1、点支式玻璃幕墙结构设计探讨摘要：本文介绍了点支式玻璃幕墙简介，结合实际工程，对自平衡拉索桁架结构和鱼腹式索桁架结构中支承结构形式的应用展开了具体的讨论。 关键词: 点支式玻璃幕墙 钢结构设计 中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号： 该工程由展厅和配套会议设施两部分组合而成，总建筑面积达69000m2，幕墙面积达 40000m2，整个建筑规模宏大，气势磅礴。在造型及选材方面，建筑师体现了超前意识，工程大面为玻璃幕墙和铝蜂窝板幕墙，并饰以大块装饰条带，大量线条的运用使整个建筑风格更加挺拔雄伟，折射出强烈的时代感和韵律感，如图 1 所示。 图 1 工程玻璃幕墙示意 1 点支式玻璃幕墙简介
2、根据建筑师的要求，在展厅东立面，既要充分利用主体结构的布置特点，将玻璃幕墙结构与主体结构组成一个合理的受力体系，又要最大限度地减少幕墙的材料用量，降低成本，以使幕墙整体效果轻盈、明快、新颖，获得较好的通透性，最大限度释放室内的使用空间。原展览厅和会议厅主体部分采用钢筋混凝土框架结构体系，柱距 12m，均匀布置，在标高 14.150m 和 23.300m 处各有钢筋混凝土结构梁一道。由于原主体结构较为简单，玻璃幕墙本身距离原主体结构较远，高度达 24m，并且有大型雨篷和采光顶，普通的拉索幕墙难以满足要求。为实现上述设计要求，本工程采用竖向自平衡拉索桁架结构作为幕墙结构主受力体系。自平衡索桁架结构
3、的底部与基础铰接，上部同从标高 23.300m 钢筋混凝土梁伸出的钢梁连接。同时将 1 榀自平衡拉索桁架柱分为上下两段，中间从标高 14.150m 的钢筋混凝土梁伸出的水平钢管与结构梁相连(见图 2)，这样不仅充分利用了主体结构，而且降低了自平衡索桁架的计算跨度，有利于自平衡索桁架结构受力。 图 2 自平衡索桁架 该工程点支式玻璃幕墙部分南北方向长 136.3m，东西方向长17.813m，结构体系较为复杂，多处设计在国内幕墙界鲜有先例。自平衡拉索桁架柱沿水平方向每 6m 布置 1 榀，竖向自平衡索桁架之间布置水平鱼腹式索桁架结构，如图 3 所示。竖向承重索间距 2.0m，水平鱼腹式索桁架沿垂直
4、方向间距 3.0m 均匀布置，玻璃分格为 2000mm3000mm。 图 3 水平鱼腹式索桁架 2 材料的选用 该工程结构的防腐，玻璃面板的节能等性能有很高要求，材料的选用必须严格把关。 2.1 面板 玻璃幕墙面板采用 12(FT)+12A+10(FT)LOW-E 双钢化 LOW-E 中空玻璃，充分应用了现代先进材料工艺的隔声、隔热、保温、防结露等卓越性能，属节能产品。钢化玻璃有优越的抗变形、抗冲击性能，既使破裂后，也会以小颗粒状散落，更大地提高了安全性能。 2.2 钢桁架材料及其表面处理 钢管桁架采用 Q235B 钢管。对接式钢管接头，钢管对接有衬管。钢管表面进行喷砂除锈，除绣等级为 Sa2
5、.5，表面粗糙度为 Rz4570 m，然后立即喷涂无机富锌底漆，涂层厚度为 4050 m，环氧云铁中间漆，涂层厚度为 60 m，氟碳喷涂面漆，涂层厚度为 60 m，总干膜厚度180 m。 2.3 拉索桁架 拉索桁架选用了防腐性能高的 SUS316 材质，索选用 12mm、 16mm、 22.5mm 不锈钢钢绞线，等效弹性模量为 1.25104Nmm2，承重索采用 12mm 不锈钢钢绞线。 2.4 驳接结构系统 不锈钢驳接系统采用 2540 系列驳接爪，配以可转式浮头驳接头，大大改善了玻璃的受力性能，且均选用了防腐性能高的 SUS316 材质。 3 结构设计 3.1 荷载和地震作用 根据要求，取
6、基本风压值： 0 =0.60kNm2，地区粗糙度类别：A 类，地震设防烈度:6 度，工程设计使用年限:50 年。 3.2 主要构件计算方法 1)玻璃 采用 ANSYS 计算系统，按四角支承板建模计算最大弯曲应力。2)钢桁架 采用 ANSYS 计算系统和 SAP84 系统对比计算，外荷载作为集中力施加于节点，建模计算最大应力应变。 3)抓点结构采用 ANSYS 计算系统建模，进行有限单元分析和利用应力应变试验测得数值对比。 3.3 预应力值考虑 用于固定悬空杆的拉索在安装和调整过程中必须考虑合理的应力值，才能保证在玻璃安装后受自重荷载的作用下结构变形在允许范围内。 1)横向受力索内应力值的设定主
7、要考虑如下几个方面：结构水平方向受力；拉索调整器的螺纹的粗糙度与摩擦力；连接拉索锁头、销钉、调整杆所允许承受应力的范围；支撑结构、边界条件所允许承受的拉力范围及在施工时的温度等。 2)通过 ANSYS 系统计算，为了保证索桁架在最不利荷载的情况下不会松弛，及保证桁架在最不利荷载的情况下不会松弛，及保证桁架位移控制在 1/200 以内，需要给 12mm 拉索初始张拉力为 19.6kN，需要给 l6mm 拉索初始张拉力为 30.45kN，给 22.5mm 拉索初始张拉力为76.62kN。 3.4 驳接头的设计机理 可转式浮头驳接头如图 4 所示，可以让玻璃在风压作用下有较大的活动空间，大大减少了玻
8、璃开孔处的应力集中，更大地提高了玻璃的安全性能。 图 4 可转式浮头驳接头 3.5 构造节点设计 驳接爪构造尺寸为 400mm250mm，在设计上考虑了带槽功能，与另一块压紧块由 2 个螺栓连着预应力拉索一起锁紧。再通过悬空连接杆和拉索作用传递到抗风桁架上，抓点结构与悬空连接杆连接节点如图 5 所示。拉索穿过悬空杆水平节点、拉索穿过悬空杆竖向节点和平衡桁架底部节点如图 6 所示。 图 5 可转式浮头驳接头 a 拉索穿过悬空杆水平节点 b 拉索穿过悬空杆竖向节点 c 平衡桁架底部节点 图 6 曲型节点示意 钢结构桁架的焊接时，钢管相贯线焊缝分为 3 个区：趾部、侧面区及跟部，如图 7 所示。按现
9、有设备能力，趾部可以切割出完整的剖口，侧面区可以切割出过渡剖口，跟部当支管与主管夹角小于 45时，不能切割剖口。由于采用无间隙安装，故趾部焊缝为部分熔透剖口焊缝，跟部为角焊缝，侧面区由角焊缝过渡到部分剖口焊缝，跟部角焊缝在垂直于主管外壁的方向高度应1.2t(t 为支管壁厚)。趾部及侧面区允许有2mm 左右的不熔透，但须在外侧增加 23mm 的角焊缝。钢梁对接焊缝的质量等级为二级。其余焊缝等级均为三级。本深化图中注明为零问隙的部分熔透焊缝均为三级。相贯线焊缝完成后由业主指定的第三方检测单位抽查 10进行超声波探伤。检查结果不作为考核依据，仅供设计方作为调整节点设计参考。 图 7 钢管相贯线焊缝
10、4 结构试验检测 根据工程拉索点支式玻璃幕墙结构特点和结构形式，选取点支式玻璃幕墙正面索桁架单元，按 1:1 实体大小选定。该标准检测单元共有 9片玻璃，含 2 榀预应力鱼腹式索桁架，每块玻璃分格为2000ram3000mm，与工程实际应用相一致。满足建筑幕墙空气渗透性能检测方法GB/T15226 要求。试验检测设备能反映预应力拉索点支式玻璃幕墙玻璃实际的受力特性及连接固定的结构特征，并能按规范要求进行玻璃幕墙物理性能检测。试验单元中每片玻璃尺寸：1984nun2984mm；试验单元洞口尺寸：9000mm6000mm。 4.1 试验内容和目的 试验内容建筑幕墙雨水渗透性能、幕墙空气渗透性能、幕
11、墙风压变形性能。 试验目的包括：考察玻璃幕墙空气渗透性能能否达到设计要求；考察玻璃幕墙雨水渗透性能能否达到设计要求；考察玻璃幕墙预应力、鱼腹式索桁架风压变形性能能否达到设计要求；通过试验验证自平衡拉索桁架点支式玻璃幕墙体系节点构造及施工过程中可能存在的问题。 4.2 试验过程 首先对试件进行气密性能、水密性能检测，然后进行风压变形检测。风压变形检测先按要求安装好位移计，再按以下步骤进行：预备加压以 250Pa 的压力加荷 5min，作为预备加压，待泄压平稳后，记录各测点的初始位移量；变形测量先进行正压测量，后进行负压测量；反复受荷检测 以每级检测压力为波峰，波幅为 1/2 压力值，进行波动检测
12、。 4.3 试验结果 试验中+1 854Pa 的风压下，拉索结构的挠度为 23.86mm，-1854Pa 的风压下，拉索结构的挠度为-22.91mm，试件无损坏情况。验证了在设计当中参数取值及理论分析可靠，能真实反映自平衡拉索桁架点支式玻璃幕墙体系的设计可行。 5 结语 本文对工程中的索支承玻璃幕墙方案进行了详细介绍，然后结合该工程，对其中采用的自平衡索桁架结构和鱼腹式索桁架结构的工程应用展开了具体的讨论，涵盖了这两种结构形式工程应用的各个方面，得到的主要结论有： 1)玻璃幕墙结构设计时，应充分利用主体结构的刚度和支承条件，这样可以极大简化玻璃幕墙结构的工程设计，并节约玻璃幕墙结构费用。2)自平衡索桁架结构具有刚性结构和柔性结构的双重优点，既可以承受压力，又作为受压构件，结构跨中截面又具有较好的抗弯刚度，同时由于采用了拉索，结构自身又比较轻巧。 3)对自平衡索桁架结构和鱼腹式索桁架结构包括材料选用、结构设计、节点设计及构造、结构检测、玻璃幕墙检测和结构施工等工程应用的各个方面进行了详细的讨论，为今后这类工程结构的设计和施工提供了依据。 经过该建筑台风的袭击安然无恙。本工程竖向自平衡索桁架与水平索桁架组合设计、施工是点支式玻璃幕墙结构形式又一成功范例。
