大跨度單向張拉弧形索網(wǎng)及桁架組合結(jié)構(gòu)幕墻技術研究

初文芳，胡江，楊廷海

（1.中鐵置業(yè)集團山東有限公司，山東 青島 266000；2.沈陽中鐵盛豐置業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 110000；3.北京佑榮索福恩建筑咨詢有限公司，北京 100079）

0 引言

隨著科技與經(jīng)濟水平的不斷提升，國內(nèi)外大型公共建筑的主入口跨度層高都在不斷增加，主入口幕墻樣式也越發(fā)新穎別致，同時幕墻結(jié)構(gòu)也逐漸多樣化復雜化。國內(nèi)外常見大跨度幕墻結(jié)構(gòu)形式有拉索幕墻、拉桿幕墻、全玻幕墻、實腹式鋼龍骨幕墻、格構(gòu)式鋼龍骨幕墻、組合結(jié)構(gòu)幕墻等，大跨度張拉索網(wǎng)幕墻以簡潔輕巧、通透美觀、科技感強、能適應變化較大的層高等特點越來越受到用戶青睞，廣泛應用于各種場館類會展類大型建筑中。面對該現(xiàn)象，國內(nèi)外專家學者進行了深層次的探討，魏德敏等[1]分析了大跨索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的風振系數(shù)，以雙曲拋物面橢圓平面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)為研究對象，通過三維有限元風振響應時程分析，得到了索網(wǎng)結(jié)構(gòu)在不同矢跨比、阻尼比下的風振響應特點和風振系數(shù)的變化規(guī)律；劉軍進等[2]對中國航海博物館曲面幕墻單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行了深入設計研究，利用ANSYS 軟件進行了索網(wǎng)網(wǎng)格優(yōu)化、找形、復雜節(jié)點有限元分析、強度和防松弛驗算、索網(wǎng)變形驗算等工作，以實現(xiàn)索網(wǎng)造型和保證結(jié)構(gòu)的安全；劉楓等[3]研究了重慶江北國際機場超長單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)，將屋面鋼結(jié)構(gòu)體系與幕墻結(jié)構(gòu)體系整體建模，兩者之間通過耦合實現(xiàn)水平聯(lián)系，同步加載進行結(jié)構(gòu)設計，以此考慮屋面鋼結(jié)構(gòu)對幕墻體系的影響，進行了超長幕墻結(jié)構(gòu)體系跨越下部結(jié)構(gòu)伸縮縫的受力分析，并得出由于柔性結(jié)構(gòu)很強的變形適應能力，下部結(jié)構(gòu)伸縮縫不會對幕墻結(jié)構(gòu)體系產(chǎn)生破壞作用的結(jié)論；舒暢等[4]對合肥新橋國際機場航站樓索網(wǎng)玻璃幕墻張拉施工進行了深度的技術分析；蔡其志等[5]以豐臺科技園36 號地項目9 號樓為例，介紹耳板定位與張拉過程中的測量技術。

1 大跨度張拉索網(wǎng)幕墻應用概述

國內(nèi)索網(wǎng)幕墻比較有代表性的工程案例有：北京新保利大廈、中國尊、大興國際機場、深圳國際會展中心、雄安高鐵站、上海國際金融中心、中國航海博物館、廣州白云國際會議中心、保定長城汽車新技術中心大樓、新疆中石油大廈等，其基本特點都是在主入口超大空間處采用單向或雙向索網(wǎng)幕墻，給人以輕、薄、柔、震撼的直觀感受。國外索網(wǎng)幕墻比較有代表性的工程案例有：德國慕尼黑凱賓斯基機場酒店、英國西敏寺大酒店、以色列 Amot Atrium Tower 大廈、科威特水晶大廈等。

大跨度張拉索網(wǎng)幕墻多應用于場館站房、高檔辦公樓及酒店、大型商場等地標類建筑上且多位于該類建筑的主立面或主入口處，往往是整個建筑設計的“點睛之筆”。在有大層間、大挑空的公共區(qū)域營造超大使用空間具有獨特優(yōu)勢，無論室外視角還是室內(nèi)視角，大跨度張拉索網(wǎng)幕墻都給人以宏大震撼的直觀感受和強烈的現(xiàn)代感，雖然一些拉桿幕墻、管桁架幕墻也能達到此種效果，但除此之外索網(wǎng)幕墻亦有輕、薄、柔、透的特質(zhì)，是其他幕墻無法實現(xiàn)的。

2 工程概況

中鐵·長春東北亞國際博覽中心國際展覽中心地塊位于吉林省長春市朝陽區(qū)永春鎮(zhèn)，東至人民大街、南至興博路、西至南瑞翔大街、北至興民路，是中鐵長春博覽城地塊的主體板塊，建筑地上規(guī)模299 075.71m2，地下42 573.33m2。建筑以“魚骨”型展開布置展館南側(cè)是 4 個基本單元加 1 個多功能展廳，北側(cè) 兩個基本單元展廳加一個兩層展廳共同構(gòu)成，同時利用公共交通大廳串聯(lián)成一個整體。沿人民大街設置場地主出入口，充分利用東側(cè) 90m 寬綠化帶打造開闊疏朗的入口廣場，建筑和景觀相輝映。東登錄廳作為國際博覽中心的主立面建筑，總體呈現(xiàn)倒楔形曲面，兩翼建筑架空宛若展翅高飛的雄鷹。其幕墻主要由三部分組成，立面索網(wǎng)及桁架組合玻璃幕墻、頂部鋁鎂錳金屬屋面及橢圓形中庭玻璃采光頂。其主立面幕墻具有超大層高、前傾曲面、幕墻高度不等等特點，給建筑設計和幕墻設計帶來挑戰(zhàn)，索網(wǎng)及桁架組合幕墻巧妙地解決了以上難點，更為整個建筑注入了現(xiàn)代科技感和震撼感染力。東登錄廳效果圖如圖1所示。

圖1 東登錄廳效果圖

3 幕墻設計方案選擇

設計之初，設計師對本項目東登錄廳立面的玻璃幕墻可能出現(xiàn)的形式逐一列出進行深入分析比選。大跨度大層高玻璃幕墻通常采用拉索式玻璃幕墻、拉桿式玻璃幕墻、全玻幕墻、實腹式鋼龍骨玻璃幕墻、格構(gòu)式鋼龍骨玻璃幕墻、組合結(jié)構(gòu)玻璃幕墻6 種結(jié)構(gòu)形式。本文根據(jù)這6 種結(jié)構(gòu)形式設計6 種可供選擇的方案，具體參數(shù)如表1 所示。

表1 拉索參數(shù)

表1 6 種設計方案參數(shù)對比

由表1 可以看出6 種方案的選擇，如下所示。

拉索式玻璃幕墻（方案1）雖然通透且初步可行，但本工程拉索豎向跨度約22m，每根豎向拉索上下端要各產(chǎn)生 1 400kN 左右的支反力，此反力對上下土建結(jié)構(gòu)的支撐能力要求極高，特別是上部土建鋼結(jié)構(gòu)梁為弧形，拉索拉力產(chǎn)生的彎矩和扭矩對此梁很不利。且本工程東登錄廳的玻璃幕墻是倒圓臺形，無法設置水平受力索，形不成橫豎交織的雙向索網(wǎng)幕墻。綜上，可以采用只布置豎向拉索不布置水平拉索的單向張拉方案，只要解決了拉索支反力大的問題，此類方案可以優(yōu)先考慮。但經(jīng)過設計院結(jié)構(gòu)專業(yè)計算，此處支撐拉索的上下土建鋼結(jié)構(gòu)梁需要 3 000mm×800 mm×50 mm×50 mm 的實腹箱型截面或者做更大的尺寸的管桁架，這種體量的鋼構(gòu)嚴重影響了整體通透的建筑效果故此方案不推薦選用

拉桿式玻璃幕墻（方案2）受拉桿本身強度低的限制往往不能像拉索那樣單排工作，需設置成雙排或魚腹式才可能形成受力體系，為了防止在水平力作用下拉桿失穩(wěn)，需在橫向設置穩(wěn)定桿，這種方案室內(nèi)線條略顯復雜和凌亂，不夠通透和美觀，故此方案不建議采用。

全玻幕墻（方案3）在本項目沒有優(yōu)勢，主要原因為：（1）對于玻璃肋來講跨度太大，如用一塊玻璃肋，造價太高且施工復雜，如玻璃肋斷成幾節(jié)中間靠鋼板夾持連接則效果大打折扣；（2）該幕墻為倒圓臺形，每個玻璃肋不是鉛錘的而是空間傾斜構(gòu)件，外玻璃肋平面外的弱軸方向仍承受自重分力，玻璃肋受力復雜增加自爆風險。

實腹式鋼龍骨玻璃幕墻（方案4）在如此大跨度上沒有優(yōu)勢，無論做單根圓管、T 鋼、矩形鋼管、工字鋼等實腹式截面，其截面尺寸都不會小無法達到輕巧通透的效果。以矩形管為例，經(jīng)計算 22m 跨度的主入口需要750mm×150mm×20mm×20mm的矩形管輕鋼龍骨，此截面龍骨間距2m 布置一根，在人視角度看此龍骨形成的玻璃幕墻并不通透，給人以壓抑之感。

格構(gòu)式鋼龍骨玻璃幕墻（方案5）可以采用平行桁架、魚腹桁架、三角桁架等各種管桁架造型來實現(xiàn)受力和降低截面尺寸的目的。但此結(jié)構(gòu)形式在人視角維度內(nèi)不夠通透，略擋視線，室內(nèi)外交互性略差。

組合結(jié)構(gòu)玻璃幕墻（方案6）是以上各種基本結(jié)構(gòu)形式相組合的幕墻形式例如實腹鋼管與拉索組成的自平衡豎龍骨體系，豎向格構(gòu)管桁架與橫向拉索組合的結(jié)構(gòu)體系，巨型實腹式梁柱把玻璃幕墻分成若干小網(wǎng)格區(qū)域，再在每個小網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)采用索網(wǎng)幕墻支撐體系等等，這種組合式結(jié)構(gòu)類型在一些超大的場館類項目中應用較多，有很多成功案例。

綜上，在組合結(jié)構(gòu)玻璃幕墻（方案6）的基礎上，設計師結(jié)合東登錄廳立面玻璃幕墻為倒圓臺體曲面造型實際，考慮東登錄廳為未來展會的主要人流來向和主要展示面等特點，兼顧使用者對主入口有輕巧、整潔、通透、巨像、科技等訴求，深化出與之匹配的單向張拉弧形索網(wǎng)幕墻及橫向弧形管桁架組合結(jié)構(gòu)幕墻方案，如圖2～ 3 所示。

圖2 深化方案室外效果圖

圖3 深化方案室內(nèi)效果圖

此深化方案橫向采用管桁架形式，豎向采用單索，外立面不強調(diào)橫豎線條，力學模型合理，橫豎向受力構(gòu)件各司其職且相互支持，傳力明確。橫向管桁架給豎向拉索跨度分割為4 段，使得拉索的受力跨距大幅降低，減小了拉索的直徑和預緊力。前部豎向拉索同時為后面的橫向管桁架提供豎向約束，防止管桁架承受橫向水平力作用時失穩(wěn)。

接下來對此方案的受力進行深入計算分析，從力學分析角度用計算數(shù)據(jù)分析方案的可行性、落地性。

4 受力分析

目前國內(nèi)采用的索網(wǎng)幕墻標準有《玻璃幕墻工程技術規(guī)范》（JGJ102-2003）、《索結(jié)構(gòu)技術規(guī)程》（JGJ257-2012）、《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術規(guī)程》（JGJ 7-2010）等，計算軟件目前常用的有 SAP2000、ANSYS 等，本文以 SAP2000 為結(jié)構(gòu)計算工具，計算構(gòu)件大小驗算其結(jié)構(gòu)安全合理性。

4.1 基本計算參數(shù)

工程名稱：東北亞國際博覽中心，工程所在地：長春市，工程所屬建筑物地區(qū)類別：B 類，工程所在地區(qū)抗震設防烈度：7 度（0.10g），工程基本風壓：0.65kN/m2。

4.2 荷載計算及計算說明

4.2.1 恒荷載

玻璃種類：10+2.28SGP+10（Low-e）+16Ar+10+2.28SGP+10單銀夾膠中空鋼化玻璃（超白）。

玻璃自重標準值：1.255kN/m2（考慮相關附件重，取1.1）。

4.2.2 風荷載

基本風壓：0.65kN/m2，結(jié)構(gòu)距地面高度：16m，體形系數(shù)：1.2，風振系數(shù)：1.652，風壓高度變化系數(shù)：1.151，地面粗糙度級別：B 類，荷載標準值：1.483 kN/m2。

4.2.3 溫差作用

年溫差：取±40℃，溫度作用綜合系數(shù)：1。

4.2.4 地震作用

地震烈度：7 度（0.10g），動力放大系數(shù)：5，水平地震作用標準值：0.4392 kN/m2

4.2.5 計算說明

（1）本計算提供的預拉力值為參考溫度下拉索的預拉力值。施工時，應根據(jù)施工環(huán)境溫度模擬計算施工預拉力。

（2）本計算選取邊部區(qū)域，采用SAP2000 V21 軟件進行。采用大撓度計算理論，拉索僅考慮受拉特性。玻璃采用虛面模擬，僅傳力不參與結(jié)構(gòu)計算。

4.3 結(jié)構(gòu)計算及校核

4.3.1 基本條件

鋼結(jié)構(gòu)許用撓度：取L/250，單索結(jié)構(gòu)許用撓度：取L/60（按玻璃許用撓度），拉索參數(shù)：彈性模量為1.3000E+005N/mm2；線膨脹系數(shù)為1.80E-005 1/℃。拉索參數(shù)如表1所示。鋼材強度設計值fS（N/ mm2），如表2 所示。

表2 鋼材強度設計值

4.3.2 分析工況組合說明

預拉力狀態(tài)COMB1：1.0×Pre；正常使用狀態(tài)下COMB2：立面 1.0×Pre+1.0×GK+1.0×WK（正風）+0.6×1.0×（＋TEP），COMB3：立面 1.0×Pre+1.0×GK+1.0×WK-（負風）+0.6×1.0×（＋TEP）；承載能力極限狀態(tài)下COMB4：立面 1.3×Pre+1.3×GK+1.5×WK（正風）+0.6×1.5×（－TEP）+0.5×1.3×EQ，COMB5：立面 1.3×Pre+1.3×GK+1.5×WK-（負風）+0.6×1.5×（－TEP）+0.5×1.3×EQ。

以上工況組合參考現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[6]等國家標準，其中：Pre 指預拉力，WK 指作用在幕墻上的風荷載標準值，單位為kN/m2。

4.3.3 計算模型

鋼架立面最大跨度為21.5m，兩邊跨度為8.9m，拉索最大跨度為6m，拉索和鋼橫梁連接位置為鉸接，做彎矩釋放設定。計算模型圖如圖4 所示。

圖4 計算模型圖

4.3.4 正常使用狀態(tài)撓度計算分析

單索結(jié)構(gòu)位移，如圖5 所示，鋼結(jié)構(gòu)位移如圖6 所示。

圖5 單索結(jié)構(gòu)位移

圖6 鋼結(jié)構(gòu)位移

單索結(jié)構(gòu)大撓度變形為92.48mm（COMB3 工況），跨度為6 000mm，校核結(jié)果為92.48/600＜1/60。

鋼結(jié)構(gòu)大撓度變形為32.38mm（COMB2 工況），跨度為19 000mm，校核結(jié)果為32.3744/19 000＜1/250，撓度滿足設計要求。

4.3.5 承載能力極限狀態(tài)計算分析

φ30 拉索最大軸力圖，如圖7所示，最大軸 力F=312.62kN ＜346.87kN，強度滿足；

圖7 φ30 拉索最大軸力圖

φ28 拉索最大軸力圖，如圖8所示，最大軸力F=232.1kN＜272.32kN，強度滿足；

圖8 φ28 拉索最大軸力圖

φ18 拉索最大軸力，如圖9所示，最大軸力F=47.68kN＜112.84kN，強度滿足。

圖9 φ18 拉索最大軸力圖

鋼梁校核應力比滿足強度和穩(wěn)定性設計要求。

綜上，結(jié)構(gòu)承載能力滿足設計要求。

5 深化設計

5.1 分格設計

東登錄廳立面玻璃幕墻分格進行劃分，考慮到會展類建筑的性質(zhì)，玻璃幕墻分格宜盡量大一些，且首層近人尺度盡量做高，增加人視角通透大氣效果，故高度方向分格劃分由地面到檐口依次為6m+4.5m×3，寬度方向分格約 2m（由于是倒楔形曲面分格寬沿高度方向為變數(shù)），為了體現(xiàn)更加通透的建筑效果，減少鋼化玻璃自爆率，玻璃采用超白，玻璃配置為 10+2.28SGP+10+16Ar+10+2.28SGP+10 四片超白單銀 Low-E 鋼化充氣雙夾膠中空玻璃。玻璃經(jīng)計算為六點支撐，即每塊玻璃四個角點通過不銹鋼夾具固定在拉索上，每塊玻璃的豎向中點也固定不銹鋼夾具。

5.2 細部節(jié)點設計

主受力豎向拉索在頂部的處理：從主體鋼結(jié)構(gòu)上焊接并挑出鋼桁架牛腿來支撐豎向拉索耳板和索錨具（固定端）等均隱藏于吊頂之內(nèi)。耳板的焊縫和孔壁承壓等均經(jīng)過計算滿足受力要求，為藏索錨具（耳板及拉索調(diào)節(jié)端），特為此做了一個檢修溝檢修，溝上覆不銹鋼篦子，拉索定期維護時可以打開篦子入內(nèi)檢修為防止在外力作用下拉索發(fā)生位移與地面第子發(fā)生磕碰產(chǎn)生應力腐蝕現(xiàn)象，在出地面之前拉索上設置穩(wěn)定鎖套，鎖套通過耳板與地梁埋件連接使拉索不發(fā)生側(cè)向位移。在門套上面，為使拉索調(diào)節(jié)端隱藏在門套厚度內(nèi)，特設置了螺桿式球較調(diào)節(jié)端，此種調(diào)節(jié)端占用空間小，拉索定期檢測后如發(fā)生松弛可以通過此端再次張緊，達到預緊力補償?shù)哪康?。設置檢修口，拉索底部吊頂鋁板設置成易拆卸易更換的構(gòu)造，當檢修維修時可以通過拆卸吊頂鋁板達到檢修目的。

6 張拉施工

索網(wǎng)的張拉主要考慮張拉順序和張拉分級，張拉方案要綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、施工成本和張拉工期。一般情況下，索網(wǎng)由張拉引起的變形在中間位置較大而兩邊較小，所以以控制索力衰減和結(jié)構(gòu)變形增量為原則，索網(wǎng)張拉一般采用由兩邊向中間的張拉順序。

在預應力施工過程中，監(jiān)測索網(wǎng)邊界鋼構(gòu)件的變形及鋼索的拉力變化，通過理論計算值與實測值之間的差別比較，及時對計算模型進行校正，從而保證施工模擬計算的正確性；保證預應力施工質(zhì)量和施工人員的安全，使最終的預應力狀態(tài)達到設計要求。

7 結(jié)論

本文以中鐵長春東北亞國際博覽中心東登錄廳索網(wǎng)及桁架組合幕墻為例，結(jié)合國內(nèi)相關案例，通過方案比選、受力分析、深化設計和張拉施工等，對大型公建項目的大跨度大層高、造型復雜的主入口的玻璃幕墻結(jié)構(gòu)進行了定性和定量化的落地分析。通過以上分析可以了解此類幕墻從方案設計到深化設計再到落地施工的整個過程。在大型公建項目日益大型化、復雜化的今天，本文對于會展及其他符合此功能需求的大空間主入口幕墻設計具有相關的借鑒意義。

每種大跨度幕墻都有其優(yōu)點和缺點，在設計之初，需結(jié)合建筑方案的理念篩選出全部的可行性方案供決策方討論，在多種方案中比選出最優(yōu)的一種，甚至可以考慮把幾種方案相疊加或結(jié)合給出一種與眾不同的新方案。