：
关于高强度螺栓的初紧力
按《钢结构设计标准》规定的高强螺栓预拉力设计值确定；或通过试验确定，但不应超过标准值的15%；
对于受力复杂的铸钢电缆夹，应通过弹塑性有限元分析确定其极限承载力。
抗滑承载力验证
电缆夹的抗滑移设计承载力应不小于电缆夹两侧不平衡索力的设计值：
关于部分安全系数
电缆夹抗滑设计能力的部分安全系数基于欧洲规范 3 钢结构设计中的术语。
关于综合摩擦系数
电缆本体与电缆夹之间的摩擦系数μ和压应力分布均匀性是综合考虑的因素。摩擦系数μ受电缆本体与孔洞接触材质、粗糙度等因素影响，而压应力分布均匀性则受电缆夹刚度、孔洞与电缆本体之间的间隙、加工精度等因素影响。对于钢丝束状电缆、密封电缆、HDPE包裹的裸钢绞线电缆，建议分别取0.1、0.2、0.35。
由于许多工程试验影响因素较多，变异较大，建议通过试验确定索夹的抗滑移承载力。
关于高强度螺栓紧固力损失系数及有效紧固力
高强螺栓预紧后，由于高强螺栓本身的应力松弛、索体的蠕变以及随之而来的索力的增加，高强螺栓紧固力明显降低。因此，高强螺栓有效紧固力的计算公式为：
在众多工程试验中，高强螺栓紧固力的损失系数大致在0.25~0.55范围内，变化较大，因此，通过索夹抗滑移承载力试验确定较为适宜。
电缆夹抗滑承载力试验
试验电缆夹的制造及关键结构尺寸应与工程实际一致；
根据实际工况张拉至设计索力（预张拉—张拉、张拉—预张拉—张拉）；
达到设计索力后，静置足够时间，待高强螺栓紧固力衰减稳定后，对索夹施加载荷，直至沿索体有明显滑动为止；
电缆夹抗滑移极限承载力由顶升过程的载荷-位移曲线确定，当电缆夹主体及压板滑移量迅速增加，顶升力难以继续增加时，对应的顶升力确定为电缆夹抗滑移极限承载力；
试验极限承载力不应小于抗滑设计承载力的1.5倍。
电缆夹结构及制作要求
电缆夹本体及压板上的高强度螺栓孔径应比螺栓公称直径大1.5~2mm，本体及压板应配孔并做好标记；
电缆夹体与压板之间应留有足够的间隙，以保证高强螺栓预紧时，电缆夹变形后，电缆夹体与压板不接触，即高强螺栓的紧固力充分作用于电缆体；
电缆孔允许偏差：孔直径，0～2mm；孔中心至电缆夹节点中心距离，±1mm；孔中心圆弧两端切线间的夹角，±15′；
电缆槽表面粗糙度要求：Ra=50μm；
电缆夹孔的开口及边缘应倒圆角、打磨光滑，圆角半径不小于10mm；
电缆夹表面涂层要求不应低于主体钢结构，对于有钢丝裸露的裸电缆，应在电缆夹孔与电缆本体接触面采用热喷锌处理，厚度≥0.6mm且≤1mm。
耳板节点设计
耳板接头设计的一般要求
为了保证电缆只承受轴向拉力，避免电缆端部弯曲，采用销钉连接结构耳板与电缆头叉耳，即耳板式节点。
常见的耳板形状有：矩形、切角矩形、圆形、环形。
当受力较大时钢结构验收规范中关于焊缝等级的几个概念，应在耳板主板两侧加设挡板，对于钢制耳板，挡板应与主板焊接；对于铸钢耳板，挡板应铸造成一体。
对于耳板平面外转角较大的节点，宜采用球面轴承。
耳板、销轴的设计承载力不宜小于电缆内力设计值的1.25～1.5倍。
对于特殊形式、受力特别复杂的特殊耳板节点，应进行弹塑性有限元分析，确定其设计承载力。
承载力校核包括：耳板孔净截面抗拉强度（Ⅰ-Ⅰ）、耳板端截面劈裂抗拉强度（Ⅱ-Ⅱ）、剪切强度（Ⅲ-Ⅲ）、耳板根部抗拉强度（Ⅳ-Ⅳ）、销孔局部抗压强度、板焊缝承载力。
耳板承载力验证
耳板孔净截面抗拉强度验证
凸缘根部全截面抗拉强度计算
轴承力验证
销钉抗剪承载力计算
施工要求
距板端距离a
耳板最小厚度
节点板太薄不利于销轴的抗弯性能，也会削弱节点板压应力在板厚方向的重分布。《钢结构设计标准》GB50017要求，耳板厚度不应小于每边耳板净宽的1/4。这里建议最小厚度不小于20mm。
两侧板厚度t2应相等，且t2应为主板厚度t1的1/3~1/2。
矩形耳板切角与构件轴线成45°角，切角边缘净距不小于耳板顶边净距。
销轴与销孔间的间隙应符合下列要求：
插针成品部分的长度应至少比被连接部件两外侧边之间的距离长6mm，且两端应有盖板或螺母防止插针横向滑落。
当销轴及销轴表面需要进行机械加工时，其质量要求应符合相应机械零件加工标准的规定。耳板节点的安装精度应符合GB50205《钢结构工程施工质量验收规范》的要求。
可滑动节点设计
定义
可滑动节点是根据受力或施工要求，使电缆可滑动或限制其滑动的节点钢结构验收规范中关于焊缝等级的几个概念，一般包括安放电缆的电缆槽及其与支撑结构的连接，当需要固定电缆时，常采用电缆夹进行连接。
按施工时滑动、使用时固定两种方式分类；按施工和使用时均滑动。
可滑动节点应用
张索结构、索拱结构中，当撑杆在索轴平面内呈“V”字形布置时，应采用滑动节点连接拉索与撑杆，施工时张拉成型后，用索夹将其固定在撑杆节点上。
* 鞍座、电缆支架、滚动节点、滑动节点
可滑动节点应用
当悬索穹顶结构承受半跨（挠度）荷载时，可设置环索滑动节点连接，以减小环索、斜索及撑杆的内力幅值，并使之平衡相等。
对于设有环索的结构，张拉过程中环索与节点间的摩擦阻力过大，造成较大的预应力损失，此时可对环索设置滑动节点连接，张拉完成后再进行固定。
在斜拉结构和悬索结构中，当拉索需要通过塔节点改变方向进行锚固时，可采用形状符合拉索弯曲形状的鞍座来改变拉索的力传递方向，并根据需要采取结构措施，控制拉索及索槽在鞍座中的滑动和固定。
索承结构中索与结构连接的节点宜采用倒索槽，可根据需要在张拉成型后采用索夹固定。
通用设计原则
节点的几何设计应保证索体顺利通过节点，避免在节点内部的索体上形成过大的弯折点。滑移式节点的节点索槽曲率通常设计成与预应力索的曲率一致。
节点的结构设计应保证钢缆在滑行过程中，缆体与节点之间的摩擦最小。可在缆体与节点之间设置润滑材料(如聚四氟乙烯等)以减少摩擦。也可采用滚动轴，利用轴的滚动摩擦代替节点与缆体之间的滑动摩擦，并采用可拆卸的压板来解决张拉后钢缆的充分固定问题。
索槽圆弧半径一般为主缆直径的8～12倍，以减少主缆导线的二次应力。
电缆槽的尺寸应保证电缆在滑动时不易从槽中掉出，或应设置结构措施保证这一点。
大型鞍座多为铸钢件，也有部分为钢板焊接而成，鞍座的重量及尺寸应从运输、安装费用等方面考虑，否则应分块计算。
承载力计算
由于索结构的空间受力特点，滑移节点的索槽及支撑构件可能处于复杂的三维空间应力状态，应按照《钢结构设计标准》的规定进行承载力验算：
⊙通过对索结构进行整体计算，得到最不利荷载组合下索的拉力，并分解为索槽底部的垂直力和索槽侧面的水平力。
⊙验证电缆槽底部抗压承载能力。
⊙校核电缆槽侧面的挤压承载力和剪切承载力。
⊙验证电缆槽支撑部件的承载能力。
⊙对于设有滚动轴的滑动节点，还应验算滚动轴的抗剪承载力和孔壁的抗压承载力。
⊙与滑动节点相结合的电缆夹的验证。
索结构节点有限元分析
●有限元分析宜采用实体单元，对径厚比或宽厚比不小于10的零件可采用板壳单元。
●在容易产生应力集中的部位，实体单元的最大边长不宜大于该处最薄壁厚，其他部位单元尺寸可适当增大，但单元尺寸变化应平缓，有多个单元、多个尺寸的模型可进行比较。
●作用在节点上的外部载荷和约束应与设计一致。
当钢具有较长的产量平台时，材料的应力 - 应变关系可以采用理想的弹性塑性模型，或者具有一定的强化刚度的双重线模型可用于使应力 - 应力具有明确的相应关系，并且第二折线的弹性模量可以是第一个折叠率的2％-5％。
最终的轴承能力可以基于从弹性塑料的有限元分析中获得的载荷分位曲线，当曲线具有明显的极端点时，当曲线没有明显的极端点时，当曲线的刚度在载荷范围内时，最终的载荷率是最初的轴承，则是最初的距离。从弹性塑料有限元分析中获得的最终轴承能力的1/2大于1/2。
