三、索體材料的物理特性

拉索是預應力鋼結構的關鍵構件，因此對拉索基本特性的研究就顯得非常重要。拉索的基本力學特性包括彈性模量、抗拉強度以及溫度線膨脹系數(shù)，對于前兩者，拉索的制作廠家會提供給相應的數(shù)值，但對于后者，一般按照經驗取值。很多情況下，預應力鋼結構設計和研究大都忽略拉索鉸捻特性，國內按普通型鋼將拉索膨脹系數(shù)取為1.2×10-5/℃，有時取為1.84×10-5/℃和1.12×10-5/℃。國外對于拉索膨脹系數(shù)的取值也有3.9×10-6/℃和1.2×10-5/℃兩種。拉索線膨脹系數(shù)取值的不確定性給預應力鋼結構的溫度性能分析帶來了極大的誤差。為解決這個問題，給設計單位提供一個較為準確的、考慮拉索鉸捻特性的拉索線膨脹系數(shù)，消除預應力鋼結構設計中的安全隱患，天津大學鋼結構研究所在國家自然科學基金的支持下，完成了相關的理論分析和試驗研究。

為了測定拉索的線膨脹系數(shù)，天津大學鋼結構研究所設計制作了兩種拉索線膨脹系數(shù)測定儀器——空氣加熱索線膨脹系數(shù)測定儀器和水域加熱索線膨脹系數(shù)測定儀器。通過理論分析和試驗研究，最終確定鋼絲繩、鋼絞線、半平行鋼絲束3種索材的線膨脹系數(shù)值分別為：1.92×10-5/℃、1.38×10-5/℃、1.87×10-5/℃。

四、建筑索結構的形式、特點及工程應用

目前，在工程中常用的建筑索結構主要有弦支結構、斜拉結構、索穹頂結構、索桁架結構、索膜結構和索網結構6種結構形式。

⑴弦支結構

天津大學鋼結構研究所從1998年開始，在研究弦支梁（即張弦梁）、弦支桁架（即張弦桁架）和弦支穹頂?shù)慕Y構性能基礎上，研究和歸納了這兩種結構的本質，即用撐桿連接上部壓彎構件和下部的受拉構件，通過在受拉構件上施加預應力，使上部結構產生反撓度，從而減小荷載作用下的最終撓度，改善上部構件的受力形式，并通過調整受拉構件的預應力，減小結構對支座產生的水平推力，使之成為自平衡體系，并將這種自平衡體系統(tǒng)稱為弦支結構體系。課題組在研究弦支結構體系本質的基礎上，相繼提出了弦支筒殼結構、弦支拱殼結構、弦支混凝土樓板結構、弦支鋼絲網架混凝土夾芯板結構等多種弦支結構，豐富了弦支結構體系的內容。目前，弦支結構體系已在大型的體育場館、會展文化中心、重大交通樞紐、大型廠房等國家重要基礎建設工程中得到了廣泛的應用。

在弦支結構體系中，弦支梁或桁架（張弦梁和張弦桁架）是出現(xiàn)最早的一種弦支結構。1839年德國建筑師Georg Ludwig Friedrich Laves，發(fā)明了一種預應力梁“Lavesbeam”，他把梁分成上層和下層兩部分，兩者之間僅用立柱連接，通過這種方式梁的強度可以顯著提高，并用于Herrenhausen花園的溫室中，這是筆者目前查到的最早弦支梁的雛形。Paxton利用這種預應力梁概念，在建于1851年的倫敦萬國博覽會的水晶宮結構的桁架之間采用了弦支梁結構檁條。建于1876年費城博覽會展館的國際展廳屋蓋同樣采用了弦支梁結構。

最早提出弦支梁結構概念的是MasaoSaito。在1979年Madrid召開的IASS年會上，Masao提出了弦支梁結構形式，并研究了其基本受力特性和分析計算原理。1998年，天津大學教授劉錫良率先在國內對張弦梁結構開展了系統(tǒng)、深入的研究，當時由于直接取其日語“張弦梁”定義，故“張弦梁”的名稱沿用至今。

截止到2008年，據不完全統(tǒng)計，全國已有51項平面弦支結構的工程應用。其中較為典型的工程項目有：國內第一個張弦梁結構——上海浦東國際機場航站樓，國內首個跨度超過100米的平面張弦結構——哈爾濱國際會展中心、采用雙索的平面弦支結構——遷安文化會展中心。

1998年，劉錫良教授即開展了可分解空間型弦支結構的結構性能研究，但真正意義上的第一個雙向張弦結構工程建于2005年，即深圳市福田交通綜合樞紐換乘中心工程鋼結構。此后，典型的工程應用有2008年北京奧運會國家體育館雙向張弦結構、2008年北京奧運會乒乓球館輻射張弦結構等大型工程。

弦支穹頂結構是1993年由日本川口衛(wèi)教授提出，并應用到日本跨度為35.4米的光丘穹頂。筆者1996年在日本跟隨川口衛(wèi)教授做博士后時，對此進行了一些研究，并于1998年回國后在中國博士后科研基金的支持下，在國內首先對弦支穹頂結構開展了系統(tǒng)深入的研究，并參與設計完成了國內第一座中大跨度弦支穹頂結構——天津保稅區(qū)國際商務交流中心大堂屋蓋結構。隨后，國內浙江大學、北京工業(yè)大學、東南大學、北京建筑工程研究院、清華大學等單位也開始對弦支穹頂結構的結構性能和施工技術進行了理論和試驗研究。2007年，建成國內第一座大跨度弦支穹頂結構——2008北京奧運會羽毛球館。截至目前，據不完全統(tǒng)計，國內已有23項弦支穹頂結構工程，其中最大的球形弦支穹頂結構為濟南奧體中心體育館，跨度為122米；最大的橢球形弦支穹頂結構為大連市體育館，跨度為145米。

柳州奇石博物館經過優(yōu)化分析后采用了弦支筒殼結構。遼寧華福印染公司的廠房結構屋蓋為筒殼形，矢跨比小，經過方案比較，采用了弦支單層網殼結構，網格形式為三向網格，最終結構用鋼量為50千克/平方米。天津大港發(fā)電廠干煤棚屋蓋結構跨度大，結構布置受生產工藝影響大，經過分析整體采用了大跨度門式剛架與弦支筒殼復合結構體系，屋蓋部分采用了弦支雙層筒殼結構，用鋼量約為55千克/平方米。弦支筒殼結構在這兩個工程的應用經驗可為類似工程提供參考依據和指導。

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