點(diǎn)支式玻璃幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

1、<p>　　點(diǎn)支式玻璃幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討</p><p>　　摘要：本文介紹了點(diǎn)支式玻璃幕墻簡(jiǎn)介，結(jié)合實(shí)際工程，對(duì)自平衡拉索桁架結(jié)構(gòu)和魚(yú)腹式索桁架結(jié)構(gòu)中支承結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)用展開(kāi)了具體的討論。 </p><p>　　關(guān)鍵詞: 點(diǎn)支式玻璃幕墻 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) </p><p>　　中圖分類(lèi)號(hào)：S611 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： </p><p&g

2、t;　　該工程由展廳和配套會(huì)議設(shè)施兩部分組合而成，總建筑面積達(dá)69000m2，幕墻面積達(dá)40000m2，整個(gè)建筑規(guī)模宏大，氣勢(shì)磅礴。在造型及選材方面，建筑師體現(xiàn)了超前意識(shí)，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(yùn)用使整個(gè)建筑風(fēng)格更加挺拔雄偉，折射出強(qiáng)烈的時(shí)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(diǎn)支式玻璃幕

3、墻簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)的布置特點(diǎn)，將玻璃幕墻結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)組成一個(gè)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(huì)議廳主體部分采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，柱距12m，均勻布置，在標(biāo)高14.150m和23.300m處各有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)梁一道。由于原主體結(jié)

4、構(gòu)較為簡(jiǎn)單，玻璃幕墻本身距離原主體結(jié)構(gòu)較遠(yuǎn)，高度達(dá)24m，并且有大型雨篷和采光頂，普通的拉索幕墻難以滿(mǎn)足要求。為實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)要求，本工程采用豎向自平衡拉索桁架結(jié)構(gòu)作為幕墻結(jié)構(gòu)主受力體系。自平衡索桁架結(jié)構(gòu)的底部與基礎(chǔ)鉸接，上部同從標(biāo)高23.300m鋼筋混凝土梁伸出的鋼梁連接。同時(shí)將1榀自平衡拉索桁架柱分為上下兩段，中間從標(biāo)高14.150m的鋼筋混凝土梁伸出的水平鋼管與結(jié)構(gòu)梁相連(見(jiàn)圖2)，這樣不僅充分利用了主體結(jié)構(gòu)，而且降低了自平衡索桁架

5、的計(jì)算跨度，有利于自平衡索桁架結(jié)構(gòu)受力。 </p><p><b>　　圖2自平衡索桁架 </b></p><p>　　該工程點(diǎn)支式玻璃幕墻部分南北方向長(zhǎng)136.3m，東西方向長(zhǎng)17.813m，結(jié)構(gòu)體系較為復(fù)雜，多處設(shè)計(jì)在國(guó)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(yú)腹式索桁架結(jié)構(gòu)，如圖3所示。豎向承重索間距2.0m，水平

6、魚(yú)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(yú)腹式索桁架 </p><p><b>　　2 材料的選用 </b></p><p>　　該工程結(jié)構(gòu)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(yán)格把關(guān)。 </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(yīng)用了現(xiàn)代先進(jìn)材料工藝的隔聲、隔熱、保溫、防結(jié)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(huì)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(duì)接式鋼管接頭，鋼管對(duì)接有襯管。鋼管表面進(jìn)行噴砂除銹，除繡等級(jí)為Sa2.5，表面粗糙度為Rz45～70 m，然后立即噴涂無(wú)機(jī)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) </b></p><p>　　3.1荷載和地震作用 </p><p>　　根據(jù)要求，取基本風(fēng)壓值： 0 =0.60kN／m2，地區(qū)粗糙度類(lèi)別：A類(lèi)，地震設(shè)防烈度:6度，工程設(shè)計(jì)使用年限:50年。 </p><p>　　3.2主要構(gòu)件計(jì)算方法 </p><

11、;p>　　1)玻璃 采用ANSYS計(jì)算系統(tǒng)，按四角支承板建模計(jì)算最大彎曲應(yīng)力。 </p><p>　　2)鋼桁架 采用ANSYS計(jì)算系統(tǒng)和SAP84系統(tǒng)對(duì)比計(jì)算，外荷載作為集中力施加于節(jié)點(diǎn)，建模計(jì)算最大應(yīng)力應(yīng)變。 </p><p>　　3)抓點(diǎn)結(jié)構(gòu)采用ANSYS計(jì)算系統(tǒng)建模，進(jìn)行有限單元分析和利用應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)測(cè)得數(shù)值對(duì)比。 </p><p>　　3.3 預(yù)應(yīng)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(guò)程中必須考慮合理的應(yīng)力值，才能保證在玻璃安裝后受自重荷載的作用下結(jié)構(gòu)變形在允許范圍內(nèi)。 </p><p>　　1)橫向受力索內(nèi)應(yīng)力值的設(shè)定主要考慮如下幾個(gè)方面：①結(jié)構(gòu)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(xiāo)釘、調(diào)整桿所允許承受應(yīng)力的范圍；④支撐結(jié)構(gòu)、邊界條件所允許承受的拉力范圍及在施工時(shí)的溫度等。

13、</p><p>　　2)通過(guò)ANSYS系統(tǒng)計(jì)算，為了保證索桁架在最不利荷載的情況下不會(huì)松弛，及保證桁架在最不利荷載的情況下不會(huì)松弛，及保證桁架位移控制在1/200以?xún)?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(shè)計(jì)機(jī)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(fēng)壓作用下有較大的活動(dòng)空間，大大減少了玻璃開(kāi)孔處的應(yīng)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(gòu)造節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) </p><p>　　駁接爪構(gòu)造尺寸為400mm×250mm，在設(shè)計(jì)上考慮了帶槽功能，與另一塊壓緊塊由2個(gè)螺栓連著預(yù)應(yīng)力拉索

15、一起鎖緊。再通過(guò)懸空連接桿和拉索作用傳遞到抗風(fēng)桁架上，抓點(diǎn)結(jié)構(gòu)與懸空連接桿連接節(jié)點(diǎn)如圖5所示。拉索穿過(guò)懸空桿水平節(jié)點(diǎn)、拉索穿過(guò)懸空桿豎向節(jié)點(diǎn)和平衡桁架底部節(jié)點(diǎn)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(guò)懸空桿水平節(jié)點(diǎn) </p><p>　　b拉索穿過(guò)懸空桿豎向節(jié)點(diǎn) c平衡桁架底部節(jié)點(diǎn) </p><p&

16、gt;<b>　　圖6曲型節(jié)點(diǎn)示意 </b></p><p>　　鋼結(jié)構(gòu)桁架的焊接時(shí)，鋼管相貫線焊縫分為3個(gè)區(qū)：趾部、側(cè)面區(qū)及跟部，如圖7所示。按現(xiàn)有設(shè)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(guò)渡剖口，跟部當(dāng)支管與主管夾角小于45°時(shí)，不能切割剖口。由于采用無(wú)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(guò)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(yīng)≥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(duì)接焊縫的質(zhì)量等級(jí)為二級(jí)。其余焊縫等級(jí)均為三級(jí)。本深化圖中注明為零問(wèn)隙的部分熔透焊縫均為三級(jí)。相貫線焊縫完成后由業(yè)主指定的第三方檢測(cè)單位抽查10％進(jìn)行超聲波探傷。檢查結(jié)果不作為考核依據(jù)，僅供設(shè)計(jì)方作為調(diào)整節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)參考。 </p><p>　　圖7鋼管相貫線焊縫 </p><p&g

18、t;<b>　　4 結(jié)構(gòu)試驗(yàn)檢測(cè) </b></p><p>　　根據(jù)工程拉索點(diǎn)支式玻璃幕墻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)形式，選取點(diǎn)支式玻璃幕墻正面索桁架單元，按1:1實(shí)體大小選定。該標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)單元共有9片玻璃，含2榀預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹式索桁架，每塊玻璃分格為2000ram×3000mm，與工程實(shí)際應(yīng)用相一致。滿(mǎn)足《建筑幕墻空氣滲透性能檢測(cè)方法》GB/T15226要求。試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備能反映預(yù)應(yīng)力拉索點(diǎn)支式玻璃

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

20、的包括：①考察玻璃幕墻空氣滲透性能能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求；②考察玻璃幕墻雨水滲透性能能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求；③考察玻璃幕墻預(yù)應(yīng)力、魚(yú)腹式索桁架風(fēng)壓變形性能能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求；④通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證自平衡拉索桁架點(diǎn)支式玻璃幕墻體系節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及施工過(guò)程中可能存在的問(wèn)題。 </p><p><b>　　4.2 試驗(yàn)過(guò)程 </b></p><p>　　首先對(duì)試件進(jìn)行氣密性能、水密性能檢測(cè)，然后進(jìn)行風(fēng)

21、壓變形檢測(cè)。風(fēng)壓變形檢測(cè)先按要求安裝好位移計(jì)，再按以下步驟進(jìn)行：①預(yù)備加壓以250Pa的壓力加荷5min，作為預(yù)備加壓，待泄壓平穩(wěn)后，記錄各測(cè)點(diǎn)的初始位移量；②變形測(cè)量先進(jìn)行正壓測(cè)量，后進(jìn)行負(fù)壓測(cè)量；③反復(fù)受荷檢測(cè) 以每級(jí)檢測(cè)壓力為波峰，波幅為1/2壓力值，進(jìn)行波動(dòng)檢測(cè)。 </p><p><b>　　4.3 試驗(yàn)結(jié)果 </b></p><p>　　試驗(yàn)中+1 854

22、Pa的風(fēng)壓下，拉索結(jié)構(gòu)的撓度為23.86mm，-1854Pa的風(fēng)壓下，拉索結(jié)構(gòu)的撓度為-22.91mm，試件無(wú)損壞情況。驗(yàn)證了在設(shè)計(jì)當(dāng)中參數(shù)取值及理論分析可靠，能真實(shí)反映自平衡拉索桁架點(diǎn)支式玻璃幕墻體系的設(shè)計(jì)可行。 </p><p><b>　　5 結(jié)語(yǔ) </b></p><p>　　本文對(duì)工程中的索支承玻璃幕墻方案進(jìn)行了詳細(xì)介紹，然后結(jié)合該工程，對(duì)其中采用的自平衡索

23、桁架結(jié)構(gòu)和魚(yú)腹式索桁架結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用展開(kāi)了具體的討論，涵蓋了這兩種結(jié)構(gòu)形式工程應(yīng)用的各個(gè)方面，得到的主要結(jié)論有： </p><p>　　1)玻璃幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分利用主體結(jié)構(gòu)的剛度和支承條件，這樣可以極大簡(jiǎn)化玻璃幕墻結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)，并節(jié)約玻璃幕墻結(jié)構(gòu)費(fèi)用。 </p><p>　　2)自平衡索桁架結(jié)構(gòu)具有剛性結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)的雙重優(yōu)點(diǎn)，既可以承受壓力，又作為受壓構(gòu)件，結(jié)構(gòu)跨中截面又具有較好

24、的抗彎剛度，同時(shí)由于采用了拉索，結(jié)構(gòu)自身又比較輕巧。 </p><p>　　3)對(duì)自平衡索桁架結(jié)構(gòu)和魚(yú)腹式索桁架結(jié)構(gòu)包括材料選用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及構(gòu)造、結(jié)構(gòu)檢測(cè)、玻璃幕墻檢測(cè)和結(jié)構(gòu)施工等工程應(yīng)用的各個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)的討論，為今后這類(lèi)工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工提供了依據(jù)。 </p><p>　　經(jīng)過(guò)該建筑臺(tái)風(fēng)的襲擊安然無(wú)恙。本工程豎向自平衡索桁架與水平索桁架組合設(shè)計(jì)、施工是點(diǎn)支式玻璃幕墻結(jié)構(gòu)形