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  摘要:本文主要介绍了在我国首次采用的五跨竖向连续受力拉索结构体系的预应力施加、控制和检测,以及曲面幕墙的空间定位、安装精度控制等。回顾深圳市少年宫弧形索结构玻璃幕墙在二十年前设计与施工时总结的经验,介绍了一种经过多年实际使用安全可靠的玻璃幕墙支承体系的索桁架形式,“鱼尾式索桁架”的工作状态及设计与安装。
  关键词:预应力索桁架 鱼尾式索桁架 预应力超张拉 配重检测。

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  提要:本文主要介绍了在我国首次采用的五跨竖向连续受力拉索(词条“拉索”由行业大百科提供)结构体系的预应力施加、控制和检测,以及曲面幕墙的空间定位、安装精度控制等。回顾深圳市少年宫弧形索结构玻璃幕墙在二十年前设计与施工时总结的经验,介绍了一种经过多年实际使用安全可靠的玻璃幕墙支承体系(词条“支承体系”由行业大百科提供)的索桁架形式,“鱼尾式索桁架”的工作状态及设计与安装。

  关键词:应力索桁架 鱼尾式索桁架 预应力超张拉 配重检测。

  1、引言

  在2020年10月份,我有机会去了一趟正在开放营运中的“深圳少年宫”。我被那里丰富多彩的活动和小朋友们井然有序的秩序所打动。我这个年龄的人对儿童有着一种特殊的亲切感,我对这栋玻璃建筑更有着深刻的印象。

  深圳少年宫位于深圳市福田中心区,建筑面积5.29万平方米,工程由少年山、科学山和水晶石大厅组成。水晶石大厅在整个建筑中部,外形为直径50m,高30m,的弧形玻璃幕墙。其主要支承结构是由φ18mm不锈钢铰线经预张拉形成的双层索系索桁架。这个项目建成于2001年11月并投入使用。

  随着空间索结构设计与施工技术的发展,许多新思想、新技术、新材料和新工艺被开发出来,并成功应用到建筑外围护的设计和建造上。从而使建筑幕墙、玻璃采光顶以及由建筑玻璃为载体的各种大型,有着强烈艺术感染力的造型体,在近年来获得飞速的发展。这些技术给建筑设计师们提供了有着很高现代技术含量的艺术表现手段。在建筑艺术的塑造上得到了广泛的应用。

  作为不断发展中的前沿建筑技术,索结构是一种较活跃的结构类型。工程师们充分发挥钢材抗拉性能好的特性,利用对钢索的各种布设形式来适应透明的玻璃幕墙的造型。这项技术我在二十年前就开始了相关技术的探索。

  点支承玻璃连接技术,因安全可靠的连接构造早已广泛应用于各类建筑之中。已从刚架、桁架、网架、玻璃肋刚性支承体系,发展到基于预应力张拉技术的柔性支承体系。柔性结构体系与点支式玻璃结合使用,将二者轻盈、通透的共性发挥到极致。使建筑内外空间自然和谐的融为一体。

  我站在水晶石大厅的中央,仰视着由不锈钢索组成的银色结构,支撑着弧形玻璃幕墙和采光顶。不时的想起在20年前我在设计和组织施工这个建筑时的场景深为感动。

  该建成于2001年的11月到今天已经已经等20年了但是无论是从建筑设计,结构造型,还是幕墙的节点形式,工作状态都表现的非常良好。一直都是深圳青少年重要的活动基地。

  我在现场,对我当年亲自重点测试监控的那几根不锈钢索进行了简单的测试,感到工作状态很好,安全度很高。当年在设计和施工过程的很多担心是有必要的迫使我们做了很多细致的工作。今天看来这些工作都是切实可行的。我还清楚的记得,为了保证这种索结构形式在每一支承段内力(词条“内力”由行业大百科提供)均衡。研究了很多方法。最后确定了,预应力超张拉的施工方案和配重检测法。为后来索结构玻璃幕墙在国内的广泛应用打下了基础。

  这个项目是我在国内最先探索使用了鱼尾式双层索系作为玻璃幕墙的支承结构。并总结了一整套设计与施工技术。我看着这块玻璃幕墙在经历了二十年的风雨考验后,仍有着良好的工作状态,真的很感骄傲和自豪。在回看我当年的设计和施工总结时,我觉得有必要将这个项目的一些关键技术再一次介绍出来。给今天的幕墙设计师们一点启发。

  2、预应力索结构的设计

  在二十年前对于这样的项目是没有任何资料可以借鉴的。当时建筑师给的是外立面效果图和钢结构布置图。幕墙的支承体系由我们自行设计。我利用了钢结构的环形梁,布置了双层索系索桁架,以此作为弧形玻璃幕墙的支承结构。

  在设计初期布置的是鱼腹式索桁架。但是感觉到失高有些大,这样会造成腹杆会很长,影响视觉效果。经过优化后,将索桁架的前后受力索在中部并拢,形成了一种全新的双层索系支承形式。我们经过对这种索系的1:1实体静力试验和测试确定了方案是可行。由于体型轻盈,造型美观得到了建筑师的高度赞扬。

  由于这样新颖的双层索桁架样式的两端索形像鱼的尾部,所以我们称之为“鱼尾式索桁架”,正好和“鱼腹式索桁架”相对应。深圳少年宫这个项目就是在国内采用“鱼尾式索桁架”支承的点支式玻璃幕墙的第一个项目。这个项目的建成也标志着索结构支承玻璃幕墙逐步走向成熟。

  2.1、预应力索桁架结构形状与布设

  水晶石大厅的圆柱形玻璃幕墙,是由多片曲面玻璃组成,这就要求每个支撑点有极高的尺寸精度,每片玻璃的形状和尺寸误差要控制在很小的范围内,施工中尺度精度能否达到设计要求是整个施工成败的关键。

  预应力悬索桁架属柔性结构,其支撑刚度是通过预应力的施工而形成的,在索桁架形状确定后,其支撑刚度的大小和每榀索桁架的刚度是否一致都取决于施加预应力值和预应力是否均衡。索桁架的空间定位和均衡施加预应力是保证玻璃安装精度和受力平衡的关键工序,是本工程的施工难点。

  2.1.1 、由于本工程为少年宫,是青少年的活动园地,在索桁架结构形状确定时考虑到结构的形体语言与建筑主题相适应,选用了具有蓬勃向上为内含的Y形多跨竖向连续受力拉索结构体系,这种结构形式在我国是首次被使用在幕墙结构上(如图2)。

  后受力索A-A'、前受力索B-B'、承重索B-B'都是整根连续索,通过悬空腹杆和固定撑杆上的连接夹块固定钢索形成索桁架结构形状,其中,A'和B'为固定端,A和B为调整端。

  2.2、预应力钢索的选用

  钢索直径的选定除考虑到能承受50年一遇的最大荷载和边缘结构对其影响;同时考虑到视觉感受及心理因素。在本工程的主受力索(前受力索和后受力索)和承重索都选用1×37,直径为φ18mm的不锈钢钢绞线(词条“钢绞线”由行业大百科提供)。其最小破断力为191 KN,弹性模量E=1.45×105N/mm2 ,悬空杆和撑杆及驳接系统均选用1Cr18Ni9奥氏体不锈钢件。玻璃采用深圳三鑫公司生产的2442mm×1988mm的拱高为30mm的10FT+2.28PVB(词条“PVB”由行业大百科提供)+10FT透明圆弧形曲面弯钢化夹胶玻璃,其透光率为76% 。(在这里说明一下:在当时中空玻璃(词条“中空玻璃”由行业大百科提供)还没有大面积的推广。为了实现建筑师的高通透,内外呼应的要求,我们选用了夹胶弯钢化玻璃作为水晶石大厅玻璃幕墙的主要材料。)

  2.3、索桁架预应力值的确定

  索桁架预应力值的设定和预应力平衡的施工方案决定着本工程的成败。水晶石大厅的索桁架支撑体系,是由90条φ18mm的竖向前后受力索、63条φ18mm的垂直承重索和756条φ10mm的水平稳定索组成.最大高度为27900mm。竖向前后受力索的预应力值设定考虑的因素有:受最大荷载作用时反向索内力大于零的应力、温度变化应力、保持索桁架刚度的应力(剩余张力)、保持索桁架刚度(50年)松驰应力。经SAP8450和ANSYS5.4电算软件作平面(词条“平面”由行业大百科提供)和空间整体计算确定:在合拢温度在20℃-25℃时,前后受力索预拉力P1=29KN,垂直承重索的预拉力值P2=33KN。(在这里说明一下:在二十年前能利用有限元软件进行受力分析和安全度的分析,已经是很高大上的了。是最前沿的技术)(见图)

  3、主要施工安装技术

  测量放线空间定位→尺寸精度控制单元的确定→连接耳板固定撑杆安装→前后受力索安装调整→承重索安装调整→索内力检测调整定位→水平索安装定位→驳接系统安装→玻璃安装→调整打胶收口→交验。

  这一整套安装顺序今天看来都是索结构玻璃幕墙安装的常规做法。而在当时确实经过了各种情况的分析和步骤推演才确定下来的。真正为后来在索结构玻璃幕墙施工安装工艺的编写提供了依据。

  3.1、空间尺寸定位

  由于本工程是曲面点驳接幕墙玻璃是靠边缘的四个孔通过驳接系统与索桁架连接,这就对预应力索桁架的安装尺寸精度有着极高的要求,按可调整度确定索桁架上的每个支撑定位点误差必须控制在±1.5mm以内,因此我们采用了三维空间坐标定位的方法。对每一个支撑点进行尺寸精度控制,同时设定尺寸控制单元和观测点,防止误差积累,对整体圆弧面进行几何尺寸控制(如图3)。每一个尺寸控制单元水平和竖向误差控制在±3mm以内,对角线误差控制在±5mm以内。

  3.2、施加预应力

  在每榀索桁架内,前受力索和后受力索的预应力值误差要控制在1.5KN以内。各榀索桁架中钢索预应力值误差控制在2.5KN以内。

  3.2.1、在国内首次创新采用了超张拉技术达到内力平衡

  在索杆布置的初期,我们是将每一个受力跨作为一段索进行分布的。这样就出现了在环形梁的上下都有固定节点。影响视觉效果。同时,在施加预应力时也会由于上下相邻的两跨之间内力不同,对于环形梁会产生一定的附加应力。会影响其稳定性。经过细致的模拟分析和试验,最终确定了采取一根通长的钢索,从下到上整体受力。在环形梁的节点处,采用可滑移的节点设计,使其每跨索结构的内应力保持一致。

  竖向受力索桁架是采用整条索通过固定支点形成的多榀桁架。在预拉力施加时只能在一端进行,当预拉力通过固定支点时,因磨擦阻力等因素造成的内力损失,经试验证明每通过一个固定支点其内力损失为10%左右,会出现内力不平衡的现象,为消除此现象,我们采用了超张拉的方法。

  在施加预应力时根据单根索所通过的固定支点的数量按损失的内力值来确定超张拉力。经12小时持荷后将超张拉值松驰到设定的预拉力值后达到内力平衡。

  3.2.2、预应力张拉步骤

  首先安装垂直承重索并将预应力值一次施加到位,然后安装受力索。前后受力索必须同时在一端张拉,分四步进行:①在索布设结束后先进行第一级张拉,按总预拉力值的20%控制拉力.②经调整达到内力基本平衡,空间定位基本到位后进行第二级张拉,按总预拉力值的80%控制拉力。当拉力到位后粗调悬空杆的位置并保持拉力48小时再进行定位尺寸调整。③当内力稳定后测量每榀桁架的内力损失情况,确定超张拉值进行超张拉,并持荷12小时。④当超张拉内力稳定后将内力放松至100%的预拉力控制值,经测量调整后使每一榀索桁架的内力均达到预张拉值后将节点固定锁紧并与垂直承重索连接锁紧(如图5)。

  3.3、索桁架检测

  经预张拉后的索桁架要按尺寸控制单元进行全面的尺寸精度检测确保安装节点的精度。索内预拉力值的检测使用索内力测定仪进行100%检测,并记录在案。同时进行跟踪测量。为确保在玻璃安装后的桁架变形量达到设计要求,必须采用配重检测的玻璃安装前进行。配重的重量按玻璃自重的1.2~1.3倍。观察支承结构系统的工作性能和抗变形能力。(这里提到的配重检测,也是后来为索结构玻璃幕墙安装工艺的确定提供的第一手资料。)

  3.4、曲面玻璃的质量控制与安装

  曲面玻璃的弯曲尺寸必须按模板进行弯钢化成型检查,与标准弧线吻合度±2.5mm,弦长尺寸公差为±2mm。水平孔位和竖向孔位的尺寸公差为±0.5mm。

  弯钢化玻璃必须进行100%的均质处理(引爆处理)降低钢化玻璃的自爆率,保证玻璃幕墙的使用安全性能。

  玻璃安装的原则是先上后下,先中部后边缘,采取边安装边调整的办法,待全部玻璃安装后进行整体调整,达到设计要求后进行打胶收口处理。

  4、 结束语

  近年来,由于建筑技术的发展和建筑形式的多样化、个性化处使各种新技术、新工艺、新材料在建筑外围护上得到广泛的应用。特别是作为不断发展中的前沿建筑结构技术索结构,是一种较活跃的结构类型。对于建筑师和幕墙工程师来说,索结构支承体系的外围护结构已经成为常见的形式。对于幕墙行业来说对此类幕墙的设计与施工技术也已日趋成熟。但是,新的支承结构体系还将不断出现。仍需要我们去总结新的技术。

  值得一提的是,由于当年对该项目的设计到施工各方面的探索,和总结。形成了一整套技术资料。为我在后来编写国家标准时,提供了第一手技术资料和数据。

  本文中所介绍的内容和设计方案都是我在当年方案设计和工程实践中的一点经验总结,如果能给建筑外围护体系设计的同仁们提供一些有益的启发也就深感欣慰了。

  参考文献

  [1] 《施工图、设计说明书》,深圳少年宫点支式弧形玻璃幕墙,2001.3

  [2] 《索结构技术规程》JGJ 257-2012,行业标准,2012.8

  [3] 王德勤,点支式弧形玻璃幕墙设计与施工技术,《2010年全国门窗幕墙行业论文集》,

作者单位:北京德宏幕墙工程技术科研中心

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专家介绍

 王德勤

铝门窗幕墙委员会专家组

工作单位:北京德宏工程技术科研中心

技术职称:教授级高工

专业:门窗幕墙标准编制、建筑玻璃与金属结构设计与研究

专长:大型金属屋面、双曲面索结构点支承玻璃幕墙的产品开发、节点设计、施工技术研究与应用。在国内是最早进行点支式玻璃幕墙研发、推广人之一。

原文地址:http://www.52mqw.com/info/2022-8-10/49179-1.htm
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