單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)在高層建筑中的設(shè)計與施工

摘要：國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展推動了建筑行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，以柔性鋼索為主體結(jié)構(gòu)的單層索網(wǎng)幕墻技術(shù)在我國高層建筑中得到了大范圍應(yīng)用。單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)技術(shù)相比于常規(guī)幕墻技術(shù)具有力學(xué)載荷復(fù)雜、設(shè)計及實(shí)施工序繁瑣等特征。與實(shí)際工程結(jié)合，針對單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)在高層建筑中的設(shè)計及施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和注意要點(diǎn)展開探討。先對單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)特征與分類加以概述，進(jìn)而針對單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理和應(yīng)用展開分析，并提出了單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)在高層建筑的倒裝施工的具體應(yīng)用，為今后相關(guān)的單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工實(shí)施提供借鑒。

關(guān)鍵詞：單層索網(wǎng)幕墻;預(yù)應(yīng)力;載荷;索網(wǎng)布置

0" "引言

單層索網(wǎng)幕墻在建筑施工中的優(yōu)勢明顯，特別是應(yīng)用在高層建筑中，其結(jié)構(gòu)簡潔、外觀通透、構(gòu)件占用空間小等特點(diǎn)便可凸顯出來。單層索網(wǎng)幕墻整體通過柔性鋼索構(gòu)建，在鋼索結(jié)構(gòu)中實(shí)施特定的預(yù)應(yīng)力，形成整體剛度，通過鋼索間力的相互作用實(shí)現(xiàn)整體力學(xué)平衡與穩(wěn)固，使其具備特有的承載能力和剛度特征[1-2]。

單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，對邊界條件要求嚴(yán)格，且索網(wǎng)結(jié)構(gòu)對高層建筑主體結(jié)構(gòu)安全和質(zhì)量影響較大，因此設(shè)計單位應(yīng)需從單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)特征及實(shí)現(xiàn)原理著手，結(jié)合高層建筑的項目實(shí)際，提出貼合實(shí)際的設(shè)計及施工方案，以實(shí)現(xiàn)高層建筑質(zhì)量、安全、外觀等方面的整體提升。

1" "單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)概述

1.1" "索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)特征

在高層建筑應(yīng)用單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)技術(shù)時，其與建筑中其他既結(jié)構(gòu)是相互作用、影響的。單層索網(wǎng)幕墻除施工較復(fù)雜外，其還表現(xiàn)出鋼索之間索力變化幅度大，鋼索之間受形變影響大。

通常高層建筑設(shè)計時，單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)頂端與建筑采光頂連接同一桁架結(jié)構(gòu)，張拉載荷作用使桁架產(chǎn)生形變，形變導(dǎo)致索力重新劃分。下端鋼索同時受建筑雨篷梁及門廳作用產(chǎn)生形變，使得鋼索內(nèi)力更加敏感。各種載荷作用造成內(nèi)力的重新分配，使單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)張力布置施工面臨不小考驗[3]。另一方面，由于高層建筑單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)縱、橫方向鋼索距離長，導(dǎo)致張拉伸長量較大，常規(guī)的索具器械調(diào)節(jié)范圍無法滿足需求，需通過專業(yè)特定的張拉技術(shù)加以解決。

1.2" "索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)分類

按鋼索的布置方式不同，可將單層索網(wǎng)幕墻劃分為單向結(jié)構(gòu)和多向結(jié)構(gòu)[4]。單向結(jié)構(gòu)是通過縱向單鋼索與建筑玻璃之間建立相互支撐，形成穩(wěn)固結(jié)構(gòu);多向結(jié)構(gòu)通過多個方向鋼索建立互相連接，并利用連接點(diǎn)建立支撐，形成固定結(jié)構(gòu)。按單層索網(wǎng)幕墻外立面結(jié)構(gòu)差異，可劃分為平面結(jié)構(gòu)和非平面結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

按單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)邊界形式，可將其劃分為一體式結(jié)構(gòu)和附著自承結(jié)構(gòu)。一體式結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)原理是將建筑主體與幕墻鋼索直連，建筑主體結(jié)構(gòu)直接承載鋼拉索的載荷作用;附著自承結(jié)構(gòu)并未實(shí)現(xiàn)建筑主體與幕墻鋼索的直連，建筑主體結(jié)構(gòu)并未直接承載鋼拉索的載荷作用，而是通過索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)自身建立平衡支撐，與主體結(jié)構(gòu)形成“附著”關(guān)系。一體式結(jié)構(gòu)和附著自承結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2" "單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1" "單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計原理

在布置預(yù)應(yīng)力前，單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)平面以外并未構(gòu)成有效的抗彎剛度，因此不能建立水平作用力支撐。布置預(yù)應(yīng)力后，受水平載荷作用，其結(jié)構(gòu)具備非線性幾何特征及應(yīng)力鋼化特征，其結(jié)構(gòu)剛度產(chǎn)生變化[5]。其特征主要表現(xiàn)為小應(yīng)變、大位移，這是在單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)有限元參數(shù)設(shè)計時需重點(diǎn)關(guān)注的，也是計算分析軟件選擇的重要依據(jù)。

受面內(nèi)應(yīng)力作用耦合影響，橫向剛度轉(zhuǎn)換為應(yīng)力鋼化，索網(wǎng)結(jié)構(gòu)平面內(nèi)外抗彎剛度提高。但僅僅憑借布置預(yù)應(yīng)力來支撐外部水平負(fù)載，既要通過擴(kuò)大索截面來實(shí)現(xiàn)，還會給邊框整體造成負(fù)擔(dān)，違背了建筑科學(xué)、經(jīng)濟(jì)的設(shè)計初衷。受外部載荷作用變化影響，索網(wǎng)結(jié)構(gòu)剛度也會隨之變化，如果在起初較小剛度時受載荷作用，勢必會造成大變形。

此時鋼索應(yīng)變小，適應(yīng)小應(yīng)變原理。在單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)同時參考小應(yīng)變、大位移的非線性幾何原理。在外載荷恒定條件下，索的形變會引起整體結(jié)構(gòu)形成“懸索”狀態(tài)，形變范圍越大，索用來制衡的內(nèi)力越小。此時索應(yīng)力與撓度參數(shù)成反比關(guān)系。

由此可見，預(yù)張力與撓度參數(shù)確定是單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)設(shè)計環(huán)節(jié)，需經(jīng)過精確的分析計算得出?；谝陨戏治觯瑔螌铀骶W(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)平面內(nèi)外抗彎剛度設(shè)計方案，主要依據(jù)平面外位移原理與外載荷、預(yù)應(yīng)力同時作用的索內(nèi)力總和加以分析計算得出。

2.2" "單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用

單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)在高層建筑應(yīng)用時，主要在于建立主體結(jié)構(gòu)間的凹型互連結(jié)構(gòu)。單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)參考非線性幾何參數(shù)和應(yīng)力剛性參數(shù)。

2.2.1" "設(shè)計影響因素

風(fēng)力作用是單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)的主要影響因素，設(shè)計中參考精確的風(fēng)力載荷參數(shù)，有助于結(jié)構(gòu)分析運(yùn)算，因此在設(shè)計前應(yīng)通過風(fēng)洞試驗收集風(fēng)力載荷參數(shù)。單層索網(wǎng)幕墻是柔性結(jié)構(gòu)，常規(guī)的剛性測壓檢測難以模擬真實(shí)的柔性索網(wǎng)數(shù)據(jù)，因此應(yīng)將風(fēng)洞試驗與氣彈模型模型配合使用。同時，設(shè)計時還應(yīng)考慮溫度對鋼索應(yīng)變性能的影響。

2.2.2" "邊界結(jié)構(gòu)設(shè)計

單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)為平衡外部載荷，為此應(yīng)合理布置縱、橫方向拉索預(yù)拉力。整體邊界結(jié)構(gòu)承載較大的鋼索拉力作用，且作用于建筑主體結(jié)構(gòu)，所以針對邊界結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)重點(diǎn)考慮自平衡結(jié)構(gòu)。如未形成自平衡結(jié)構(gòu)，邊界結(jié)構(gòu)為平衡拉索拉力，則需更大的結(jié)構(gòu)剛度以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定。某實(shí)際高層建筑索網(wǎng)邊界結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

2.2.3" "索網(wǎng)布置設(shè)計

設(shè)計過程中，應(yīng)通過控制單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)形變來保證玻璃的穩(wěn)定性。拉索距離應(yīng)小于2m距離，通常在1.3m左右。鋼索雙向布置時，網(wǎng)格以正方形為宜。針對單向結(jié)構(gòu)設(shè)計，由于縱向鋼索要同時承載縱、橫雙向載荷，因此索網(wǎng)幕墻高度應(yīng)適宜。

針對雙向結(jié)構(gòu)設(shè)計，由于縱、橫鋼索彼此相互支撐，都承載水平載荷，縱向索還應(yīng)兼顧幕墻自身的質(zhì)量承載和橫向索平衡功能，即便橫向索損壞，也應(yīng)確保幕墻不掉落。針對建筑樓頂?shù)碾p向結(jié)構(gòu)，如果長寬比接近，縱、橫鋼索應(yīng)共同承載縱向載荷。在長寬比大于1.5時，可根據(jù)工程實(shí)際，將長向索用于平衡穩(wěn)定功能、短向索用于承載縱載荷功能。

2.2.4" "起始索內(nèi)力和預(yù)應(yīng)力設(shè)計

單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)的柔性結(jié)構(gòu)特征，使其只有在起始預(yù)應(yīng)力作用下才能有效平衡抵御反向載荷作用。僅憑借布施預(yù)應(yīng)力抵御水平外載荷則會導(dǎo)致索截面擴(kuò)大，徒增邊界結(jié)構(gòu)壓力，影響設(shè)計的科學(xué)性。標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)應(yīng)力通?？刂圃阡撍鲾噍d荷的25%左右。

2.2.5" "形變參數(shù)設(shè)計

受風(fēng)力作用影響，單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)接近中間位置形變曲線切線斜率較小，邊界形變曲線切線斜率較大。接近邊界位置的玻璃面板四處形變差較大，設(shè)計時應(yīng)加以強(qiáng)化，以減低面板的形變差參數(shù)。針對索網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計時，為保護(hù)幕墻玻璃穩(wěn)定安全，應(yīng)嚴(yán)控單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)形變;同時，還應(yīng)避免因控制形變力度過大而引起索拉力提升，從而導(dǎo)致索網(wǎng)邊界剛度應(yīng)力過大。落實(shí)到實(shí)際設(shè)計中，需保證最高溫度環(huán)境下索應(yīng)力正常緊繃，且最低溫環(huán)境下索力最大值應(yīng)低于索的拉力設(shè)計額定值，通常應(yīng)以l/50為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計撓度控制索網(wǎng)形變限值參數(shù)。

2.2.6" "連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計

鑒于縱、橫鋼索在張拉、支撐時，對應(yīng)節(jié)點(diǎn)位置在索方向移動，為此應(yīng)利用耦合方式連接節(jié)點(diǎn)。一體式結(jié)構(gòu)是將建筑主體與幕墻縱、橫鋼索形成直連，保證邊界具備滿足需求的剛度。通常橫向邊界上端使用鋼桁架結(jié)構(gòu)，底部與地梁連接固定，縱向邊界使用縱向鋼桁架或型鋼。附著自承結(jié)構(gòu)的縱、橫鋼索兩端和上部與邊框連接固定，縱向鋼索同中部框架梁滑動連接，底端同地下室梁固定，即主體與幕墻結(jié)構(gòu)形成滑動連接。附著自承結(jié)構(gòu)橫向索同邊框連接如圖4所示。

3" "單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)幕墻結(jié)構(gòu)在高層建筑的施工要點(diǎn)

3.1" "單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)施工工序

根據(jù)單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)施工方案設(shè)計，應(yīng)按如下工序施工：放線勘測—縱向結(jié)構(gòu)鋼柱拼裝—吊裝主桁架—從上至下吊裝橫向箱梁—焊接連接索耳板—拼裝縱向拉索—張拉處置縱向索—夾具安裝—拼裝橫向拉索—張拉處置橫向索—緊固夾具索壓塊—安裝玻璃、鎖固玻璃夾板—注膠及清洗。

3.2" "放線勘測

雖然利用常規(guī)鋼尺配合經(jīng)緯儀測量模式直觀、方便，但由于單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)對放線精度要求更高，且涉及較復(fù)雜的細(xì)部放線工序，因此利用常規(guī)鋼尺配合經(jīng)緯儀方式難以滿足實(shí)際放線需求。對于高層建筑幕墻結(jié)構(gòu)，應(yīng)利用全站儀配合鋼尺及計算設(shè)備組建的全站儀測繪系統(tǒng)，完成實(shí)際勘測，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位的精準(zhǔn)測設(shè)。參照單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)平面設(shè)計方案和工程實(shí)際狀況，利用獨(dú)立施工坐標(biāo)體系，測算不同控制點(diǎn)位的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，完成放樣。

3.3" "吊裝幕墻鋼結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)鋼柱主要用于實(shí)現(xiàn)橫向拉力在主體結(jié)構(gòu)作用點(diǎn)位的優(yōu)化，同橫向箱梁、頂端桁架結(jié)構(gòu)之間無連接，因此各部位吊裝操作可單獨(dú)完成。利用倒裝技術(shù)實(shí)施吊裝，先完成上端桁架梁吊裝，之后以桁架梁為支點(diǎn)，進(jìn)行下方橫向鋼箱梁吊裝，最后完成吊裝縱向鋼柱。其中上端桁架梁吊裝是安裝工序的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，受空中作業(yè)所限，難以搭建施工操作平臺，為達(dá)到高空吊裝安全和精度，應(yīng)利用一體化制備、整體吊裝技術(shù)完成桁架的組裝。

在高層建筑施工中，由于吊裝的鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量大，操作高度高，應(yīng)利用多軸吊裝機(jī)械完成。多軸吊裝機(jī)械自身質(zhì)量大，依靠施工場地地下室頂板難以實(shí)現(xiàn)有效的平衡固定，在路面停靠又常常難以達(dá)到桁架梁需要的安裝位置，因此利用多軸吊裝機(jī)械吊裝桁架梁，應(yīng)采用專業(yè)的固定處理。桁架梁吊裝過程中，應(yīng)配合鷹嘴吊完成吊裝。為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)吊裝的目的，桁架梁吊裝前應(yīng)進(jìn)行預(yù)吊裝測試，測試合格方可進(jìn)行正式吊裝作業(yè)。

完成桁架梁吊裝施工后，利用倒裝技術(shù)從上至下進(jìn)行橫向箱梁的吊裝施工。以桁架梁為支撐，將自動葫蘆固定于桁架梁兩側(cè)，從而完成下方橫向箱梁的吊裝施工。利用鷹嘴吊進(jìn)行掛籃安裝，以為操作人員搭建操作平臺。然后采用相同的方式完成后續(xù)其他箱梁的吊裝。

4" "結(jié)語

依靠柔性鋼索為主體結(jié)構(gòu)的單層索網(wǎng)幕墻技術(shù)應(yīng)用在高層建筑中，具備了結(jié)構(gòu)簡潔、外觀通透、構(gòu)件占用空間小等技術(shù)優(yōu)勢，同時也表現(xiàn)出了力學(xué)載荷復(fù)雜、單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計繁瑣，邊界條件要求嚴(yán)格，且索網(wǎng)結(jié)構(gòu)對高層建筑主體結(jié)構(gòu)安全和質(zhì)量影響較大等特征。本文結(jié)合工程實(shí)際，圍繞高層建筑單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工要點(diǎn)展開討論，分析單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和類別，探討單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理和實(shí)際設(shè)計應(yīng)用，提出單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)在高層建筑的倒裝施工的施工要點(diǎn)，為后續(xù)相關(guān)的單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工的安全、質(zhì)量和外觀提升提供參考。

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