【施工設計】中關村文化商廈單層索網結構幕墻

　　隨著國民經濟和科學技術的迅速發展，人們對建筑物的藝術審美要求越來越高，建筑物功能更日趨完善，玻璃幕墻作為建筑物的時裝，其類型和形式也不斷創新，單層索網結構幕墻、單向拉索結構幕墻、雙層呼吸式幕墻、光電幕墻等新型幕墻在工程上的應用便是例證。其中尤以單層索網結構幕墻、單向拉索結構幕墻以其高通透性更受建筑師和業主的青睞，目前已逐步開始在大型公共建筑、高檔寫字樓中應用，但是這兩類幕墻的技術含量和施工難度非常高。下文介紹單層索網結構這種新型結構幕墻在工程上的實例，供業主和建筑師選擇。

　　中關村文化商廈位于海淀區中關村圖書城，建筑主體結構類型為框架剪力墻結構，建筑幕墻主要采用雙層主動內循環和單層索網結構兩種幕墻形式。與傳統鋁合金幕墻比較，雙層主動內循環幕墻具有節能效果明顯、能大幅度降低噪音、保持室內空氣清新的優勢，特別適合我國北方地區的氣候和環境使用，另有論文詳述，本文專注于單層索網幕墻。

　　圖1.中關村文化商廈單層索網結構幕墻外視、內視照片

　　如圖1所示，本工程單層索網幕墻結構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構。豎向拉索跨度約70.0米，上端可靠連接在鋼結構桁架梁上，下端連接在混凝土結構梁上；橫向拉索的跨度為27米，左右兩端均連接在鋼結構立柱上，鋼結構立柱通過預埋件將結構支座反力傳遞給勁性混凝土結構立柱；連接拉索的轉換件均采用預埋形式。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件，豎向拉索是次受力構件。

　　一、單層索網結構幕墻的工作原理及結構簡述
　　單層索網結構的工作原理是：通過給橫向拉索和豎向拉索各施加合適的預拉力，從而形成剛度以抵抗外部荷載。拉索預張拉成形后以及在外部荷載作用下，拉索對邊緣構件或邊緣結構產生較大的拉力，因此邊緣構件或邊緣結構設計時應優先成為自平衡體系，如果不能成為自平衡體系，為抵抗拉索產生的拉力，邊緣構件或邊緣結構應設計成具有相當剛度的平面結構，但通常需要付出較大的工程造價。由于單層索網結構幕墻是一個“新生事物”，對單層索網拉索構件變形的容許值尚沒有相應國家標準和規范，借鑒國內外類似工程和試驗經驗，因此單層索網結構變形容許值按短跨的1/45或1/50進行控制。本工程單層索網結構在最不利荷載組合標準值作用下，變形容許值按短跨的1/50進行控制。

　　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，為盡量減少自重對單層索網結構產生的次應力，所以在構造上豎向拉索盡量靠近玻璃面板。根據結構計算結果，橫向拉索選用Φ34高強鋼絞線，規格為1×61，預拉力T=300KN，最不利荷載作用下內力最大值Z=540KN；豎向拉索選用Φ24高強鋼絞線，規格為1×37，預拉力T=100KN，最不利荷載作用下內力最大值Z=160KN。高強鋼絞線外表面處理采用galfan-coated，在整個施工過程中，必須采取有效措施保證拉索外表面必須無損傷、銹蝕、劃痕等缺陷。鋼絲破斷強度≥1670N/mm2，拉索材料滿足相應國家標準。

圖2.中關村文化商廈單層索網結構幕墻局部照片

　　二、單層索網結構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。由于單層索網結構在風荷載作用下，其變形類似“平鍋底”形狀，越靠近邊緣構件或邊緣結構處，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，靠近邊緣構件處的玻璃面板在風荷載作用下，面板四個角點不在同一個平面內，產生“翹曲”效應，因此對于邊部構件處的玻璃強度應根據實際變形情況進行強度計算，同時應采取構造措施使玻璃變形及應力得到釋放，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，由于單層索網結構幕墻是以較大變形來抵御反復正、負風壓作用，因此選用合適的硅酮密封膠種類和寬度對于其水密性能、氣密性能是非常重要的，選用不當就會導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試驗可以達到±50%，膠縫寬度一般來說為12mm-16mm。如果采用普通硅酮密封膠，其允許變位承受能力根據試驗只能達到±25%，因此膠縫寬度一般來說需要16mm-20mm。膠縫寬度太窄，玻璃板塊可能會被擠壓；膠縫寬度太寬，則幕墻建筑外觀效果不好。對于單層索網結構幕墻，拼接膠縫寬度可以按照JGJ102玻璃幕墻工程技術規范的公式計算，但不宜小于按公式計算出來的值。


　　三、單層索網結構幕墻不銹鋼夾具設計
　　不銹鋼連接夾具設計：如圖所示，幕墻玻璃面板固定在不銹鋼夾具組裝件中，夾具通過連接螺栓固定在橫向拉索、豎向拉索的交叉點上。玻璃與不銹鋼夾具之間采用硬質橡膠墊圈及橡膠墊片過渡連接，縫隙采用硅酮密封膠柔性連接，這樣幕墻玻璃面板在發生扭曲變形時不至于發生碰撞破壞。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算
　　玻璃面板板塊自重+不銹鋼夾具自重設計值:

　　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，單位：m；

　　b——玻璃面板長邊邊長，單位：m。

　　玻璃板塊與不銹鋼夾具的自重是通過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緊采用普通螺栓,4.8級,C級。


　　普通螺栓的預緊力：

　　P0=Kn.Q/z.m.u
　　式中：P0——普通螺栓的預緊力；

　　Kn——可靠性系數,取1.1；

　　M——摩擦面數量,取m=1；

　　Z——螺栓的數量；

　　u——連接摩擦副的摩擦因數，取0.30。

　　負風壓作用下不銹鋼夾具連接螺栓的承載能力計算：

　　單塊玻璃板塊承受的風荷載設計值：

　　F=1.4×WK×a×b=5.74 KN
　　式中：F——單塊玻璃板塊承受的風荷載設計值，單位：KN；

　　WK——負風壓最大標準值，單位：KN/m2；

　　a——玻璃面板短邊邊長，單位：m；

　　b——玻璃面板長邊邊長，單位：m。

　　玻璃板塊承載的負風壓分別通過不銹鋼夾具壓塊與拉索之間的連接螺栓傳遞，螺栓等級為4.8級，C級。

　　普通螺栓的抗拉承載力設計值:

　　Ntb=π.de2.ftb/4

　　四、單層索網結構幕墻入口門框設計
　　根據建筑師的設計構思以及單層索網結構幕墻的大變形受力特征，本工程入口門廳的鋼結構是可以垂直于幕墻玻璃平面運動的，也就是說，入口門框鋼結構立柱底端采用平面鉸接，這樣就可以保證與單層索網結構的變形相協調，避免在風荷載作用下門框鋼結構變形過于“生硬”的影響。地彈簧玻璃與旋轉門與門套結構連接，門套固結于地面，門套結構與門框鋼結構可以相互錯動。

圖4 門框頂部轉角結構　　　　 圖5 門套與門框結構可以相互錯動

　　五、單層索網結構幕墻三性試驗
　　本工程單層索網結構幕墻橫向、豎向跨度都比較大，同時此類幕墻屬于新型結構幕墻，在幕墻性能檢測上目前屬于空白地帶，進行性能檢測十分必要，而目前國內三性試驗的試驗平臺最大尺寸不能滿足比例為1：1的三性試驗要求。為解決上述的問題，在本工程的三性試驗時我們采取了如下方案：

　　根據現有試驗平臺的尺寸，選取寬高尺寸為6500mm×10590mm的試驗單元，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 三項性能檢測 　　　　　圖7 用位移計測量夾具索變形量

　　由于試驗單元橫向拉索、豎向拉索跨度相比較于實際工程減少，因此拉索規格也應相應減少，方能吻合索網結構的變形和性能的實際情況。根據索網變形按短跨跨度的1/50控制，橫向、豎向拉索的預拉力及內力分配與實際結構相協調這兩個原則出發，分析比較結構計算結果，橫向拉索選用Φ18高強鋼絞線，規格為1×37；豎向拉索選用Φ12高強鋼絞線，規格為1×19。實際試驗結果表明，縮小版的試驗單元風壓變形達到IV級，水密性能為II級，氣密性能為II級，因此單層索網結構的性能滿足設計要求。

　　圖8用位移計測量中部玻璃與索變形量 　　　　　圖9用位移計測量邊部索變形量

　　六、單層索網結構幕墻拉索張拉及施工
　　拉索的張拉及成型是關系到單層索網結構幕墻質量的關鍵因素，因此根據工程實際情況制定合理的施工工藝和施工順序意義非常重要。本節僅為單層索網結構幕墻施工工藝及施工順序的概要說明和原則問題，僅供參考，實際工藝和順序應根據工程實際情況制定更詳細的施工組織設計并遵照執行。本工程拉索結構張拉施工工藝和施工順序如下：

　　a.在建筑主體結構施工的同時埋設支撐索網幕墻鋼結構以及索結構錨固端和幕墻收口等需要的預埋件；

　　b.待主體結構施工和其他相關分項工程施工完畢后，搭設中庭立面柔索結構玻璃幕墻臨時設施支撐拉索，使之在重力荷載作用下不下垂，同時還須采取措施保證拉索與臨時支撐裝置的潤滑；

　　c.安裝橫向和豎向拉索以及索網結構的錨固裝置以及門框結構，并調整至設計位置；

　　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；適當張拉豎向鋼索，并將夾具調整至設計位置；

　　e.安裝橫向拉索,同時設置臨時支撐使橫向鋼索在自重作用下的變形降至最小,適當張拉橫向拉索；

　　f.在給索網結構橫向拉索和豎向拉索施加預應力的過程中，都會引起橫向拉索和豎向拉索的預應力變化，因此需要需要逐步張拉和調整并對整個張拉過程保持監測，保證整個索網結構成型并且不超過拉索的承載能力；

　　圖10 對豎向索進行預張拉 　　　　　　　圖11 對橫向索進行預張拉

　　g.在橫向拉索與豎向拉索交叉處安裝標夾具，使之形成單層索網結構，連接夾具并不具備夾力；

　　h.在單層索網結構上設置控制點以作為索網張拉過程中的監測控制點；

　　j.選取合理的張拉順序逐步對稱張拉豎向鋼索，在張拉過程中，豎向鋼索控制點和夾具向鋼索張拉端移動，觀測控制點直至跟設計位置吻合；

　　k.選取合理的張拉順序逐步對稱張拉橫向鋼索，在張拉過程中，橫向鋼索控制點和夾具向鋼索張拉端移動，觀測控制點直至跟設計位置吻合；

　　l.當索網預張力達到設計狀態時，確保控制點和夾具在設計位置上。反之則進行必要的調整；

　　m.再過適當時間后，重新檢測拉索預拉力，測量單層索網結構的夾具和控制點是否在設計位置上。如果不在，則必須進行適當調整索網結構直至夾具和索網控制點恢復到設計位置，注意索網控制點的設計位置應考慮幕墻玻璃自重對索網結構的變形影響；

　　n.擰緊所有夾具的螺絲直至夾具達到最佳受力狀態。

　　p.從上到下按合理順序安裝索網幕墻上的玻璃，當幕墻玻璃安裝完畢后在玻璃的自重作用下，索網結構的夾具和控制點達到施工圖中理想的幾何位置。


　　參考文獻
　　1.《懸索結構設計》 沈士釗 徐崇寶 趙臣 著 中國建筑工業出版社
　　2.《張力結構的分析。設計。施工》 錢若君 楊聯萍 著 東南大學出版社
　　3.《單層懸索結構在建筑幕墻中的應用》王德勤
　　4.《索結構玻璃幕墻用鋼索桁架的設計與質量控制》王德勤