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膜结构组成材料索材(三)

日期:2015-6-24 13:36:38 | 阅读:884

       钢索的膜结构特性主要包括:最小破断力、有效截面率、弹性模量、柔性与弯曲等[11]。 
1、最小破断力Fu:指钢索拉断、钢丝应变0.2%、钢索应变2%时的拉力,为钢索名义破断拉力。相同直径、索股与材质时,FC芯最低,IWRC高FC约7.5%,WSC高FC约15%。相同直径、不同索体形式,最小破断力差异较大。
2、弹性模量Es:因钢索呈非线性本构曲线,弹性模量取10%Fu最小破断力与90%P预张力两点间荷载位移割线模量,如图2.8所示,表达式为: 
    (2.2-1)式中,  为10%Fu~90%P拉力增量, 为相应伸长。L为钢索试件长,不小于254㎝,愈长愈准确。 为钢索有效截面积。φ10~φ102mmA级镀锌IWRC普通钢索模量约为138kN/mm2,B、C级镀锌钢索模量分别降低约3%~6%,钢丝愈细降低较大。FC钢索尚应降低约5%~10%。钢索模量差异较大,应根据具体构造确定。如一些特殊钢索接近或超过普通钢丝索、平行钢丝索,达到约170kN/mm2。
 
图2.8  钢丝绳应力应变关系
        3、截面有效率:指实际钢丝面积与钢索名义直径确定面积之比。FC钢索约50%,IWRC、WSC钢索约60%,普通钢索有2%变化。特殊钢索截面有效率较高,如CASAR SuperliftTM达到75%。
        4、柔性与弯曲:钢索弯曲导致内圈钢丝松弛,外圈钢丝挤压和拉伸。外层钢丝因弯曲产生附加应力为
                 =Esd/(2R)                         (2.2-2)
式中:Es为钢索模量,d为名义直径,R为索鞍或卷轴半径。
表2.1为钢索直径,鞍座半径比值与强度折减系数,Rs为鞍座半径,ds、dr为钢丝索和钢索直径,表中为IWRC钢索。钢索比钢丝索柔,FC比IWRC钢索柔,IWRC比WSC钢索柔。弯曲应力原则应小于钢丝强度,但实践表明,由于钢丝塑性、松弛可消除初始弯曲应力,可适当降低限制。
钢索与卷轴或鞍座之间压力为
              P=T/(d/R)                             (2.2-3) 
式中:T为钢索拉力。
钢索与鞍座之间压力应小于钢索挤压承载力。从φ76(3’)以上钢索或钢丝索,最大容许压应力为27.6MPa,到φ25(1’)压应力线性逐渐增大为41.4MPa[1]。索芯索无软索鞍鞘和有鞘时,侧压力分别为1、2.5kN/mm。平行钢丝索则分别为0.7、1.8kN/mm。软金属鞍可为铅、铜、铝厚度大于2mm。对HDPE索套,挤压应力应小于索套承压应力,一般约1鞘.0~1.5kN/mm,除以钢索直径可得压应力,如φ50压应力则为20~30Mpa。
鞍座索槽应比钢索名义直径大,最小值和最大值常为+3%~11%。钢索与索槽间设计摩擦系数取7%,但实际可高达12%~15%。索槽边钢丝索偏转角宜小于20、钢索宜小于40,否则,应特别试验钢索柔性及疲劳寿命。
       5、疲劳:钢索在动载长期作用下产生疲劳效应。膜结构静载、预张力作用小,钢索拉力仅15%~30%Fu,而最大风荷载下将达到50%左右,应力扰动幅度大,但达到此应力幅度振动频率低。小应力幅振动循环次数大,但对疲劳影响小。因此,常要求钢索疲劳强度300~400 MPa,最大应力0.45~0.55Fu,200万次。
       6、松弛:钢索在长期荷载作用下,随时间增长索内力逐渐减小。膜结构使用的钢索要求具有较低的松弛,特别是对整体张拉、索网等结构,对预张力水平较为敏感。应力松弛有可能导致预张力变化进而严重影响结构特性,危及安全。
所谓低松弛(ASTM-A886,886M-94),指在常温20 20C、1000小时、荷载为70% Fu松弛损失不大于2.5%,或者荷载80% Fu、1000小时松弛损耗不大于3.5%。试件长度不小于60倍钢丝索直径。专用预应力索(7绞线)松弛很小,索芯WSC钢绞索比IWRC索松弛小、平行索较钢绞索小。
由钢索制成膜结构索还必须经过预张拉,直径不大于φ63,钢索预张力不小于50% FU,常不大于55% FU,变形小于0.01%,且给出预张拉时最小弹性模量。对直径大于63的钢索的预张力值需与制作单位研究决定。
结构索长度测定,应在预张拉状态而非无应力自由状态下准确测定并切断为索长。索长误差须根据不同结构设计要求确定。对误差缺陷敏感的结构体系,索长精度要求较高,势必增加制作技术难度和成本。对膜结构中长度10~50m的索,其长度误差应在 0.015~0.025%,且< 10mm;对长度50~100m的索,其误差应小于 20mm;长度大于100m的索,其误差小于0.02%。
钢索成品为圈,盘卷半径需大于20倍钢索直径。无论FC、IWRC、WSC钢索,一般取30倍钢索直径,可不计钢索弯曲影响。
结构索基本标识:L(长度)—φ(名义直径)—材质等级—索股数 每股钢丝数—索芯—镀锌级—捻法,如13500-φ28-1670-6 37-IWRC-A-LL。有时需说明索股为标准钢丝或填充型。在结构设计,捻法不很重要,可不作要求,但镀锌级需明确规定。
常规不锈钢索直径为φ6~18,可做到φ22~28,但需定制。结构设计常用普通镀锌钢索直径φ12~63。结构索实际直径一般比名义直径有偏大公差1~3%,不应偏小。
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