點支式玻璃幕墻結構設計探討

1、<p>　　點支式玻璃幕墻結構設計探討</p><p>　　摘要：本文介紹了點支式玻璃幕墻簡介，結合實際工程，對自平衡拉索桁架結構和魚腹式索桁架結構中支承結構形式的應用展開了具體的討論。 </p><p>　　關鍵詞: 點支式玻璃幕墻 鋼結構設計 </p><p>　　中圖分類號：S611 文獻標識碼：A 文章編號： </p><p&g

2、t;　　該工程由展廳和配套會議設施兩部分組合而成，總建筑面積達69000m2，幕墻面積達40000m2，整個建筑規(guī)模宏大，氣勢磅礴。在造型及選材方面，建筑師體現(xiàn)了超前意識，工程大面為玻璃幕墻和鋁蜂窩板幕墻，并飾以大塊裝飾條帶，大量線條的運用使整個建筑風格更加挺拔雄偉，折射出強烈的時代感和韻律感，如圖1所示。 </p><p>　　圖1工程玻璃幕墻示意 </p><p>　　1 點支式玻璃幕

3、墻簡介 </p><p>　　根據(jù)建筑師的要求，在展廳東立面，既要充分利用主體結構的布置特點，將玻璃幕墻結構與主體結構組成一個合理的受力體系，又要最大限度地減少幕墻的材料用量，降低成本，以使幕墻整體效果輕盈、明快、新穎，獲得較好的通透性，最大限度釋放室內(nèi)的使用空間。原展覽廳和會議廳主體部分采用鋼筋混凝土框架結構體系，柱距12m，均勻布置，在標高14.150m和23.300m處各有鋼筋混凝土結構梁一道。由于原主體結

4、構較為簡單，玻璃幕墻本身距離原主體結構較遠，高度達24m，并且有大型雨篷和采光頂，普通的拉索幕墻難以滿足要求。為實現(xiàn)上述設計要求，本工程采用豎向自平衡拉索桁架結構作為幕墻結構主受力體系。自平衡索桁架結構的底部與基礎鉸接，上部同從標高23.300m鋼筋混凝土梁伸出的鋼梁連接。同時將1榀自平衡拉索桁架柱分為上下兩段，中間從標高14.150m的鋼筋混凝土梁伸出的水平鋼管與結構梁相連(見圖2)，這樣不僅充分利用了主體結構，而且降低了自平衡索桁架

5、的計算跨度，有利于自平衡索桁架結構受力。 </p><p><b>　　圖2自平衡索桁架 </b></p><p>　　該工程點支式玻璃幕墻部分南北方向長136.3m，東西方向長17.813m，結構體系較為復雜，多處設計在國內(nèi)幕墻界鮮有先例。自平衡拉索桁架柱沿水平方向每6m布置1榀，豎向自平衡索桁架之間布置水平魚腹式索桁架結構，如圖3所示。豎向承重索間距2.0m，水平

6、魚腹式索桁架沿垂直方向間距3.0m均勻布置，玻璃分格為2000mm×3000mm。 </p><p>　　圖3水平魚腹式索桁架 </p><p><b>　　2 材料的選用 </b></p><p>　　該工程結構的防腐，玻璃面板的節(jié)能等性能有很高要求，材料的選用必須嚴格把關。 </p><p><b&g

7、t;　　2.1 面板 </b></p><p>　　玻璃幕墻面板采用12(FT)+12A+10(FT)LOW-E雙鋼化LOW-E中空玻璃，充分應用了現(xiàn)代先進材料工藝的隔聲、隔熱、保溫、防結露等卓越性能，屬節(jié)能產(chǎn)品。鋼化玻璃有優(yōu)越的抗變形、抗沖擊性能，既使破裂后，也會以小顆粒狀散落，更大地提高了安全性能。 </p><p>　　2.2鋼桁架材料及其表面處理 </p>

8、<p>　　鋼管桁架采用Q235B鋼管。對接式鋼管接頭，鋼管對接有襯管。鋼管表面進行噴砂除銹，除繡等級為Sa2.5，表面粗糙度為Rz45～70 m，然后立即噴涂無機富鋅底漆，涂層厚度為40～50 m，環(huán)氧云鐵中間漆，涂層厚度為60 m，氟碳噴涂面漆，涂層厚度為60 m，總干膜厚度≥180 m。 </p><p><b>　　2.3 拉索桁架 </b></p><

9、;p>　　拉索桁架選用了防腐性能高的SUS316材質(zhì)，索選用 12mm、 16mm、 22.5mm不銹鋼鋼絞線，等效彈性模量為1.25×104N／mm2，承重索采用 12mm不銹鋼鋼絞線。 </p><p>　　2.4駁接結構系統(tǒng) </p><p>　　不銹鋼駁接系統(tǒng)采用2540系列駁接爪，配以可轉(zhuǎn)式浮頭駁接頭，大大改善了玻璃的受力性能，且均選用了防腐性能高的SUS316材

10、質(zhì)。 </p><p><b>　　3 結構設計 </b></p><p>　　3.1荷載和地震作用 </p><p>　　根據(jù)要求，取基本風壓值： 0 =0.60kN／m2，地區(qū)粗糙度類別：A類，地震設防烈度:6度，工程設計使用年限:50年。 </p><p>　　3.2主要構件計算方法 </p><

11、;p>　　1)玻璃 采用ANSYS計算系統(tǒng)，按四角支承板建模計算最大彎曲應力。 </p><p>　　2)鋼桁架 采用ANSYS計算系統(tǒng)和SAP84系統(tǒng)對比計算，外荷載作為集中力施加于節(jié)點，建模計算最大應力應變。 </p><p>　　3)抓點結構采用ANSYS計算系統(tǒng)建模，進行有限單元分析和利用應力應變試驗測得數(shù)值對比。 </p><p>　　3.3 預應力

12、值考慮 </p><p>　　用于固定懸空桿的拉索在安裝和調(diào)整過程中必須考慮合理的應力值，才能保證在玻璃安裝后受自重荷載的作用下結構變形在允許范圍內(nèi)。 </p><p>　　1)橫向受力索內(nèi)應力值的設定主要考慮如下幾個方面：①結構水平方向受力；②拉索調(diào)整器的螺紋的粗糙度與摩擦力；③連接拉索鎖頭、銷釘、調(diào)整桿所允許承受應力的范圍；④支撐結構、邊界條件所允許承受的拉力范圍及在施工時的溫度等。

13、</p><p>　　2)通過ANSYS系統(tǒng)計算，為了保證索桁架在最不利荷載的情況下不會松弛，及保證桁架在最不利荷載的情況下不會松弛，及保證桁架位移控制在1/200以內(nèi)，需要給 12mm拉索初始張拉力為19.6kN，需要給 l6mm拉索初始張拉力為30.45kN，給 22.5mm拉索初始張拉力為76.62kN。 </p><p>　　3.4 駁接頭的設計機理 </p><

14、;p>　　可轉(zhuǎn)式浮頭駁接頭如圖4所示，可以讓玻璃在風壓作用下有較大的活動空間，大大減少了玻璃開孔處的應力集中，更大地提高了玻璃的安全性能。 </p><p>　　圖4可轉(zhuǎn)式浮頭駁接頭 </p><p>　　3.5 構造節(jié)點設計 </p><p>　　駁接爪構造尺寸為400mm×250mm，在設計上考慮了帶槽功能，與另一塊壓緊塊由2個螺栓連著預應力拉索

15、一起鎖緊。再通過懸空連接桿和拉索作用傳遞到抗風桁架上，抓點結構與懸空連接桿連接節(jié)點如圖5所示。拉索穿過懸空桿水平節(jié)點、拉索穿過懸空桿豎向節(jié)點和平衡桁架底部節(jié)點如圖6所示。 </p><p>　　圖5可轉(zhuǎn)式浮頭駁接頭 </p><p>　　a拉索穿過懸空桿水平節(jié)點 </p><p>　　b拉索穿過懸空桿豎向節(jié)點 c平衡桁架底部節(jié)點 </p><p&

16、gt;<b>　　圖6曲型節(jié)點示意 </b></p><p>　　鋼結構桁架的焊接時，鋼管相貫線焊縫分為3個區(qū)：趾部、側(cè)面區(qū)及跟部，如圖7所示。按現(xiàn)有設備能力，趾部可以切割出完整的剖口，側(cè)面區(qū)可以切割出過渡剖口，跟部當支管與主管夾角小于45°時，不能切割剖口。由于采用無間隙安裝，故趾部焊縫為部分熔透剖口焊縫，跟部為角焊縫，側(cè)面區(qū)由角焊縫過渡到部分剖口焊縫，跟部角焊縫在垂直于主管外壁

17、的方向高度應≥1.2t(t為支管壁厚)。趾部及側(cè)面區(qū)允許有2mm左右的不熔透，但須在外側(cè)增加2～3mm的角焊縫。鋼梁對接焊縫的質(zhì)量等級為二級。其余焊縫等級均為三級。本深化圖中注明為零問隙的部分熔透焊縫均為三級。相貫線焊縫完成后由業(yè)主指定的第三方檢測單位抽查10％進行超聲波探傷。檢查結果不作為考核依據(jù)，僅供設計方作為調(diào)整節(jié)點設計參考。 </p><p>　　圖7鋼管相貫線焊縫 </p><p&g

18、t;<b>　　4 結構試驗檢測 </b></p><p>　　根據(jù)工程拉索點支式玻璃幕墻結構特點和結構形式，選取點支式玻璃幕墻正面索桁架單元，按1:1實體大小選定。該標準檢測單元共有9片玻璃，含2榀預應力魚腹式索桁架，每塊玻璃分格為2000ram×3000mm，與工程實際應用相一致。滿足《建筑幕墻空氣滲透性能檢測方法》GB/T15226要求。試驗檢測設備能反映預應力拉索點支式玻璃

19、幕墻玻璃實際的受力特性及連接固定的結構特征，并能按規(guī)范要求進行玻璃幕墻物理性能檢測。試驗單元中每片玻璃尺寸：1984nun×2984mm；試驗單元洞口尺寸：9000mm×6000mm。 </p><p>　　4.1試驗內(nèi)容和目的 </p><p>　　試驗內(nèi)容建筑幕墻雨水滲透性能、幕墻空氣滲透性能、幕墻風壓變形性能。 </p><p>　　試驗目

20、的包括：①考察玻璃幕墻空氣滲透性能能否達到設計要求；②考察玻璃幕墻雨水滲透性能能否達到設計要求；③考察玻璃幕墻預應力、魚腹式索桁架風壓變形性能能否達到設計要求；④通過試驗驗證自平衡拉索桁架點支式玻璃幕墻體系節(jié)點構造及施工過程中可能存在的問題。 </p><p><b>　　4.2 試驗過程 </b></p><p>　　首先對試件進行氣密性能、水密性能檢測，然后進行風

21、壓變形檢測。風壓變形檢測先按要求安裝好位移計，再按以下步驟進行：①預備加壓以250Pa的壓力加荷5min，作為預備加壓，待泄壓平穩(wěn)后，記錄各測點的初始位移量；②變形測量先進行正壓測量，后進行負壓測量；③反復受荷檢測 以每級檢測壓力為波峰，波幅為1/2壓力值，進行波動檢測。 </p><p><b>　　4.3 試驗結果 </b></p><p>　　試驗中+1 854

22、Pa的風壓下，拉索結構的撓度為23.86mm，-1854Pa的風壓下，拉索結構的撓度為-22.91mm，試件無損壞情況。驗證了在設計當中參數(shù)取值及理論分析可靠，能真實反映自平衡拉索桁架點支式玻璃幕墻體系的設計可行。 </p><p><b>　　5 結語 </b></p><p>　　本文對工程中的索支承玻璃幕墻方案進行了詳細介紹，然后結合該工程，對其中采用的自平衡索

23、桁架結構和魚腹式索桁架結構的工程應用展開了具體的討論，涵蓋了這兩種結構形式工程應用的各個方面，得到的主要結論有： </p><p>　　1)玻璃幕墻結構設計時，應充分利用主體結構的剛度和支承條件，這樣可以極大簡化玻璃幕墻結構的工程設計，并節(jié)約玻璃幕墻結構費用。 </p><p>　　2)自平衡索桁架結構具有剛性結構和柔性結構的雙重優(yōu)點，既可以承受壓力，又作為受壓構件，結構跨中截面又具有較好

24、的抗彎剛度，同時由于采用了拉索，結構自身又比較輕巧。 </p><p>　　3)對自平衡索桁架結構和魚腹式索桁架結構包括材料選用、結構設計、節(jié)點設計及構造、結構檢測、玻璃幕墻檢測和結構施工等工程應用的各個方面進行了詳細的討論，為今后這類工程結構的設計和施工提供了依據(jù)。 </p><p>　　經(jīng)過該建筑臺風的襲擊安然無恙。本工程豎向自平衡索桁架與水平索桁架組合設計、施工是點支式玻璃幕墻結構形