隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)建筑物的藝術(shù)審美要求越來(lái)越高，建筑物功能更日趨完善，玻璃幕墻作為建筑物的時(shí)裝，其類型和形式也不斷創(chuàng)新，單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)幕墻、單向拉索結(jié)構(gòu)幕墻、雙層呼吸式幕墻、光電幕墻等新型幕墻在工程上的應(yīng)用便是例證。其中尤以單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)幕墻、單向拉索結(jié)構(gòu)幕墻以其高通透性更受建筑師和業(yè)主的青睞，目前已逐步開(kāi)始在大型公共建筑、高檔寫(xiě)字樓中應(yīng)用，但是這兩類幕墻的技術(shù)含量和施工難度非常高。下文介紹單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)這種新型結(jié)構(gòu)幕墻在工程上的實(shí)例，供業(yè)主和建筑師選擇。

　　中關(guān)村文化商廈位于海淀區(qū)中關(guān)村圖書(shū)城，建筑主體結(jié)構(gòu)類型為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑幕墻主要采用雙層主動(dòng)內(nèi)循環(huán)和單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)兩種幕墻形式。與傳統(tǒng)鋁合金幕墻比較，雙層主動(dòng)內(nèi)循環(huán)幕墻具有節(jié)能效果明顯、能大幅度降低噪音、保持室內(nèi)空氣清新的優(yōu)勢(shì)，特別適合我國(guó)北方地區(qū)的氣候和環(huán)境使用，另有論文詳述，本文專注于單層索網(wǎng)幕墻。

　　圖1.中關(guān)村文化商廈單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)幕墻外視、內(nèi)視照片

　　如圖1所示，本工程單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)由橫向水平鋼索與豎向垂直鋼索垂直交叉組合形成承受外部荷載的幕墻支承結(jié)構(gòu)。豎向拉索跨度約70.0米，上端可靠連接在鋼結(jié)構(gòu)桁架梁上，下端連接在混凝土結(jié)構(gòu)梁上；橫向拉索的跨度為27米，左右兩端均連接在鋼結(jié)構(gòu)立柱上，鋼結(jié)構(gòu)立柱通過(guò)預(yù)埋件將結(jié)構(gòu)支座反力傳遞給勁性混凝土結(jié)構(gòu)立柱；連接拉索的轉(zhuǎn)換件均采用預(yù)埋形式。由于橫向拉索跨度比豎向拉索跨度大得多，所以橫向拉索是主受力構(gòu)件，豎向拉索是次受力構(gòu)件。

　　一、單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)幕墻的工作原理及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述
　　單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的工作原理是：通過(guò)給橫向拉索和豎向拉索各施加合適的預(yù)拉力，從而形成剛度以抵抗外部荷載。拉索預(yù)張拉成形后以及在外部荷載作用下，拉索對(duì)邊緣構(gòu)件或邊緣結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的拉力，因此邊緣構(gòu)件或邊緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先成為自平衡體系，如果不能成為自平衡體系，為抵抗拉索產(chǎn)生的拉力，邊緣構(gòu)件或邊緣結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)成具有相當(dāng)剛度的平面結(jié)構(gòu)，但通常需要付出較大的工程造價(jià)。由于單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)幕墻是一個(gè)“新生事物”，對(duì)單層索網(wǎng)拉索構(gòu)件變形的容許值尚沒(méi)有相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，借鑒國(guó)內(nèi)外類似工程和試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，因此單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)變形容許值按短跨的1/45或1/50進(jìn)行控制。本工程單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)在最不利荷載組合標(biāo)準(zhǔn)值作用下，變形容許值按短跨的1/50進(jìn)行控制。

　　幕墻自重一般由豎向拉索承受，而幕墻玻璃面板懸掛于拉索外側(cè)，為盡量減少自重對(duì)單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的次應(yīng)力，所以在構(gòu)造上豎向拉索盡量靠近玻璃面板。根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果，橫向拉索選用Φ34高強(qiáng)鋼絞線，規(guī)格為1×61，預(yù)拉力T=300KN，最不利荷載作用下內(nèi)力最大值Z=540KN；豎向拉索選用Φ24高強(qiáng)鋼絞線，規(guī)格為1×37，預(yù)拉力T=100KN，最不利荷載作用下內(nèi)力最大值Z=160KN。高強(qiáng)鋼絞線外表面處理采用galfan-coated，在整個(gè)施工過(guò)程中，必須采取有效措施保證拉索外表面必須無(wú)損傷、銹蝕、劃痕等缺陷。鋼絲破斷強(qiáng)度≥1670N/mm2，拉索材料滿足相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

圖2.中關(guān)村文化商廈單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)幕墻局部照片

　　二、單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)幕墻的玻璃板塊及拼接膠縫
　　幕墻玻璃板塊選用12+1.52PVB+12鋼化夾層玻璃，典型分格尺寸為1612mm×2250mm。由于單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下，其變形類似“平鍋底”形狀，越靠近邊緣構(gòu)件或邊緣結(jié)構(gòu)處，其變形曲線的切線斜率越大；越靠近幕墻幾何中心位置，變形曲線的切線斜率越小。因此，如圖所示，靠近邊緣構(gòu)件處的玻璃面板在風(fēng)荷載作用下，面板四個(gè)角點(diǎn)不在同一個(gè)平面內(nèi)，產(chǎn)生“翹曲”效應(yīng)，因此對(duì)于邊部構(gòu)件處的玻璃強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)實(shí)際變形情況進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，同時(shí)應(yīng)采取構(gòu)造措施使玻璃變形及應(yīng)力得到釋放，而不致擠壓破壞。

　　玻璃板塊橫、豎向拼接膠縫采用硅酮密封膠，由于單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)幕墻是以較大變形來(lái)抵御反復(fù)正、負(fù)風(fēng)壓作用，因此選用合適的硅酮密封膠種類和寬度對(duì)于其水密性能、氣密性能是非常重要的，選用不當(dāng)就會(huì)導(dǎo)致膠縫被撕裂或者玻璃被擠壓。建議采用超高性能硅酮密封膠，其允許變位承受能力根據(jù)試驗(yàn)可以達(dá)到±50%，膠縫寬度一般來(lái)說(shuō)為12mm-16mm。如果采用普通硅酮密封膠，其允許變位承受能力根據(jù)試驗(yàn)只能達(dá)到±25%，因此膠縫寬度一般來(lái)說(shuō)需要16mm-20mm。膠縫寬度太窄，玻璃板塊可能會(huì)被擠壓；膠縫寬度太寬，則幕墻建筑外觀效果不好。對(duì)于單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)幕墻，拼接膠縫寬度可以按照J(rèn)GJ102玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范的公式計(jì)算，但不宜小于按公式計(jì)算出來(lái)的值。


　　三、單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)幕墻不銹鋼夾具設(shè)計(jì)
　　不銹鋼連接夾具設(shè)計(jì)：如圖所示，幕墻玻璃面板固定在不銹鋼夾具組裝件中，夾具通過(guò)連接螺栓固定在橫向拉索、豎向拉索的交叉點(diǎn)上。玻璃與不銹鋼夾具之間采用硬質(zhì)橡膠墊圈及橡膠墊片過(guò)渡連接，縫隙采用硅酮密封膠柔性連接，這樣幕墻玻璃面板在發(fā)生扭曲變形時(shí)不至于發(fā)生碰撞破壞。為方便幕墻玻璃面板的維修更換，不銹鋼玻璃夾具件采用可以拆卸的零件組裝方式。

　　圖3.不銹鋼夾具照片

　　不銹鋼夾具在豎向玻璃自重作用下的承載能力計(jì)算
　　玻璃面板板塊自重+不銹鋼夾具自重設(shè)計(jì)值:

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

　　t——玻璃面板的總厚度，單位：m；

　　a——玻璃面板短邊邊長(zhǎng)，單位：m；

　　b——玻璃面板長(zhǎng)邊邊長(zhǎng)，單位：m。

　　玻璃板塊與不銹鋼夾具的自重是通過(guò)夾具與豎向拉索之間的摩擦荷載支承的，不考慮橫向拉索的支承作用。夾具與拉索之間的預(yù)緊采用普通螺栓,4.8級(jí),C級(jí)。


　　普通螺栓的預(yù)緊力：

　　P0=Kn.Q/z.m.u
　　式中：P0——普通螺栓的預(yù)緊力；

　　Kn——可靠性系數(shù),取1.1；

　　M——摩擦面數(shù)量,取m=1；

　　Z——螺栓的數(shù)量；

　　u——連接摩擦副的摩擦因數(shù)，取0.30。

　　負(fù)風(fēng)壓作用下不銹鋼夾具連接螺栓的承載能力計(jì)算：

　　單塊玻璃板塊承受的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值：

　　F=1.4×WK×a×b=5.74 KN
　　式中：F——單塊玻璃板塊承受的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值，單位：KN；

　　WK——負(fù)風(fēng)壓最大標(biāo)準(zhǔn)值，單位：KN/m2；

　　a——玻璃面板短邊邊長(zhǎng)，單位：m；

　　b——玻璃面板長(zhǎng)邊邊長(zhǎng)，單位：m。

　　玻璃板塊承載的負(fù)風(fēng)壓分別通過(guò)不銹鋼夾具壓塊與拉索之間的連接螺栓傳遞，螺栓等級(jí)為4.8級(jí)，C級(jí)。

　　普通螺栓的抗拉承載力設(shè)計(jì)值:

　　Ntb=π.de2.ftb/4

　　四、單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)幕墻入口門框設(shè)計(jì)
　　根據(jù)建筑師的設(shè)計(jì)構(gòu)思以及單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)幕墻的大變形受力特征，本工程入口門廳的鋼結(jié)構(gòu)是可以垂直于幕墻玻璃平面運(yùn)動(dòng)的，也就是說(shuō)，入口門框鋼結(jié)構(gòu)立柱底端采用平面鉸接，這樣就可以保證與單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變形相協(xié)調(diào)，避免在風(fēng)荷載作用下門框鋼結(jié)構(gòu)變形過(guò)于“生硬”的影響。地彈簧玻璃與旋轉(zhuǎn)門與門套結(jié)構(gòu)連接，門套固結(jié)于地面，門套結(jié)構(gòu)與門框鋼結(jié)構(gòu)可以相互錯(cuò)動(dòng)。

圖4 門框頂部轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)　　　　 圖5 門套與門框結(jié)構(gòu)可以相互錯(cuò)動(dòng)

　　五、單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)幕墻三性試驗(yàn)
　　本工程單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)幕墻橫向、豎向跨度都比較大，同時(shí)此類幕墻屬于新型結(jié)構(gòu)幕墻，在幕墻性能檢測(cè)上目前屬于空白地帶，進(jìn)行性能檢測(cè)十分必要，而目前國(guó)內(nèi)三性試驗(yàn)的試驗(yàn)平臺(tái)最大尺寸不能滿足比例為1：1的三性試驗(yàn)要求。為解決上述的問(wèn)題，在本工程的三性試驗(yàn)時(shí)我們采取了如下方案：

　　根據(jù)現(xiàn)有試驗(yàn)平臺(tái)的尺寸，選取寬高尺寸為6500mm×10590mm的試驗(yàn)單元，寬度方向布置三根豎向拉索，高度方向布置四根橫向拉索，包含4×5=20個(gè)玻璃板塊，玻璃板塊尺寸為足尺且包含各種典型分格尺寸及周邊支承條件。

　　圖6 三項(xiàng)性能檢測(cè) 　　　　　圖7 用位移計(jì)測(cè)量夾具索變形量

　　由于試驗(yàn)單元橫向拉索、豎向拉索跨度相比較于實(shí)際工程減少，因此拉索規(guī)格也應(yīng)相應(yīng)減少，方能吻合索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變形和性能的實(shí)際情況。根據(jù)索網(wǎng)變形按短跨跨度的1/50控制，橫向、豎向拉索的預(yù)拉力及內(nèi)力分配與實(shí)際結(jié)構(gòu)相協(xié)調(diào)這兩個(gè)原則出發(fā)，分析比較結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果，橫向拉索選用Φ18高強(qiáng)鋼絞線，規(guī)格為1×37；豎向拉索選用Φ12高強(qiáng)鋼絞線，規(guī)格為1×19。實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果表明，縮小版的試驗(yàn)單元風(fēng)壓變形達(dá)到IV級(jí)，水密性能為II級(jí)，氣密性能為II級(jí)，因此單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的性能滿足設(shè)計(jì)要求。

　　圖8用位移計(jì)測(cè)量中部玻璃與索變形量 　　　　　圖9用位移計(jì)測(cè)量邊部索變形量

　　六、單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)幕墻拉索張拉及施工
　　拉索的張拉及成型是關(guān)系到單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)幕墻質(zhì)量的關(guān)鍵因素，因此根據(jù)工程實(shí)際情況制定合理的施工工藝和施工順序意義非常重要。本節(jié)僅為單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)幕墻施工工藝及施工順序的概要說(shuō)明和原則問(wèn)題，僅供參考，實(shí)際工藝和順序應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況制定更詳細(xì)的施工組織設(shè)計(jì)并遵照?qǐng)?zhí)行。本工程拉索結(jié)構(gòu)張拉施工工藝和施工順序如下：

　　a.在建筑主體結(jié)構(gòu)施工的同時(shí)埋設(shè)支撐索網(wǎng)幕墻鋼結(jié)構(gòu)以及索結(jié)構(gòu)錨固端和幕墻收口等需要的預(yù)埋件；

　　b.待主體結(jié)構(gòu)施工和其他相關(guān)分項(xiàng)工程施工完畢后，搭設(shè)中庭立面柔索結(jié)構(gòu)玻璃幕墻臨時(shí)設(shè)施支撐拉索，使之在重力荷載作用下不下垂，同時(shí)還須采取措施保證拉索與臨時(shí)支撐裝置的潤(rùn)滑；

　　c.安裝橫向和豎向拉索以及索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的錨固裝置以及門框結(jié)構(gòu)，并調(diào)整至設(shè)計(jì)位置；

　　d.安裝豎向拉索以及橫向拉索與豎向拉索之間的不銹鋼夾具，注意夾具并不具備夾力；適當(dāng)張拉豎向鋼索，并將夾具調(diào)整至設(shè)計(jì)位置；

　　e.安裝橫向拉索,同時(shí)設(shè)置臨時(shí)支撐使橫向鋼索在自重作用下的變形降至最小,適當(dāng)張拉橫向拉索；

　　f.在給索網(wǎng)結(jié)構(gòu)橫向拉索和豎向拉索施加預(yù)應(yīng)力的過(guò)程中，都會(huì)引起橫向拉索和豎向拉索的預(yù)應(yīng)力變化，因此需要需要逐步張拉和調(diào)整并對(duì)整個(gè)張拉過(guò)程保持監(jiān)測(cè)，保證整個(gè)索網(wǎng)結(jié)構(gòu)成型并且不超過(guò)拉索的承載能力；

　　圖10 對(duì)豎向索進(jìn)行預(yù)張拉 　　　　　　　圖11 對(duì)橫向索進(jìn)行預(yù)張拉

　　g.在橫向拉索與豎向拉索交叉處安裝標(biāo)夾具，使之形成單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，連接夾具并不具備夾力；

　　h.在單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)上設(shè)置控制點(diǎn)以作為索網(wǎng)張拉過(guò)程中的監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)；

　　j.選取合理的張拉順序逐步對(duì)稱張拉豎向鋼索，在張拉過(guò)程中，豎向鋼索控制點(diǎn)和夾具向鋼索張拉端移動(dòng)，觀測(cè)控制點(diǎn)直至跟設(shè)計(jì)位置吻合；

　　k.選取合理的張拉順序逐步對(duì)稱張拉橫向鋼索，在張拉過(guò)程中，橫向鋼索控制點(diǎn)和夾具向鋼索張拉端移動(dòng)，觀測(cè)控制點(diǎn)直至跟設(shè)計(jì)位置吻合；

　　l.當(dāng)索網(wǎng)預(yù)張力達(dá)到設(shè)計(jì)狀態(tài)時(shí)，確保控制點(diǎn)和夾具在設(shè)計(jì)位置上。反之則進(jìn)行必要的調(diào)整；

　　m.再過(guò)適當(dāng)時(shí)間后，重新檢測(cè)拉索預(yù)拉力，測(cè)量單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的夾具和控制點(diǎn)是否在設(shè)計(jì)位置上。如果不在，則必須進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整索網(wǎng)結(jié)構(gòu)直至夾具和索網(wǎng)控制點(diǎn)恢復(fù)到設(shè)計(jì)位置，注意索網(wǎng)控制點(diǎn)的設(shè)計(jì)位置應(yīng)考慮幕墻玻璃自重對(duì)索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變形影響；

　　n.擰緊所有夾具的螺絲直至夾具達(dá)到最佳受力狀態(tài)。

　　p.從上到下按合理順序安裝索網(wǎng)幕墻上的玻璃，當(dāng)幕墻玻璃安裝完畢后在玻璃的自重作用下，索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的夾具和控制點(diǎn)達(dá)到施工圖中理想的幾何位置。


　　參考文獻(xiàn)
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