玻璃幕墻張拉索桿支承結(jié)構(gòu)體系受力特點(diǎn)及工程應(yīng)用
玻璃幕墻張拉索桿支承結(jié)構(gòu)體系受力特點(diǎn)及工程應(yīng)用
摘要：張拉索桿支承結(jié)構(gòu)支承的點(diǎn)式玻璃幕墻因其通透晶瑩、輕盈簡(jiǎn)潔的優(yōu)點(diǎn)在全國(guó)范圍內(nèi)得到了迅猛的發(fā)展，在商業(yè)建筑、公共建筑、辦公建筑中得到廣泛的應(yīng)用。玻璃幕墻中常用的張拉索桿支承結(jié)構(gòu)形式主要包括索桁架、自平衡索桁架、張弦結(jié)構(gòu)、平面索網(wǎng)、曲面索網(wǎng)、單向豎索等。
1 索桁架結(jié)構(gòu)
索桁架自身通常呈對(duì)稱形態(tài)，由一系列張力索和受壓鋼桿共同構(gòu)成，張力索的上下兩端均錨固于主體結(jié)構(gòu)之上。幕墻支撐跨度較大時(shí)，常采用多段折線索桁架，多段折線索可形成弧線型或反復(fù)交叉型（圖1）；索桁架跨度較小時(shí)，可采用三段折線或四段折線索桁架，三段折線索桁架常見的形式有魚腹式和魚尾式兩種（圖2）；四段折線索桁架通常呈弧線型或反復(fù)交叉型。
索桁架可在立面幕墻中豎向放置或水平放置使用，也可在斜幕墻（圖3）或采光頂（圖4）中使用；在圓形采光頂中可通過中間的剛性輪盤形成輪輻式索桁架（圖5）。
當(dāng)主體結(jié)構(gòu)無法承受索桁架中拉索拉力時(shí)，可將索桁架設(shè)計(jì)成梭形、在中部沿縱向設(shè)置粗剛性壓桿。拉索兩端錨固于剛性壓桿，其本身形成張力自平衡體系（圖6）。
3 張弦結(jié)構(gòu)
張弦結(jié)構(gòu)是由拉索、撐桿和剛性弦桿組合而成的自平衡體系。張弦結(jié)構(gòu)中的拉索通常呈單向弧線形態(tài)，索中拉力會(huì)產(chǎn)生面外的推力，需要由恒定的垂直向荷載平衡該推力。因此，張弦結(jié)構(gòu)常用在采光頂（圖7）或斜幕墻（圖8）中。平面投影呈弧形的豎直立面幕墻，可在水平方向設(shè)置弧形索平衡張弦結(jié)構(gòu)索中張力引發(fā)的面外推力（圖9）。
4 平面單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)
單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)由縱橫雙向鋼索交叉組合后承受外部荷載。繃緊的索網(wǎng)在承受外荷載時(shí)產(chǎn)生面外變形，索中張力增加，依靠變形后的索力在面外方向的分量來抵抗外荷載。單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)通透性良好，應(yīng)用廣泛。如中關(guān)村文化商廈（圖10）平面單層索網(wǎng)幕墻高約70m，寬為27m，分格尺寸為1.61m×2.25m；昆明長(zhǎng)水機(jī)場(chǎng)（圖11）平面單層索網(wǎng)玻璃幕墻長(zhǎng)為324m，東西兩翼高約為32m，最大高度約為60m，玻璃面板寬為3m，高為1.6m。 當(dāng)單索因受力要求截面積過大、造價(jià)顯著增加時(shí)，可雙索并聯(lián)。如中石油大廈（圖12）主入口處索網(wǎng)幕墻跨度為40.5m，高為40m，橫索和豎索間距分別為1.95，1.35m；縱橫索均采用兩根并聯(lián)索充當(dāng)。本工程技術(shù)難點(diǎn)之一是入口處懸挑長(zhǎng)度達(dá)14m的鋼結(jié)構(gòu)雨篷，雨篷依靠剛性較弱的水平支承鋼桁架、索網(wǎng)中的豎索和后排豎向平衡拉索實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定。 在一些特殊場(chǎng)合下，“平面單層索網(wǎng)幕墻”會(huì)變化為“折面單層索網(wǎng)幕墻”。最具特色的單層折面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)為北京新保利大廈索網(wǎng)幕墻（圖13），其東北面的鋼索網(wǎng)幕墻寬為40～60m，高約為90m，由設(shè)于下方吊樓頂部與混凝土筒頂之間的兩道巨型鋼索分割成3個(gè)連續(xù)的折面。水平索間距為1.33m，豎索間距有兩種，分別為1.38,1.23m。 平面在采光頂中的應(yīng)用，如北京金成大廈（圖14），其地上18層中心區(qū)域設(shè)有中庭，屋頂設(shè)平面索網(wǎng)支承的玻璃采光頂，尺寸約15m×25m�？v橫向索的間距分別為1.5，1.91m。
5 單層曲面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)
單層曲面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)通常是由兩向正交或接近正交的、高斯曲率不同的索系聯(lián)結(jié)而成，索系的節(jié)點(diǎn)之間無相對(duì)滑移。 中國(guó)航海博物館曲面索網(wǎng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)包括：滿足建筑美觀和張拉要求的基準(zhǔn)索網(wǎng)網(wǎng)格設(shè)計(jì)、考慮施工建造過程的帶彈性邊界的索網(wǎng)找形、索端萬向球鉸設(shè)計(jì)、索端復(fù)雜連接部位的設(shè)計(jì)、索網(wǎng)承載力和防松弛驗(yàn)算、變形驗(yàn)算等多方面。中國(guó)航海博物館中央帆體結(jié)構(gòu)（圖15），高度約58m，兩片帆體結(jié)構(gòu)在離地高約40m處一點(diǎn)鉸接相連。帆體之間為單層曲面索網(wǎng)幕墻最寬處約22m，垂直總高為40m，橫索和豎索間距分別約0.8，1.1m。 單層曲面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)也常常用于采光頂結(jié)構(gòu)中。深圳三鑫研發(fā)中心采光頂（圖16）長(zhǎng)為60m、跨度為12m；馬鞍形標(biāo)準(zhǔn)單元的尺寸為12m×12m；索網(wǎng)由相互正交的拋物線索組成，網(wǎng)格平面尺寸為1.5m×1.5m，其縱向索下凹，橫向索上凸，構(gòu)成了具有正負(fù)高斯曲率的馬鞍形索網(wǎng)。
6 單向豎索結(jié)構(gòu)
當(dāng)建筑師對(duì)玻璃幕墻的通透性有更高要求時(shí)，可在本已相當(dāng)輕巧的平面單層索網(wǎng)幕墻的基礎(chǔ)上取消水平索，只留豎向索作為幕墻的支承結(jié)構(gòu)。豎向索在承受幕墻面板自重的同時(shí)承擔(dān)抵抗水平風(fēng)荷載的作用。 聯(lián)想融科資訊中心C座大堂幕墻（圖17）由索及鋼結(jié)構(gòu)支承。索結(jié)構(gòu)體系由4根連接兩座寫字樓之間的主懸索、62根通過鋼架對(duì)懸索施壓的單向豎索、2根位于懸索平面內(nèi)的抗風(fēng)索組成。索結(jié)構(gòu)長(zhǎng)63m、寬13.4m、高6～9.5m，單向豎索間距為2m。位于頂面的主懸索為定長(zhǎng)索，依靠若干豎向單索張拉后，對(duì)主懸索實(shí)現(xiàn)張拉過程。華晨雙帆國(guó)際大廈（圖18）采用了單層隱索幕墻形式取得了良好的視覺效果。隱式單索幕墻的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造（圖19）。
7、其他結(jié)構(gòu)形式
有需要時(shí)，也可將兩種或多種不同的玻璃幕墻張拉索桿結(jié)構(gòu)體系混合使用，以實(shí)現(xiàn)更好的建筑效果（圖20，21）；也可將張拉索桿支承結(jié)構(gòu)和其他非拉索支承結(jié)構(gòu)形式聯(lián)合使用（圖22）。
8、彈簧裝置
在幕墻拉索支承結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用幕墻拉索支承結(jié)構(gòu)中的彈簧裝置可分為兩類：
�。�1）拉索和彈簧裝置串聯(lián)，稱索端彈簧索力緩沖裝置；
�。�2）防拉索破斷裝置（圖23,24）和帶閥值的力緩沖裝置（彈簧吊爪裝置）。北京土城電話局預(yù)應(yīng)力單層索網(wǎng)幕墻長(zhǎng)為29.4m，高為19.5m，在水平索端部設(shè)置過載保護(hù)裝置（圖25）；拉維萊特（La Villette）的城市科學(xué)博物館的暖房幕墻結(jié)構(gòu)就應(yīng)用了彈簧吊爪裝置（圖26），臨界閥值荷載為7400kN。
9、張拉索桿支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算要點(diǎn)
�。�1）張拉索桿支承結(jié)構(gòu)中的拉索單元采用鏈桿單元模擬、張弦結(jié)構(gòu)中的剛性梁采用梁?jiǎn)卧M；計(jì)算模型中支座約束簡(jiǎn)化模型應(yīng)和實(shí)際情況相同；當(dāng)設(shè)有彈簧時(shí)，需用彈簧單元準(zhǔn)確模擬。
（2）張拉索桿支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)計(jì)入索中初始預(yù)應(yīng)力作用，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)自重和玻璃面板等恒載、風(fēng)載、采光頂上的雪載和檢修活載、溫度影響等作用。
�。�3）當(dāng)張拉索桿支承結(jié)構(gòu)的支座因主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大位移時(shí)，應(yīng)考慮該強(qiáng)制位移對(duì)張拉索桿支承結(jié)構(gòu)的影響，必要時(shí)可建立和主體結(jié)構(gòu)共同工作的整體分析模型。
�。�4）因張拉索桿支承結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)較小，計(jì)算時(shí)應(yīng)采用風(fēng)振系數(shù)或風(fēng)振響應(yīng)分析的方式考慮風(fēng)動(dòng)力效應(yīng)。
�。�5）平面單層索網(wǎng)、曲面單層索網(wǎng)、單向豎索結(jié)構(gòu)的剛度受其變形影響較顯著，計(jì)算時(shí)必須考慮幾何非線性特征。
�。�6）需復(fù)核最不利荷載基本組合作用下的桿件承載能力。
�。�7）需復(fù)核最不利荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下張拉索桿支承的結(jié)構(gòu)變形值是否滿足規(guī)范限值要求。
�。�8）應(yīng)避免索體的松弛現(xiàn)象。
�。�9）索桁架、自平衡索桁架結(jié)構(gòu)拉索中初始張拉應(yīng)力對(duì)抗風(fēng)能力的發(fā)揮作用的影響幅度較小。
�。�10）曲面索網(wǎng)需進(jìn)行張拉及施工過程模擬分析工作、縱橫索相交位置索夾設(shè)計(jì)時(shí)需考慮不平衡力的影響。
�。�11）張弦梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)位形進(jìn)行預(yù)變形找形分析。
