單層索網(wǎng)幕墻結構在高層建筑中的設計與施工

仲維民

摘 要：就目前來看，單層索網(wǎng)幕墻結構已被廣泛應用在高層建筑中，對切實提升建筑幕墻剛度、控制施工成本具有重要意義。由于單層索網(wǎng)幕墻結構需要通過施加預應力的方式獲得各項力學性能，因此具有設計及施工難度高等特征。本文就基于此，以單層索網(wǎng)幕墻結構形式為切入點，分析單層索網(wǎng)幕墻結構設計與施工關鍵環(huán)節(jié)，確保單層索網(wǎng)幕墻結構能夠在推進建筑高層化發(fā)展中發(fā)揮出重要作用。

關鍵詞：單層索網(wǎng)幕墻結構;高層建筑;設計;施工

前言：單層索網(wǎng)幕墻結構具有構件纖細、視覺效果好等優(yōu)勢，現(xiàn)已被廣泛應用在高層建筑施工中。單層索網(wǎng)幕墻結構主要為柔性鋼索，通過施加預應力達到一定強度與剛度。由于單層索網(wǎng)幕墻結構內部復雜，因此需緊抓單層索網(wǎng)幕墻設計與施工環(huán)節(jié)，分析可能影響到單層索網(wǎng)幕墻結構力學性能的各類不穩(wěn)定因素，制定出更加可行的單層索網(wǎng)幕墻結構設計與施工方案。

一、概述單層索網(wǎng)幕墻結構形式

從鋼索分布角度分析，單層索網(wǎng)幕墻結構可分為單向與雙向單層索網(wǎng)幕墻兩種形式。其中，單向單層索網(wǎng)幕墻結構主要采用縱向膽鎖為支撐，使玻璃與鋼索形成穩(wěn)定結構;雙向單層索網(wǎng)幕墻結構主要就是鋼索通過兩個方向連接，相互支撐，形成穩(wěn)定結構。

從外立面形式角度分析，單層索網(wǎng)幕墻結構可分為平面單層索網(wǎng)幕墻與非平面單層索網(wǎng)幕墻兩種形式。

從邊界條件角度分析，單層索網(wǎng)幕墻結構也可分為整體式單層索網(wǎng)幕墻結構與附著式單層索網(wǎng)幕墻結構[1];整體式單層索網(wǎng)幕墻結構主要就是將鋼索與主體結構直接連接在一起，主體結構承擔起拉索的重要職責。附著式單層索網(wǎng)幕墻結構的鋼索與主體結構不連接，主體構建不會承受拉鎖作用，依靠單層索網(wǎng)幕墻結構自身形成平衡體系。

二、單層索網(wǎng)幕墻結構設計

（一）單層索網(wǎng)幕墻結構的參數(shù)計算

單層索網(wǎng)幕墻結構在未施加預應力時，平面無抗彎剛度，不可承受水平何在。在施加預應力后，受到預應力剛化與幾何非線性特征影響，單層索網(wǎng)幕墻結構鋼度隨之發(fā)生改變[2]。單層索網(wǎng)幕墻幾何非線性應力剛化，結構內部產(chǎn)生位移與應變現(xiàn)象，因此在單層索網(wǎng)幕墻結構的參數(shù)計算中，應對應力剛化位移與應變數(shù)值精密計算。

在單層索網(wǎng)幕墻結構內應力狀態(tài)影響下，內部應力與橫向剛度將會發(fā)生耦合效應。同時，受到應力剛化的影響，單層索網(wǎng)幕墻結構平面內外抗拉剛度數(shù)值增大，因依照增加預應力的方式，需要在原有基礎上增加鋼索截面，導致單層索網(wǎng)幕墻結構邊框承受更大負擔，因此在單層索網(wǎng)幕墻結構設計環(huán)節(jié)，應注重選擇合理的預應力增加方式。單層索網(wǎng)幕墻結構剛度隨負荷作用的變化而變化，前期剛度較小，后期結構會產(chǎn)生較大變形，因此為確保單層索網(wǎng)幕墻結構設計方案具有一定的技術可行性與經(jīng)濟適用性，需注重考慮單層索網(wǎng)幕墻位移與應變幾何非線性效應，結合高層建筑設計施工需求及建設特征，設置合理的撓度與預張力數(shù)值，在經(jīng)過嚴謹?shù)亩糠治龊螅趴勺罱K確定單層索網(wǎng)幕墻結構設計方案。

（二）單層索網(wǎng)幕墻結構荷載作用設計

單層索網(wǎng)幕墻結構主要荷載力為風荷載，因此為從根本上保障結構的穩(wěn)定性，需準確計算出風荷載數(shù)值，判斷風荷載對單層索網(wǎng)幕墻結構的影響，必要時可在單層索網(wǎng)幕墻結構設計之前事先進行風洞試驗[3]。由于單層索網(wǎng)幕墻結構主要由柔性鋼索構成，傳統(tǒng)剛性測壓模型難以真實模擬出結構受力情況，需相關設計人員根據(jù)風洞試驗數(shù)值，構建充氣彈性模型。

室外溫度也會嚴重影響到單層索網(wǎng)幕墻結構，導致單層索網(wǎng)幕墻結構變形，因此也需將其當做重要的設計衡量因素。為從根本上保證高層建筑整體承載力，在單層索網(wǎng)幕墻結構設計期間也需深入分析地震作用，考慮地震作用的靜態(tài)效應，確保所設計出的單層索網(wǎng)幕墻結構能夠更好抵御強規(guī)模地震。

（三）單層索網(wǎng)幕墻結構邊界條件設計

將單層索網(wǎng)幕墻結構應用在高層建筑中，需將多個主體結構連接在一起。單層索網(wǎng)幕墻通過施加橫向及豎向預拉力抵御外部荷載，邊界結構受到極大鋼索拉力，直接影響到單層索網(wǎng)幕墻主體結構[4]。因此在設計單層索網(wǎng)幕墻結構期間，需確保結構邊界條件形成自平衡體系，最大限度節(jié)省單層索網(wǎng)幕墻結構后期施工期間的成本。

（四）單層索網(wǎng)幕墻結構索網(wǎng)設計

為根本上提升單層索網(wǎng)幕墻結構承載力，延長單層索網(wǎng)幕墻結構全生命周期，需注重控制單層索網(wǎng)幕墻結構在后期使用期間的變形情況，要求拉索間距應小于等于2m。在布置雙向單層索網(wǎng)幕墻結構時，應保障索網(wǎng)網(wǎng)格接近正方向。

從單層索網(wǎng)幕墻結構受力特征角度分析，結構內部豎向索應同時承擔起水平荷載與豎向荷載作用力，因此不宜將單層索網(wǎng)幕墻結構設置較高。在雙向單層索網(wǎng)幕墻結構設計時，橫向索與豎向索均承擔起水平荷載作用，豎向索還應承受幕墻結構自重，保障幕墻結構不會在外界不穩(wěn)定因素的影響下出現(xiàn)脫落問題，因此應合力計算豎向荷載、索網(wǎng)間距、豎向與橫向索直徑等參數(shù)數(shù)值。

（五）單層索網(wǎng)幕墻結構變形設計

由于高層建筑中的單層索網(wǎng)幕墻結構長期處于風荷載作用，邊界位置變形曲線切線斜率較大，靠近中間位置的單層索網(wǎng)幕墻結構變形曲面切線斜率小，因此在設計單層索網(wǎng)幕墻結構期間，應標明結構內變形差較大的位置，采用科學的構造手段減少單層索網(wǎng)幕墻面板變性差。

為從根本上保障單層索網(wǎng)幕墻結構安全，應在設計階段做好結構變形控制工作[5]。一方面，在最低溫度下，單層索網(wǎng)幕墻結構最大索力不用超過所的拉力設計值;另一方面，在溫度最高的情況下，應確保單層索網(wǎng)幕墻結構索應力始終維持在設計范圍內。

三、單層索網(wǎng)幕墻結構施工要點

在高層建筑工程中，單層索網(wǎng)幕墻結構需與其他結構并存，因此需注重施工專業(yè)協(xié)調工作，防止施工環(huán)節(jié)發(fā)生沖突，導致工程進度拖延等問題出現(xiàn)。與其他索網(wǎng)結構相比，單層索網(wǎng)幕墻結構還存在索力變化大、變形作用顯著等特征。具體來說，高層建筑工程中的單層索網(wǎng)幕墻結構頂部與采光頂由共同的桁架，在預應力張拉環(huán)節(jié)，桁架變形顯著，結構內力重分配，因此需對單層索網(wǎng)幕墻結構的變形情況進行全程檢測，加大單層索網(wǎng)幕墻預應力張拉環(huán)節(jié)的質量監(jiān)管力度。

由于在單層索網(wǎng)幕墻結構中，橫向與豎向鋼索較長，張拉后的伸長值更大，使用傳統(tǒng)索具難以滿足單層索網(wǎng)幕墻結構后期施工要求，因此需相關施工人員結合單層索網(wǎng)幕墻結構特征，選用適宜的索具。加大索具質量監(jiān)控力度，確保進入到施工現(xiàn)場的索具均具有試驗合格證等、材料合格證等文書證明，控制單層索網(wǎng)幕墻結構施工期間質量問題及安全隱患發(fā)生幾率。

四、總結

總而言之，單層索網(wǎng)幕墻結構應結合幕墻幾何形狀與邊界條件選擇相應的種類。單層索網(wǎng)幕墻的內外抗彎剛度需通過增加預應力獲得，因此在實際設計環(huán)節(jié)，應細致分析單層索網(wǎng)幕墻結構荷載參數(shù)，選擇合理的預應力施加手段，從根源處控制單層索網(wǎng)幕墻結構變形情況。由于單層索網(wǎng)幕墻結構與其他結構形式相互交叉，因此在實際施工期間應做好各專業(yè)分工協(xié)調工作，切實提升施工進度與施工質量。

參考文獻：

[1]曹金章. 基于ANSYS的單層索網(wǎng)幕墻結構幾何非線性有限元分析[J]. 建設科技，2018（10）：8-13.

[2]張百振. 單層索網(wǎng)幕墻結構在高層建筑中的設計與施工研究[J]. 建筑技術開發(fā)，2019，46（02）：12-13.

[3]張百振. 單層索網(wǎng)幕墻結構在高層建筑中的設計與施工研究[J]. 建筑技術開發(fā)，2019，46（02）：12-13.

[4]徐艷華，張玉萍，黃楠，馮功斌，馬敏波. 單層索網(wǎng)點支承式既有玻璃幕墻安全評估分析[J]. 中國建筑金屬結構，2019（07）：54-56.

[5]王孟鴻，鄭曉彬，劉亞申. 玻璃對索網(wǎng)幕墻結構性能影響的實驗研究[J]. 住宅產(chǎn)業(yè)，2018（01）：58-63.