淺談索桁架在玻璃頂棚中的運(yùn)用

文/彭斯哲 中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 北京 100062

索桁架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且具備力度感，將其運(yùn)用在玻璃頂棚結(jié)構(gòu)中，能擴(kuò)展視線，在保證建筑整體質(zhì)量的基礎(chǔ)上，保障玻璃頂棚外觀美感，表明索桁架在玻璃頂棚施工中有著一定應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。因此，應(yīng)進(jìn)行索桁架結(jié)構(gòu)具體應(yīng)用的研究，以便達(dá)到預(yù)期施工效果。

1、索桁架工作原理

通常來(lái)講，索桁架結(jié)構(gòu)中包括豎索、斜索、短硬桿、長(zhǎng)硬桿及連接部件等部分，具有較強(qiáng)穩(wěn)定性。從平面內(nèi)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)，連接裝置的運(yùn)用，能將索和索、硬桿和索組成一個(gè)整體，由于索的平面剛度較小，通常認(rèn)為索只具有軸向剛度。從這一角度看，應(yīng)將索設(shè)計(jì)為二力桿，其他連接部位采取鉸接點(diǎn)的連接方式。觀察玻璃索桁架結(jié)構(gòu)，能發(fā)現(xiàn)都是由三角形構(gòu)成的，說(shuō)明索桁架的平面穩(wěn)定性較好。從平面外穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)，為了確保結(jié)構(gòu)可靠性，需要合理設(shè)置外側(cè)水平索及連接桁架的交叉索，是保證索桁架具有一定空間剛度的關(guān)鍵[1]。實(shí)際設(shè)計(jì)玻璃頂棚中的索桁架結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)確保連接部位連接可靠，能通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整，發(fā)揮索桁架應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。從結(jié)構(gòu)受力情況看，將索桁架看作是鋼結(jié)構(gòu)體系中的屋架，水平索主要是起連接作用的上下系桿，交叉索則可作為橫向支撐。

2、索桁架運(yùn)用在玻璃頂棚中的缺陷和應(yīng)對(duì)措施

對(duì)于普通性能的玻璃頂棚來(lái)講，玻璃構(gòu)件的熱阻性一般，在營(yíng)造舒適的室內(nèi)環(huán)境上存在不足。針對(duì)這一問(wèn)題，需要優(yōu)先選擇多銀LOW-E玻璃，旨在提高玻璃材料熱阻系數(shù)，提高玻璃索桁架結(jié)構(gòu)在提升建筑物性能上的應(yīng)用價(jià)值。另外，還可運(yùn)用采取玻璃幕墻和其他幕墻共同運(yùn)用的方式，降低窗墻比，同樣能達(dá)到優(yōu)化結(jié)構(gòu)應(yīng)用效能的效果。而在人口密度大的區(qū)域，運(yùn)用玻璃索桁架建筑結(jié)構(gòu)會(huì)帶來(lái)光污染。針對(duì)這一現(xiàn)象，應(yīng)盡可能降低玻璃反射率，選擇反射率較低的玻璃材料?；蛘呖蓪?shí)施鋁板、石材等幕墻組織的施工方式，旨在降低玻墻比，完善構(gòu)建建筑結(jié)構(gòu)體系。同時(shí)在玻璃頂棚施工中，還要考慮玻璃墜落的安全隱患，在這一問(wèn)題處理上，通常進(jìn)行玻璃材料的均質(zhì)處理，能降低它的自爆概率。并且要做好玻璃和索桁架連接部位的連接工作，確保玻璃受到的應(yīng)力能及時(shí)通過(guò)索桁架轉(zhuǎn)移，提高玻璃頂棚結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。也可采用光伏組件板代替一般玻璃，并帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益。

3、索桁架在玻璃頂棚中的應(yīng)用

當(dāng)玻璃材料通過(guò)鉸接頭和索桁架連接時(shí)，鉸接頭連接位置分別是玻璃的四個(gè)角點(diǎn)，將玻璃頂棚自重和外部負(fù)載轉(zhuǎn)移到索桁架上，并利用豎索（承重索）承受玻璃頂棚的豎向負(fù)載，具有保護(hù)玻璃材料完整性的作用。玻璃索桁架的斜索（穩(wěn)定索）不受外力作用時(shí)，處于穩(wěn)定均衡狀態(tài)，而受到地震或風(fēng)載等情況的影響時(shí)，斜索會(huì)發(fā)生變形，兩根斜索內(nèi)力不一致，產(chǎn)生的差值用來(lái)抵消節(jié)點(diǎn)水平負(fù)載。在明確索桁架在玻璃頂棚中的應(yīng)用功能后，應(yīng)具體分析玻璃頂棚中索桁架結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用，以便得到穩(wěn)定、可靠的玻璃索桁架構(gòu)造。

3.1 結(jié)構(gòu)介紹

為了充分發(fā)揮索桁架在玻璃頂棚中的應(yīng)用價(jià)值，應(yīng)結(jié)合施工實(shí)際進(jìn)行玻璃頂棚施工方案設(shè)計(jì)。通常來(lái)講，要保證整體結(jié)構(gòu)構(gòu)造科學(xué)設(shè)計(jì)。以某個(gè)玻璃頂棚工程施工為例，在主體結(jié)構(gòu)的平面方向分別設(shè)置兩道矩形桁架柱，將整個(gè)玻璃平面分成三段，并且桁架柱間安裝一道平面桁架，主要起到支撐作用，確保整體玻璃索桁架結(jié)構(gòu)具有較好的承載能力。考慮到頂棚結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，幕墻支撐結(jié)構(gòu)和屋蓋結(jié)構(gòu)往往是不連接的，避免玻璃構(gòu)件受外部影響而出現(xiàn)損壞。為了保證建筑體現(xiàn)出明快、輕盈和通透性的視覺(jué)效果，應(yīng)優(yōu)先選擇魚(yú)腹式索桁架結(jié)構(gòu)，是指以張拉索桿結(jié)構(gòu)為主，進(jìn)行整個(gè)頂棚結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)。從魚(yú)腹式索桁架應(yīng)用特征看，通常在其中設(shè)置兩道拉索和多個(gè)受壓短桿，確保預(yù)應(yīng)力和索桁架結(jié)構(gòu)的有機(jī)結(jié)合。另外，支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還應(yīng)均衡結(jié)構(gòu)承載力性能及外觀效果，采用質(zhì)量達(dá)標(biāo)的材料，保證最終得到的結(jié)構(gòu)體系具有較好的剛度和強(qiáng)度，在面對(duì)風(fēng)荷載和應(yīng)力作用時(shí)能保持結(jié)構(gòu)安全性，在玻璃頂棚結(jié)構(gòu)中要設(shè)置需要的支撐結(jié)構(gòu)，應(yīng)合理設(shè)定支撐構(gòu)件間距，以免由于跨度增加造成結(jié)構(gòu)剛度較差。為了解決結(jié)構(gòu)安全隱患問(wèn)題，可在頂端、中部及底部適當(dāng)增加矩形桁架，處理好索桁架間桿件的設(shè)計(jì)及連接，強(qiáng)化玻璃頂棚施工效果。

3.2 結(jié)構(gòu)選型

在玻璃索桁架結(jié)構(gòu)選型方面，可選擇以下幾種類型：一是豎向單索桁架。這一索桁架結(jié)構(gòu)施工簡(jiǎn)單且材料使用量相對(duì)要少。實(shí)際施工中，選用不銹鋼夾具來(lái)連接玻璃和索桁架，不需要擴(kuò)大孔洞，由此降低了施工難度。并且這一結(jié)構(gòu)外觀簡(jiǎn)潔，滿足建筑物外觀設(shè)計(jì)要求。二是豎向魚(yú)腹式索桁架結(jié)構(gòu)。該索桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和運(yùn)用，能促使水平荷載經(jīng)過(guò)玻璃面板到不銹鋼爪件，再次轉(zhuǎn)移到索桁架；豎向荷載轉(zhuǎn)移路徑為玻璃自重到承重再到鋼桁架。施工成本高且影響美觀。

3.3 節(jié)點(diǎn)裝配構(gòu)造

在玻璃索桁架結(jié)構(gòu)體系中的構(gòu)件連接位置，由于玻璃構(gòu)件具有脆性特點(diǎn)，在實(shí)際連接中，容易出現(xiàn)“硬碰硬”的外力轉(zhuǎn)移構(gòu)造，當(dāng)應(yīng)力集中時(shí)會(huì)影響結(jié)構(gòu)安全性，因此，需要加大對(duì)應(yīng)力集中的控制，確保構(gòu)造設(shè)計(jì)合理性。一般情況下，玻璃頂棚和索桁架連接，會(huì)進(jìn)行玻璃材料四角鉆孔，在孔內(nèi)安裝相應(yīng)的軸套。軸套和玻璃材料間的傳力主要通過(guò)玻璃和鋼片間粘結(jié)面完成的，當(dāng)荷載作用在玻璃片后，會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)移到粘結(jié)面，通過(guò)鋼銷軸、夾具、索傳到桁架支座。為了保證玻璃頂棚施工質(zhì)量，要嚴(yán)格控制構(gòu)件的制作和安裝，減少操作失誤引起的結(jié)構(gòu)問(wèn)題。當(dāng)利用螺栓連接時(shí)，由于玻璃孔壁不具有塑性變形性能，安裝中的誤差不能在節(jié)點(diǎn)傳力中消除，因此，不能采取螺栓連接方式進(jìn)行玻璃頂棚施工。目前，構(gòu)建玻璃頂棚索桁架結(jié)構(gòu)時(shí)，通常選擇加大節(jié)點(diǎn)夾具上螺栓孔洞尺寸，并采用膠泥鋼填補(bǔ)安裝間隙的連接方案，能減少施工誤差，確保構(gòu)件安裝精準(zhǔn)及有效。

3.4 玻璃頂棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從荷載工況角度出發(fā)來(lái)分析，考慮風(fēng)荷載問(wèn)題，豎向玻璃面向內(nèi)風(fēng)荷載為WIND-PO；豎向玻璃面向外風(fēng)荷載為WIND-NE，都會(huì)作用在玻璃構(gòu)件上。需要采用仿真建模計(jì)算分析，或結(jié)合當(dāng)?shù)叵鄳?yīng)的風(fēng)動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方向[2]。另外，索桁架結(jié)構(gòu)剛度應(yīng)通過(guò)預(yù)應(yīng)力加以保障，在荷載作用下，結(jié)構(gòu)剛度隨之變化，實(shí)際分析結(jié)構(gòu)承載力時(shí)，要施加初始應(yīng)變來(lái)逐步增加預(yù)應(yīng)力，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果科學(xué)設(shè)計(jì)索桁架制作及安裝方案。由于桁架結(jié)構(gòu)和拉索桁架間互相影響，因此要考慮兩者共同作用情況，結(jié)合工程實(shí)際建立結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，得出相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。一種是結(jié)構(gòu)應(yīng)力比，在不同荷載情況下，討論構(gòu)件預(yù)應(yīng)力情況，另一種是拉索應(yīng)力，應(yīng)結(jié)合拉索截面尺寸和面積等參數(shù)，以及結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，確定具體的應(yīng)力值。在計(jì)算拉索預(yù)拉力時(shí)，可采用逆向迭代的方法，假設(shè)一初始狀態(tài)（有自重或其它荷載工況），通過(guò)多次試算迭代，使該工況下的結(jié)構(gòu)位移量為零（或其它需要達(dá)到的狀態(tài)）。設(shè)計(jì)前需要對(duì)拉索的特性有一定了解。

3.5 索桁架應(yīng)用實(shí)例

為了詳細(xì)闡述玻璃頂棚中索桁架應(yīng)用特點(diǎn)，本文以荷蘭席阿夫速滑館屋蓋項(xiàng)目為例，結(jié)合工程施工實(shí)際探討玻璃索桁架結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用?？紤]到功能要求，速滑館屋蓋外觀上在平面布局上呈兩端半圓的結(jié)構(gòu)形態(tài)，中間以狹長(zhǎng)矩形為主，寬度為80-120m，長(zhǎng)度約為200m，是結(jié)構(gòu)構(gòu)造較獨(dú)特的建筑類型。在索桁架設(shè)計(jì)和安裝方面，速滑館玻璃頂棚結(jié)構(gòu)體系中應(yīng)用了索桁架，旨在分擔(dān)玻璃材料荷載，利用索桿支撐作用，形成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)框架。頂棚中段中設(shè)計(jì)多榀索桁架結(jié)構(gòu)，將其覆蓋在速滑館屋蓋矩形部分，并且兩端采用索桁架形成半球形，安裝在屋蓋兩端。在索桁架兩端設(shè)計(jì)上，采用了輻射結(jié)構(gòu)形式，硬桿輕巧且剛度高，在多個(gè)桿件有效安裝的情況下，得到性能較好的支撐結(jié)構(gòu)。另外，隨著光伏項(xiàng)目對(duì)建設(shè)用地要求的越來(lái)越限制，這就要求了結(jié)構(gòu)方案需要更加輕便，跨度更大，并且有效的控制成本，這就使得索桁架結(jié)構(gòu)在光伏項(xiàng)目中得以運(yùn)用。從施工實(shí)例來(lái)說(shuō)，索桁架在玻璃頂棚及光伏施工中體現(xiàn)出較好的發(fā)展前景，還應(yīng)結(jié)合施工操作經(jīng)驗(yàn)，不斷優(yōu)化索桁架施工技術(shù)，是提高工程項(xiàng)目實(shí)施質(zhì)量的重要途徑。

結(jié)論：

綜上所述，玻璃索桁架是建筑工程中獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式，將玻璃材料和鋼塑結(jié)合在一起，形成應(yīng)用性好的玻璃結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)玻璃結(jié)構(gòu)承載性能、藝術(shù)性相融合的目的，為玻璃頂棚工程良好發(fā)展提供了技術(shù)支持。為了發(fā)揮索桁架應(yīng)用價(jià)值，需要加大對(duì)玻璃頂棚中索桁架應(yīng)用的研究，結(jié)合工程實(shí)際，探索有效的施工手段，以便推動(dòng)建筑行業(yè)發(fā)展。