【施工设计】中关村文化商厦单层索网结构幕墙

　　随着国民经济和科学技术的迅速发展，人们对建筑物的艺术审美要求越来越高，建筑物功能更日趋完善，玻璃幕墙作为建筑物的时装，其类型和形式也不断创新，单层索网结构幕墙、单向拉索结构幕墙、双层呼吸式幕墙、光电幕墙等新型幕墙在工程上的应用便是例证。其中尤以单层索网结构幕墙、单向拉索结构幕墙以其高通透性更受建筑师和业主的青睐，目前已逐步开始在大型公共建筑、高档写字楼中应用，但是这两类幕墙的技术含量和施工难度非常高。下文介绍单层索网结构这种新型结构幕墙在工程上的实例，供业主和建筑师选择。

　　中关村文化商厦位于海淀区中关村图书城，建筑主体结构类型为框架剪力墙结构，建筑幕墙主要采用双层主动内循环和单层索网结构两种幕墙形式。与传统铝合金幕墙比较，双层主动内循环幕墙具有节能效果明显、能大幅度降低噪音、保持室内空气清新的优势，特别适合我国北方地区的气候和环境使用，另有论文详述，本文专注于单层索网幕墙。

　　图1.中关村文化商厦单层索网结构幕墙外视、内视照片

　　如图1所示，本工程单层索网幕墙结构由横向水平钢索与竖向垂直钢索垂直交叉组合形成承受外部荷载的幕墙支承结构。竖向拉索跨度约70.0米，上端可靠连接在钢结构桁架梁上，下端连接在混凝土结构梁上；横向拉索的跨度为27米，左右两端均连接在钢结构立柱上，钢结构立柱通过预埋件将结构支座反力传递给劲性混凝土结构立柱；连接拉索的转换件均采用预埋形式。由于横向拉索跨度比竖向拉索跨度大得多，所以横向拉索是主受力构件，竖向拉索是次受力构件。

　　一、单层索网结构幕墙的工作原理及结构简述
　　单层索网结构的工作原理是：通过给横向拉索和竖向拉索各施加合适的预拉力，从而形成刚度以抵抗外部荷载。拉索预张拉成形后以及在外部荷载作用下，拉索对边缘构件或边缘结构产生较大的拉力，因此边缘构件或边缘结构设计时应优先成为自平衡体系，如果不能成为自平衡体系，为抵抗拉索产生的拉力，边缘构件或边缘结构应设计成具有相当刚度的平面结构，但通常需要付出较大的工程造价。由于单层索网结构幕墙是一个“新生事物”，对单层索网拉索构件变形的容许值尚没有相应国家标准和规范，借鉴国内外类似工程和试验经验，因此单层索网结构变形容许值按短跨的1/45或1/50进行控制。本工程单层索网结构在最不利荷载组合标准值作用下，变形容许值按短跨的1/50进行控制。

　　幕墙自重一般由竖向拉索承受，而幕墙玻璃面板悬挂于拉索外侧，为尽量减少自重对单层索网结构产生的次应力，所以在构造上竖向拉索尽量靠近玻璃面板。根据结构计算结果，横向拉索选用Φ34高强钢绞线，规格为1×61，预拉力T=300KN，最不利荷载作用下内力最大值Z=540KN；竖向拉索选用Φ24高强钢绞线，规格为1×37，预拉力T=100KN，最不利荷载作用下内力最大值Z=160KN。高强钢绞线外表面处理采用galfan-coated，在整个施工过程中，必须采取有效措施保证拉索外表面必须无损伤、锈蚀、划痕等缺陷。钢丝破断强度≥1670N/mm2，拉索材料满足相应国家标准。

图2.中关村文化商厦单层索网结构幕墙局部照片

　　二、单层索网结构幕墙的玻璃板块及拼接胶缝
　　幕墙玻璃板块选用12+1.52PVB+12钢化夹层玻璃，典型分格尺寸为1612mm×2250mm。由于单层索网结构在风荷载作用下，其变形类似“平锅底”形状，越靠近边缘构件或边缘结构处，其变形曲线的切线斜率越大；越靠近幕墙几何中心位置，变形曲线的切线斜率越小。因此，如图所示，靠近边缘构件处的玻璃面板在风荷载作用下，面板四个角点不在同一个平面内，产生“翘曲”效应，因此对于边部构件处的玻璃强度应根据实际变形情况进行强度计算，同时应采取构造措施使玻璃变形及应力得到释放，而不致挤压破坏。

　　玻璃板块横、竖向拼接胶缝采用硅酮密封胶，由于单层索网结构幕墙是以较大变形来抵御反复正、负风压作用，因此选用合适的硅酮密封胶种类和宽度对于其水密性能、气密性能是非常重要的，选用不当就会导致胶缝被撕裂或者玻璃被挤压。建议采用超高性能硅酮密封胶，其允许变位承受能力根据试验可以达到±50%，胶缝宽度一般来说为12mm-16mm。如果采用普通硅酮密封胶，其允许变位承受能力根据试验只能达到±25%，因此胶缝宽度一般来说需要16mm-20mm。胶缝宽度太窄，玻璃板块可能会被挤压；胶缝宽度太宽，则幕墙建筑外观效果不好。对于单层索网结构幕墙，拼接胶缝宽度可以按照JGJ102玻璃幕墙工程技术规范的公式计算，但不宜小于按公式计算出来的值。


　　三、单层索网结构幕墙不锈钢夹具设计
　　不锈钢连接夹具设计：如图所示，幕墙玻璃面板固定在不锈钢夹具组装件中，夹具通过连接螺栓固定在横向拉索、竖向拉索的交叉点上。玻璃与不锈钢夹具之间采用硬质橡胶垫圈及橡胶垫片过渡连接，缝隙采用硅酮密封胶柔性连接，这样幕墙玻璃面板在发生扭曲变形时不至于发生碰撞破坏。为方便幕墙玻璃面板的维修更换，不锈钢玻璃夹具件采用可以拆卸的零件组装方式。

　　图3.不锈钢夹具照片

　　不锈钢夹具在竖向玻璃自重作用下的承载能力计算
　　玻璃面板板块自重+不锈钢夹具自重设计值:

　　Q=（γg×t+0.1）×a×b×1.2
　　式中：γg——玻璃的重力密度，单位：KN/m3，取25.6 KN/m3；

　　t——玻璃面板的总厚度，单位：m；

　　a——玻璃面板短边边长，单位：m；

　　b——玻璃面板长边边长，单位：m。

　　玻璃板块与不锈钢夹具的自重是通过夹具与竖向拉索之间的摩擦荷载支承的，不考虑横向拉索的支承作用。夹具与拉索之间的预紧采用普通螺栓,4.8级,C级。


　　普通螺栓的预紧力：

　　P0=Kn.Q/z.m.u
　　式中：P0——普通螺栓的预紧力；

　　Kn——可靠性系数,取1.1；

　　M——摩擦面数量,取m=1；

　　Z——螺栓的数量；

　　u——连接摩擦副的摩擦因数，取0.30。

　　负风压作用下不锈钢夹具连接螺栓的承载能力计算：

　　单块玻璃板块承受的风荷载设计值：

　　F=1.4×WK×a×b=5.74 KN
　　式中：F——单块玻璃板块承受的风荷载设计值，单位：KN；

　　WK——负风压最大标准值，单位：KN/m2；

　　a——玻璃面板短边边长，单位：m；

　　b——玻璃面板长边边长，单位：m。

　　玻璃板块承载的负风压分别通过不锈钢夹具压块与拉索之间的连接螺栓传递，螺栓等级为4.8级，C级。

　　普通螺栓的抗拉承载力设计值:

　　Ntb=π.de2.ftb/4

　　四、单层索网结构幕墙入口门框设计
　　根据建筑师的设计构思以及单层索网结构幕墙的大变形受力特征，本工程入口门厅的钢结构是可以垂直于幕墙玻璃平面运动的，也就是说，入口门框钢结构立柱底端采用平面铰接，这样就可以保证与单层索网结构的变形相协调，避免在风荷载作用下门框钢结构变形过于“生硬”的影响。地弹簧玻璃与旋转门与门套结构连接，门套固结于地面，门套结构与门框钢结构可以相互错动。

图4 门框顶部转角结构　　　　 图5 门套与门框结构可以相互错动

　　五、单层索网结构幕墙三性试验
　　本工程单层索网结构幕墙横向、竖向跨度都比较大，同时此类幕墙属于新型结构幕墙，在幕墙性能检测上目前属于空白地带，进行性能检测十分必要，而目前国内三性试验的试验平台最大尺寸不能满足比例为1：1的三性试验要求。为解决上述的问题，在本工程的三性试验时我们采取了如下方案：

　　根据现有试验平台的尺寸，选取宽高尺寸为6500mm×10590mm的试验单元，宽度方向布置三根竖向拉索，高度方向布置四根横向拉索，包含4×5=20个玻璃板块，玻璃板块尺寸为足尺且包含各种典型分格尺寸及周边支承条件。

　　图6 三项性能检测 　　　　　图7 用位移计测量夹具索变形量

　　由于试验单元横向拉索、竖向拉索跨度相比较于实际工程减少，因此拉索规格也应相应减少，方能吻合索网结构的变形和性能的实际情况。根据索网变形按短跨跨度的1/50控制，横向、竖向拉索的预拉力及内力分配与实际结构相协调这两个原则出发，分析比较结构计算结果，横向拉索选用Φ18高强钢绞线，规格为1×37；竖向拉索选用Φ12高强钢绞线，规格为1×19。实际试验结果表明，缩小版的试验单元风压变形达到IV级，水密性能为II级，气密性能为II级，因此单层索网结构的性能满足设计要求。

　　图8用位移计测量中部玻璃与索变形量 　　　　　图9用位移计测量边部索变形量

　　六、单层索网结构幕墙拉索张拉及施工
　　拉索的张拉及成型是关系到单层索网结构幕墙质量的关键因素，因此根据工程实际情况制定合理的施工工艺和施工顺序意义非常重要。本节仅为单层索网结构幕墙施工工艺及施工顺序的概要说明和原则问题，仅供参考，实际工艺和顺序应根据工程实际情况制定更详细的施工组织设计并遵照执行。本工程拉索结构张拉施工工艺和施工顺序如下：

　　a.在建筑主体结构施工的同时埋设支撑索网幕墙钢结构以及索结构锚固端和幕墙收口等需要的预埋件；

　　b.待主体结构施工和其他相关分项工程施工完毕后，搭设中庭立面柔索结构玻璃幕墙临时设施支撑拉索，使之在重力荷载作用下不下垂，同时还须采取措施保证拉索与临时支撑装置的润滑；

　　c.安装横向和竖向拉索以及索网结构的锚固装置以及门框结构，并调整至设计位置；

　　d.安装竖向拉索以及横向拉索与竖向拉索之间的不锈钢夹具，注意夹具并不具备夹力；适当张拉竖向钢索，并将夹具调整至设计位置；

　　e.安装横向拉索,同时设置临时支撑使横向钢索在自重作用下的变形降至最小,适当张拉横向拉索；

　　f.在给索网结构横向拉索和竖向拉索施加预应力的过程中，都会引起横向拉索和竖向拉索的预应力变化，因此需要需要逐步张拉和调整并对整个张拉过程保持监测，保证整个索网结构成型并且不超过拉索的承载能力；

　　图10 对竖向索进行预张拉 　　　　　　　图11 对横向索进行预张拉

　　g.在横向拉索与竖向拉索交叉处安装标夹具，使之形成单层索网结构，连接夹具并不具备夹力；

　　h.在单层索网结构上设置控制点以作为索网张拉过程中的监测控制点；

　　j.选取合理的张拉顺序逐步对称张拉竖向钢索，在张拉过程中，竖向钢索控制点和夹具向钢索张拉端移动，观测控制点直至跟设计位置吻合；

　　k.选取合理的张拉顺序逐步对称张拉横向钢索，在张拉过程中，横向钢索控制点和夹具向钢索张拉端移动，观测控制点直至跟设计位置吻合；

　　l.当索网预张力达到设计状态时，确保控制点和夹具在设计位置上。反之则进行必要的调整；

　　m.再过适当时间后，重新检测拉索预拉力，测量单层索网结构的夹具和控制点是否在设计位置上。如果不在，则必须进行适当调整索网结构直至夹具和索网控制点恢复到设计位置，注意索网控制点的设计位置应考虑幕墙玻璃自重对索网结构的变形影响；

　　n.拧紧所有夹具的螺丝直至夹具达到最佳受力状态。

　　p.从上到下按合理顺序安装索网幕墙上的玻璃，当幕墙玻璃安装完毕后在玻璃的自重作用下，索网结构的夹具和控制点达到施工图中理想的几何位置。


　　参考文献
　　1.《悬索结构设计》 沈士钊 徐崇宝 赵臣 著 中国建筑工业出版社
　　2.《张力结构的分析。设计。施工》 钱若君 杨联萍 著 东南大学出版社
　　3.《单层悬索结构在建筑幕墙中的应用》王德勤
　　4.《索结构玻璃幕墙用钢索桁架的设计与质量控制》王德勤