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提要：本文從實(shí)際工程入手，對(duì)一種新型的預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)作為玻璃幕墻支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、構(gòu)造技術(shù)進(jìn)行了討論。對(duì)索結(jié)構(gòu)點(diǎn)式玻璃幕墻的承載能力進(jìn)行分析，特別是對(duì)于索結(jié)構(gòu)點(diǎn)支式玻璃建筑造型的預(yù)應(yīng)力形成及部分重要節(jié)點(diǎn)處理方案和設(shè)計(jì)方法、施工要點(diǎn)作了較為詳細(xì)的分析。揭示了利用水平布設(shè)的反向預(yù)應(yīng)力支承索桁架結(jié)構(gòu)與單向單索結(jié)構(gòu)組合形成自由雙曲面玻璃幕墻的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)和自由曲面玻璃面板的冷彎安裝技術(shù)。
關(guān)鍵詞： 北京長(zhǎng)安中心、自由曲面玻璃幕墻、空間索結(jié)構(gòu)、冷彎玻璃安裝、預(yù)應(yīng)力索桁架結(jié)構(gòu)。
1、引言
預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)點(diǎn)支承玻璃幕墻的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)，在近年來獲得飛速的發(fā)展，在建筑造型和建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)上得到了廣泛的應(yīng)用。無所不能的工程師們充分發(fā)揮鋼材抗拉性能好的特性，利用包括高強(qiáng)碳鋼、不銹鋼等鋼絲編織而成的鋼索、鋼絞線，布置出預(yù)應(yīng)力空間張拉結(jié)構(gòu)體系。人們根據(jù)不同的需要，在不同空間形態(tài)下表現(xiàn)出迥異的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。近年來我國(guó)的空間索結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用已進(jìn)入了快車道。新型的柔性結(jié)構(gòu)支承體系在實(shí)際工程上的應(yīng)用越來越多，新的索結(jié)構(gòu)布設(shè)形式也不多出現(xiàn)。在近期的空間結(jié)構(gòu)技術(shù)交流會(huì)上，北工大的薛素鐸團(tuán)隊(duì)又公布了一種可以抗連續(xù)倒塌的新型無內(nèi)環(huán)索結(jié)構(gòu)體系，進(jìn)一步豐富了索結(jié)構(gòu)家族。
本文所要介紹的是我在2005年完成的一項(xiàng)預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)支承自由曲面玻璃幕墻的探索。是利用水平布設(shè)的反向預(yù)應(yīng)力支承索桁架結(jié)構(gòu)與單向單索結(jié)構(gòu)組合形成自由曲面玻璃幕墻。
這項(xiàng)預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)玻璃幕墻技術(shù)，已經(jīng)在實(shí)際工程中經(jīng)歷十七年的春、夏、秋、冬和風(fēng)雨、氣候的考驗(yàn)。我在近日看過現(xiàn)場(chǎng)，支承結(jié)構(gòu)和玻璃面板以及連接系統(tǒng)都表現(xiàn)很好，至今效果如初。所以我感到，有必要將這項(xiàng)技術(shù)再次介紹給同行們。以便設(shè)計(jì)師們了解這種新的，已經(jīng)經(jīng)歷過多年實(shí)際考驗(yàn)的、適用于自由曲面玻璃幕墻的支承結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式。
在實(shí)際工程中，空間曲面玻璃面板的支承結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，除異型鋼結(jié)構(gòu)外也可以通過索、桿的空間合理布設(shè)，將鋼索布置出個(gè)性鮮明的造型，形成合理的受力體系。通過點(diǎn)支式玻璃連接系統(tǒng)來支承雙曲面玻璃面板，形成建筑造型中理想的自由曲面。
在工業(yè)產(chǎn)品的幾何形狀中，大致可分為兩大類：一類是由初等解析曲面，如平面、圓柱面、圓錐面、球面、圓環(huán)面等組成，可以用初等解析函數(shù)完全清楚地表達(dá)全部形狀。另一類由自由曲面組成，如汽車車身、飛機(jī)機(jī)翼和輪船船體等的曲線和曲面，是不能用初等解析函數(shù)完全清楚地表達(dá)其全部形狀。 在現(xiàn)代建筑造型中已經(jīng)較多的利用建筑幕墻這個(gè)理想的載體去展現(xiàn)自由曲面的建筑藝術(shù)魅力。所以，研究自由曲面玻璃幕墻的支承系統(tǒng)對(duì)于幕墻工程師來說就顯得極為重要。
1.1 雙曲面玻璃建筑造型概況
北京長(zhǎng)安中心位于北京市西城區(qū)南鬧市口大街，建筑面積為 ，地下三層，地上十四層，檐高 ，結(jié)構(gòu)類型為鋼筋混泥土筏板基礎(chǔ)，框架剪力墻結(jié)構(gòu)。 雙曲面玻璃建筑造型立面是不規(guī)則雙曲面玻璃與兩側(cè)直立面幕墻以及頂部玻璃采光頂組合而成。(如圖1.a、b)
該項(xiàng)目是于2005年1月開始進(jìn)場(chǎng)施工的，從結(jié)構(gòu)安裝到玻璃安裝經(jīng)過了五個(gè)多月的安裝過程，完成了全部安裝內(nèi)容。在此過程中，我們對(duì)支承體系中的水平索桁架進(jìn)行了1：1的荷載試驗(yàn)，對(duì)曲面上的單向單索幕墻部分進(jìn)行了抗風(fēng)壓、氣密、水密、平面內(nèi)變形（詞條“變形”由行業(yè)大百科提供）等物理性能進(jìn)行了專項(xiàng)論證，確保其安全性能。該項(xiàng)目經(jīng)過2005年至今整十七年的使用，性能和狀態(tài)良好，在此期間該項(xiàng)目經(jīng)過了春夏秋冬、風(fēng)雨、冷熱等大自然的考驗(yàn)，仍然保持著很好的工作狀態(tài)。
1.2 雙曲面索結(jié)構(gòu)玻璃幕墻結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn)
北立面入口兩側(cè)各采用一榀36.18m高的空間彎曲三角鋼管桁架立柱，在立柱上部架設(shè)一榀24m跨度的空間弧形三角鋼管桁架橫梁（詞條“橫梁”由行業(yè)大百科提供）;從地面往上7.9m布置第一道魚尾式水平拉索桁架，然后依次每隔6.9m布置三道魚尾式水平拉索桁架，拉索材質(zhì)為高強(qiáng)鋁包鋼絞線;豎向從上至下每隔適當(dāng)距離布置單根不銹鋼拉索。中間貫穿水平拉索桁架;采光頂靠近土建結(jié)構(gòu)處同樣布置有一道空間三角鋼管桁架橫梁以整個(gè)幕墻結(jié)構(gòu)自成體系，從而將幕墻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加內(nèi)力消耗在結(jié)構(gòu)自身內(nèi)部，只將水平風(fēng)荷載以及豎向自重、地震荷載等傳遞給主體結(jié)構(gòu)。 可以看出，本方案結(jié)構(gòu)布置合理，傳力路徑清晰;所用桿件較少，大多為鋼索，安全度高、通透性好，索系造型優(yōu)美，視覺效果好，體現(xiàn)了該工程的新穎性和獨(dú)創(chuàng)性。(如圖1.2a、b)
2、索結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路
建筑物北立面主入口采用結(jié)構(gòu)形式新穎的大面積大跨度的柔索玻璃幕墻。結(jié)構(gòu)由橫向水平布設(shè)的反力索桁架與豎向單索以及輕型鋼結(jié)構(gòu)組合形成的，能承受幕墻荷載的雙曲面索結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)標(biāo)高為36.430，共十一層，在三、五、七、九層布置水平索桁架(如圖2-a、b)，其水平跨度為24m。豎向?yàn)閱蜗騿嗡髦С凶畲蟠怪笨缍葹?m ，幕墻結(jié)構(gòu)的受力特征為豎向單索首先承受水平風(fēng)荷載，再傳遞給橫向水平鋼索桁架，由橫向水平鋼索桁架交給鋼結(jié)構(gòu)，最后傳遞到地面或者建筑主體結(jié)構(gòu)
對(duì)于水平索桁架：三層選用兩根同時(shí)受力的φ30高強(qiáng)鋁包鋼絞線，五層選用兩根同時(shí)受力的φ32高強(qiáng)鋁包鋼絞線，七層選用兩根同時(shí)受力的φ34高強(qiáng)鋁包鋼絞線，九層選用兩根同時(shí)受力的φ34鋁包鋼絞線;豎索選用φ22不銹鋼鋼絞線。
2.1、幕墻結(jié)構(gòu)的受力特征及力的傳遞途徑：
水平荷載作用在玻璃上，通過連接件傳遞給豎向單索，豎向單索對(duì)將水平力傳遞給水平魚尾式索桁架上，水平索桁架又通過斜向撐桿和邊部節(jié)點(diǎn)將水平力傳遞給建主體結(jié)構(gòu)。(如圖2.1)
由于主體結(jié)構(gòu)的每一層樓板只能承擔(dān)水平力，不能承擔(dān)豎向荷載，所以我們?cè)陧敳?a target='_blank' style='font-size:1em; border-bottom:1px dotted blue;'>鋼桁架與主體結(jié)構(gòu)連接處設(shè)置了鉸接機(jī)構(gòu)，又在每一層樓板與鋼結(jié)構(gòu)連接處設(shè)置了可豎向滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，使幕墻的豎向力傳遞到地面。
重力荷載：幕墻自重→索網(wǎng)夾具（詞條“夾具”由行業(yè)大百科提供）→鋼索拉力→ 建筑主體結(jié)構(gòu)→建筑基礎(chǔ)→地面
風(fēng)荷載：風(fēng)荷載→玻璃面板→索網(wǎng)夾具→幕墻豎向索→水平索桁架→水平斜向撐桿→建筑主體結(jié)構(gòu)→建筑基礎(chǔ)
地震荷：地震荷載→玻璃面板→索網(wǎng)夾具→幕墻索網(wǎng)→建筑主體結(jié)構(gòu)→建筑基礎(chǔ)→地面
鋼索預(yù)拉力和溫度、施工活荷載： 鋼索預(yù)拉力→幕墻鋼桁架→建筑主體結(jié)構(gòu)→建筑基礎(chǔ)→地面
2.2、結(jié)構(gòu)計(jì)算
由于本工程的結(jié)構(gòu)新穎獨(dú)特性，受力、傳力較為復(fù)雜，我們對(duì)支承結(jié)構(gòu)做了整體計(jì)算，并對(duì)受力和傳力的各項(xiàng)節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行了計(jì)算分析，特別是對(duì)連接節(jié)點(diǎn)處，大到鋼桁架的腳座支點(diǎn)，小到耳板、鋼
軸銷都全面進(jìn)行了受力分析和詳細(xì)的計(jì)算，特別是對(duì)索桁架和鋼桁支承系統(tǒng)采用有限元計(jì)算程序Ansys進(jìn)行整體建模計(jì)算的同時(shí)又對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處建實(shí)體模型，進(jìn)行受力計(jì)算分析，確保本工程的安全性。(如圖2.2-a、b)
2.3、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
由于本項(xiàng)工程的外形是采用不規(guī)則的雙曲面體，支承結(jié)構(gòu)又是不對(duì)稱的魚尾式索桁架和豎向單索結(jié)構(gòu)，再加上主體結(jié)構(gòu)只能承擔(dān)水平荷載不能承受豎向力，這就要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)夠造都要適應(yīng)結(jié)構(gòu)性能的要求，下面介紹幾個(gè)特殊節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)：
2.3.1、索桁架斜向水平撐桿的設(shè)計(jì)：按著夠造的要求，每榀水平索桁架都有兩根斜向水平撐桿作為主要承壓桿件，將幕墻的大部分水平荷載傳遞給主體結(jié)構(gòu)，但由于撐桿的軸心線與索桁架的受力索及聯(lián)系桿的軸心線在一個(gè)平面上，必然有相交的問題，我們采取了在撐桿與索桿相交處開孔和局部加強(qiáng)的辦法解決了這一夠造上的難題。(如圖2.3.1-a、b)
2.3.2、在處理豎向三角桁架的底部節(jié)點(diǎn)時(shí)，充分的考慮到結(jié)構(gòu)的夠造要求和美觀性在角柱上采用了有造形的鑄鋼件。(如圖2.3.2-a、b)
2.3.3、豎向索的頂部節(jié)點(diǎn)比較復(fù)雜，由于受力變形的要求鋼索與鋼桁架的連接節(jié)點(diǎn)必須能夠在鋼索受水平荷載變位時(shí)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)又要能吸收索材料的軸向長(zhǎng)度誤差和安裝誤差。我們?cè)诖颂幇惭b了球形腳支座和誤差調(diào)節(jié)器。
2.3.4、由于水平索桁架的鋼索內(nèi)力極大，在設(shè)計(jì)時(shí)采用了雙索同時(shí)受力的方案。為了解決雙拉索與桿的在工作狀態(tài)時(shí)能牢固連接又能相對(duì)位移，設(shè)計(jì)了特殊節(jié)點(diǎn)(如圖2.3.4-a、b、c、d)。
3、主要材料選用
3.1、幕墻玻璃的選用：
玻璃種類采用10(FT)+1.52PVB+8(FT)鋼化夾膠玻璃（詞條“鋼化夾膠玻璃”由行業(yè)大百科提供），鋼化玻璃均進(jìn)行二次熱處理(均質(zhì)處)。由于本工程的外立面是由多片平板玻璃（詞條“平板玻璃”由行業(yè)大百科提供）拼成的一個(gè)不規(guī)則的雙曲面體形，所以每片玻璃的外形尺寸都不一致，玻璃分割的基本尺寸為1710mm×1725mm，我們?cè)谙铝线^程中采用了CAD三維圖輔助和現(xiàn)場(chǎng)放樣相結(jié)合的辦法確保每片玻璃的尺寸精度。由于整體立面是雙曲形的，用平板玻璃進(jìn)行折線曲面擬合安裝時(shí)玻璃必然會(huì)有一個(gè)角翹起，為了不讓翹起部分影響視覺效果，在玻璃分片時(shí)盡可能的采用外形尺寸的變化來保證翹起度的一致。
在這項(xiàng)工程的設(shè)計(jì)和施工中，我們探索了對(duì)雙曲面玻璃幕墻的曲面面板，采用冷彎變形的安裝方案。由于玻璃的冷彎變形安裝會(huì)使玻璃面板產(chǎn)生一個(gè)較大的安裝應(yīng)力(最大的四點(diǎn)不共面翹起量為38mm)。所以我們?cè)诿姘宀ＡУ脑O(shè)計(jì)時(shí)就已充分考慮到，因安裝應(yīng)力給玻璃強(qiáng)度帶來的影響。確定了，在板塊曲面擬合時(shí)用，變形量來控制玻璃表面應(yīng)力的辦法。嚴(yán)格將玻璃的彎曲應(yīng)力與在工作狀態(tài)時(shí)最大外部荷載所產(chǎn)生的應(yīng)力疊加后，控制在玻璃的設(shè)計(jì)的許用強(qiáng)度范圍內(nèi)。在使用中對(duì)這部分玻璃面板進(jìn)行重點(diǎn)觀察和監(jiān)控。為了確保安全，在這部分玻璃的下方設(shè)置了水池，防止人員進(jìn)入。經(jīng)過十七年的觀察玻璃全部完好無損，印證了這種設(shè)計(jì)與安裝方案是安全的。所以這種冷彎玻璃的設(shè)計(jì)安裝方案直到今天才敢給同仁們介紹。(如圖3.1、2)
3.2、結(jié)構(gòu)鋼材：
由于索結(jié)構(gòu)的支座反力是由邊部的鋼結(jié)構(gòu)承擔(dān)的，考慮到結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性在選材時(shí)，大部分鋼結(jié)構(gòu)材料的材質(zhì)為Q235-B，對(duì)于主要受力柱和頂部的曲線三角桁架采用了材質(zhì)為20號(hào)鋼的厚壁無縫鋼管，特別在受力最大的曲線鋼管立柱的上半部分采用了壁厚為20mm的無縫鋼管，同時(shí)又對(duì)主要受力點(diǎn)進(jìn)行了局部加強(qiáng)。
由于邊部鋼結(jié)構(gòu)支撐桁架是由直徑不同的圓形鋼管拼接成形的，大部分節(jié)點(diǎn)為焊接剛性節(jié)點(diǎn)，為保證曲形鋼架在成形后安全可靠尺寸精準(zhǔn)，對(duì)每一個(gè)相貫線切口都采用了五軸相貫線切割機(jī)自動(dòng)切割成形保證了相貫對(duì)口的準(zhǔn)確性和焊口坡度。
3.3、鋼索的選用：
豎向鋼索采用直徑為22.5mm的不銹鋼絞線，不銹鋼鋼絲材質(zhì)采用304奧氏體不銹鋼。類型為1x61，每根鋼絲的直徑為2.5mm。不銹鋼拉索的性能參數(shù)要求如下：
彈性模量（詞條“彈性模量”由行業(yè)大百科提供）：E=(1.3+0.1)X105 MPa
屈服強(qiáng)度：fy=1450 MPa
橫向水平拉索采用高強(qiáng)鋁包鋼絞線。鋼索直徑24—36mm.類型為1x61,每根鋼絲的直徑3.78mm，外包鋁的厚度不小于鋼索直徑的10%。鋁包鋼絞線的性能參數(shù)要求如下：
彈性（詞條“彈性”由行業(yè)大百科提供）模量：E=(1.5±0.1) X105 MPa
屈服強(qiáng)度：fy=1670 Mpa ; 線膨脹系數(shù)：α=1.3X10-5
4、水平索桁架的荷載試驗(yàn)
當(dāng)確定了水平索桁架的基本和體型后，在結(jié)構(gòu)整體計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，為能確保其使用時(shí)的安全性，我們采用了1:1的實(shí)體水平索桁架作靜力荷載試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比、分析，最終確定水平索桁架的穩(wěn)定性和可行性。(如圖4.a、b)
結(jié)語(yǔ)
點(diǎn)支式玻璃連接技術(shù)因安全可靠的連接構(gòu)造，廣泛應(yīng)用于大跨度建筑（詞條“大跨度建筑”由行業(yè)大百科提供）空間。其支承體系可靈活布置，并朝著大尺度、輕型化的方向發(fā)展。已從剛架、桁架、網(wǎng)架、玻璃肋等剛性支承體系，發(fā)展到目前大量使用的基于預(yù)應(yīng)力張拉技術(shù)的柔性支承體系。柔性結(jié)構(gòu)體系與點(diǎn)支式玻璃結(jié)合使用，將二者輕盈、通透的共性發(fā)揮到極致，使建筑內(nèi)外空間自然和諧的融為一體。
本文通過以上幾個(gè)部分的介紹將這項(xiàng)特殊工程從設(shè)計(jì)到施工過程中碰到的問題和解決方案作了初步的介紹。由于篇幅的關(guān)系在文章中沒有對(duì)水平索桁架的靜力加載試驗(yàn)作過多的介紹。該項(xiàng)目經(jīng)過2005年至今整十七年使用，性能和狀態(tài)良好，在此期間該項(xiàng)目經(jīng)過了春、夏、秋、冬、風(fēng)雨、冷、熱等大自然的考驗(yàn)，仍然保持著很好的工作狀態(tài)。索結(jié)構(gòu)玻璃幕墻因特性越來越受到建筑師的青睞，但在設(shè)計(jì)和施工中每項(xiàng)工程都有它的個(gè)體性，必須在安全度上嚴(yán)格把關(guān)，確保這一新型的幕墻能健康發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
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[2] 王德勤（詞條“王德勤”由行業(yè)大百科提供），索結(jié)構(gòu)玻璃幕墻用索桁架的構(gòu)造與設(shè)計(jì)，《建筑技術(shù)》,北京 2003
[3] 王德勤，曲面索結(jié)構(gòu)玻璃幕墻承載性能探討，《幕墻設(shè)計(jì)》，北京2010
[4] 王德勤，索結(jié)構(gòu)點(diǎn)駁接玻璃用鋼索結(jié)構(gòu)形式及材料選用探討，《鋁門窗（詞條“門窗”由行業(yè)大百科提供）&幕墻》， 2005
[5] 王德勤，單索結(jié)構(gòu)玻璃幕墻的安全保障系統(tǒng)解析，《幕墻設(shè)計(jì)》2018，第二期
作者單位：北京德宏幕墻工程技術(shù)科研中心
