1.工程概況
常州大劇院工程位于江蘇省常州市新北區(qū)黃山路、城北干道交叉口西北角，東側(cè)隔黃山路與市體育中心、會展中心相望，西側(cè)與市博物館和規(guī)劃展示館遙相呼應(yīng)，北側(cè)是廣場大道，與市民廣場融為一體，包括1500座左右的大劇場、423座的多功能小劇場、4個大小不同的電影廳，總用地面積約為5.244公頃，總建筑面積約4.30萬平方米，地下1層，地上4層，框架結(jié)構(gòu)，建筑總高度34.800米(圖1)。整個建筑外觀造型獨特，由于是綠色玻璃幕墻加上動感的設(shè)計，遠(yuǎn)遠(yuǎn)望去，如同一個流淌著的音符。
圖1建成后的常州大劇院工程
2.幕墻專業(yè)工程概況
常州大劇院建筑幕墻工程幕墻面積約為43000平方米，按幕墻形式區(qū)分主要為陶土板幕墻系統(tǒng)、傾斜式不銹鋼單向索承玻璃幕墻系統(tǒng)、隱框玻璃采光穹頂幕墻系統(tǒng)、全玻幕墻系統(tǒng)、鈦合金（詞條“鈦合金”由行業(yè)大百科提供）蜂窩鋁板幕墻系統(tǒng)、肋點式玻璃幕墻系統(tǒng)、隱框窗玻璃幕墻系統(tǒng)、橢圓形單層鋁板屋面幕墻系統(tǒng)、蜂窩鋁板挑檐幕墻系統(tǒng)、點式玻璃雨蓬系統(tǒng)等(圖2)。
圖2常州大劇院幕墻形式區(qū)分示意圖
常州大劇院建筑幕墻工程按建筑部位來區(qū)分，分為立面幕墻及玻璃和金屬屋面及裝飾格柵兩部分。立面幕墻在二層以上為內(nèi)外兩層，內(nèi)外層幕墻間距約為2300mm(底部)和3750mm(頂部)。外層幕墻主要為傾斜式不銹鋼單向(豎向)索承玻璃幕墻，菱形夾具形式，玻璃縫間開敞式構(gòu)造，幕墻面積約為7300平方米，內(nèi)層幕墻主要為陶土板幕墻及隱框玻璃窗幕墻和超長吊掛全玻璃幕墻（詞條“全玻璃幕墻”由行業(yè)大百科提供）形式;屋面主要包括球形隱框玻璃采光穹頂幕墻、鈦合金蜂窩鋁板及鋁單板金屬屋面、鋁合金金屬裝飾格柵等。
3.不銹鋼單向拉索幕墻設(shè)計
常州大劇院建筑總平面由四段不同半徑的圓弧組成，在圓心點固定的基礎(chǔ)上，不同的建筑標(biāo)高位置其半徑亦有所不同(圖3)，隨建筑標(biāo)高的增加其半徑也隨之增加。由于建筑立面造型及建筑藝術(shù)效果表現(xiàn)的需要，外維護采用了單層單向(豎向)不銹鋼拉索幕墻，建筑造型決定了其外傾斜式的構(gòu)造特點。
圖3單索幕墻底部建筑平面示意圖
3.1總體設(shè)計
單層索網(wǎng)玻璃幕墻位于大劇院建筑標(biāo)高5.3米以上，建筑標(biāo)高19.300米以下，與地面夾角為83º，幕墻高度為14米，豎向共五塊玻璃分格,水平向在每個箱型斷面鋼柱間共六塊玻璃分格。玻璃最大分格尺寸為2821mm×1453mm，配置為10+1.52PVB+10鋼化夾膠玻璃;拉索直徑φ22.5mm，采用1×61不銹鋼鉸線，僅在玻璃豎向分格縫處設(shè)置，不設(shè)置水平受力索。為建筑表現(xiàn)形式需要，在從下至上第2、4塊玻璃上各設(shè)置五根φ10mm水平五線譜裝飾性拉索，懸掛動感音符標(biāo)識，不參與結(jié)構(gòu)作用。單層索網(wǎng)幕墻面板玻璃頂部及底部與混凝土結(jié)構(gòu)梁之間設(shè)置鋁合金格柵通風(fēng)裝置，作為內(nèi)、外層幕墻的進風(fēng)口和出風(fēng)口。
3.2設(shè)計及計算參數(shù)的取值
基本風(fēng)壓：W0=0.40KN/㎡(江蘇常州地區(qū)，50年一遇);
地面粗糙度：B類;
地震基本烈度為7度，近震考慮;
玻璃配置為鋼化夾膠玻璃，10+1.52PVB+10，密度為25.6kN/m3，彈性模量E=0.72×105N/m㎡;
拉索采用φ22.5不銹鋼拉索，規(guī)格1×61，彈性模量E=1.3×105N/m㎡，破斷強度為340.66KN(單根不銹鋼絲（詞條“不銹鋼絲”由行業(yè)大百科提供）最小破斷力Fy=1320Mpa);
溫差：單拉索幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計溫差-20℃～60℃;單拉索幕墻玻璃表面設(shè)計溫差-20℃～60℃。
3.3材料選用
玻璃:采用鋼化夾膠玻璃，昆山臺玻集團公司產(chǎn)品;
鋁單板:3mm厚氟碳噴涂（詞條“氟碳噴涂”由行業(yè)大百科提供）鋁單板,鋁合金材質(zhì)3003H24，采用江蘇合發(fā)集團“高格”牌產(chǎn)品;
玻璃膠:透明,杭州之江公司“金鼠牌”中性密封膠;
點式幕墻配件:所有不銹鋼拉索、菱形夾具、駁接系統(tǒng)等材質(zhì)SUS316,深圳堅朗公司產(chǎn)品。
3.4整體結(jié)構(gòu)體系設(shè)計
由于主體土建結(jié)構(gòu)承受不了單索的拉力，在整個主體土建結(jié)構(gòu)周圍采用了箱型斷面的框格式鋼結(jié)構(gòu)，框格式結(jié)構(gòu)與主體土建結(jié)構(gòu)的連接采用鉸接，使其能將水平荷載傳遞給主體土建結(jié)構(gòu)，自身重量由主體土建結(jié)構(gòu)承擔(dān)。豎向單拉索頂、底部直接作用在框格式結(jié)構(gòu)上下箱型斷面的鋼梁上，拉索拉力由框格式結(jié)構(gòu)自身承擔(dān)，不傳遞給主體結(jié)構(gòu)(圖4)。
圖4單拉索幕墻結(jié)構(gòu)支撐體系布置圖
框格式鋼結(jié)構(gòu)均采用箱型斷面，頂、底部箱型鋼梁斷面尺寸為450×400×22×14mm,立柱箱型斷面尺寸為400×300×10mm。框格式鋼結(jié)構(gòu)在頂、底部箱型鋼梁與立柱連接位置處采用鉸接板與混凝土連接，立柱間設(shè)置5條豎向φ22.5mm不銹鋼拉索，水平方不設(shè)受力索(圖5)。
圖5幕墻結(jié)構(gòu)支撐體系剖視圖
(① 幕墻玻璃，②不銹鋼拉索，③底部箱梁，④頂部箱梁，⑤箱型立柱)
為保證幕墻玻璃的安全，應(yīng)控制單索結(jié)構(gòu)體系的變形，變形過大，會對幕墻玻璃造成不利影響;反之，單索變形控制過嚴(yán)，索的拉力亦隨之增大，對單索邊界支撐條件的剛度要求就越高。單層索網(wǎng)本身不變形時，不能抵抗法向荷載，只有產(chǎn)生變形后才有法向承載力，因而索網(wǎng)的撓度（詞條“撓度”由行業(yè)大百科提供）和結(jié)構(gòu)受力密切相關(guān)。隨著荷載的增加，結(jié)構(gòu)的位移在增加，隨之結(jié)構(gòu)承載力也在增加。因而在相同荷載增量下，結(jié)構(gòu)的位移增量隨之減小，相應(yīng)索的伸長量減小和索拉力增加的減少。為達(dá)到理想的設(shè)計效果，以L/45撓度限值來進行設(shè)計。為增加單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系安全儲備，豎向拉索采用φ22.5不銹鋼絞線。
3.4.1幕墻結(jié)構(gòu)傳力途徑
水平荷載由玻璃面板及不銹鋼菱形夾具通過豎向不銹鋼拉索傳給頂部及底部450×400×22×14mm箱形鋼梁，最后傳遞給頂部及底部混凝土梁;幕墻自重由豎向拉索通過頂部箱形鋼梁和鋼立柱傳遞給混凝土梁;豎向拉索的預(yù)張力及在荷載作用下產(chǎn)生的拉力由其周邊框格式鋼結(jié)構(gòu)自身承擔(dān)，不傳遞給主體結(jié)構(gòu)。
3.5節(jié)點構(gòu)造設(shè)計
3.5.1標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點構(gòu)造設(shè)計
豎向單層索網(wǎng)玻璃幕墻標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點，采用了不銹鋼菱形夾具連接的構(gòu)造措施(如圖6)，菱形夾具根部開凹槽，豎向不銹鋼拉索采用2根M10×40不銹鋼螺栓（詞條“螺栓”由行業(yè)大百科提供）將其與菱形夾具不銹鋼壓塊相連。利用不銹鋼拉索與壓塊間的摩擦力來承擔(dān)幕墻玻璃的自重(圖6)。
圖6豎向單層索網(wǎng)玻璃幕墻標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點
(①幕墻玻璃，②不銹鋼菱形夾具，③不銹鋼豎向拉索，④不銹鋼水平裝飾拉索)
在施工中，采用內(nèi)六角扭矩扳手將2根M10×40不銹鋼螺栓擰緊，扭矩扳手的扭矩值的設(shè)定按下式進行計算：
M=k×d×p
式中：
d---螺栓公稱直徑;
p---螺栓軸力，p=G/u;
M---施加在螺母上的扭矩;
k---扭矩系數(shù);
G---玻璃及菱形夾具等自重設(shè)計值;
u---不銹鋼拉索與不銹鋼壓塊間摩擦系數(shù);
3.5.2豎向拉索端部節(jié)點構(gòu)造設(shè)計
豎向不銹鋼拉索頂部及底部節(jié)點錨固（詞條“錨固”由行業(yè)大百科提供）在頂部及地部箱形鋼梁的外側(cè)，為防止豎向單索在承受水平荷載變形時使拉索端部錨固端頭螺桿產(chǎn)生彎曲，單拉索端頭調(diào)節(jié)張拉裝置采用半球鉸機構(gòu)(圖7)。
為承受豎向不銹鋼拉索的拉力，在頂部及底部箱形鋼梁的外側(cè)設(shè)計采用鋼板拼焊成“U”型裝置，U槽內(nèi)底部鋼板開大圓孔，上或下部放置半球鉸機構(gòu)帶半球型(內(nèi)凹)的壓塊，外凸半球型壓塊中間開螺紋孔，通過拉索錨固端頭螺桿與內(nèi)凹半球型不銹鋼壓塊相吻合。拉索錨固端螺桿通過半球鉸機構(gòu)在“U”槽內(nèi)底部鋼板內(nèi)沿垂直幕墻玻璃面有±5°的萬向旋轉(zhuǎn)自由度，來適應(yīng)單索幕墻的比較大的柔性變形。為防止半球鉸機構(gòu)在轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生金屬噪音及保證轉(zhuǎn)動靈活，半球鉸機構(gòu)內(nèi)安裝有1mm厚ETFE墊片(聚四氟乙烯-乙烯共聚物)。
(①幕墻玻璃，②不銹鋼拉索，③底部及頂部通風(fēng)格柵，④底部及頂部箱梁，⑤鉸接機構(gòu))
3.5.3水平五線譜裝飾索節(jié)點構(gòu)造設(shè)計
從下至上第2、第4塊玻璃后豎向不銹鋼拉索上設(shè)置5根φ10mm裝飾性水平拉索(圖8，)，用于懸掛音符標(biāo)志。頂、底部φ10mm裝飾性水平拉索置于不銹鋼菱形夾具后，中間三根φ10mm裝飾性水平拉索采用不銹鋼夾具安裝在豎向不銹鋼拉索上，在平面上分成7段固定安裝，水平裝飾索兩端均采用彈簧套筒支座固定。(圖9)。
為避免φ10mm裝飾性水平拉索參與結(jié)構(gòu)作用，水平拉索在施工安裝時給予100Kg的預(yù)張力，拉直即可，采用2個M10不銹鋼螺栓通過不銹鋼壓塊將其緊固在豎向拉索上，水平拉索在夾具上的固定孔徑采用φ12mm，保證水平裝飾索可以在孔內(nèi)水平滑動。另外，為保證水平五線譜裝飾索在豎索承受正負(fù)風(fēng)壓時不參與受力及不至于失去預(yù)拉力彎曲下垂，故水平φ10mm五線譜裝飾索兩端采用彈簧套筒支座固定(圖10)。音符標(biāo)識安裝掛接在豎向拉索菱形夾具上，由豎向拉索承擔(dān)其重量。
圖10彈簧套筒支座示意圖
4.結(jié)構(gòu)計算
在結(jié)構(gòu)計算過程中，采用ANSYS9.0對單拉索結(jié)構(gòu)進行空間有限元分析，并對施工狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)（詞條“極限狀態(tài)”由行業(yè)大百科提供）、承載能力極限狀態(tài)三種狀態(tài)進行分析，為施工提供技術(shù)參數(shù)和指導(dǎo)。
4.1 拉索設(shè)計
對于拉索軸心拉壓構(gòu)件：
軸心拉力設(shè)計值：N ≤ ZB(拉索承載能力設(shè)計值)
4.2結(jié)構(gòu)計算的基本理論
a.本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計采用承載能力極限狀態(tài)法和正常使用極限狀態(tài)法設(shè)計;
b.玻璃幕墻構(gòu)件內(nèi)力應(yīng)采用彈性方法計算,其截面最大應(yīng)力設(shè)計值不應(yīng)超過材料強度的設(shè)計值:σ< f;
c.荷載和作用效應(yīng)可按下式進行組合:
S=γGSGK+γwψwSwK+γEψESEK
玻璃幕墻結(jié)構(gòu)按各效應(yīng)組合中的最不利組合進行設(shè)計。
4.3計算工況
根據(jù)單索幕墻工程施工工藝以及結(jié)構(gòu)承受載荷要求需要進行下面幾種工況的幕墻結(jié)構(gòu)模型程序計算。
4.3.1 施工狀態(tài)模擬計算
a.1.0×拉索預(yù)拉力+1.0×自重。
4.3.2 正常使用極限狀態(tài)計算
b.1.0×預(yù)拉力+1.0×自重+1.0×風(fēng)荷載+0.6×地震荷載;
c.1.0×預(yù)拉力+1.0×自重+1.0×風(fēng)荷載+0.6×ΔT(+60℃)。
4.3.3 承載能力極限狀態(tài)計算
d.1.0×預(yù)拉力+1.2×自重+1.4×風(fēng)荷載+0.6×1.3×地震荷載;
e.1.0×預(yù)拉力+1.2×自重+1.4×地震荷載+0.6×1.3×ΔT(-20℃)。
在施工深化設(shè)計過程中負(fù)責(zé)提供幕墻結(jié)構(gòu)對建筑主體混凝土結(jié)構(gòu)的支座反力，由設(shè)計院考慮負(fù)責(zé)建筑主體結(jié)構(gòu)的安全復(fù)核。同時需要注意的是，但豎索幕墻拉索位移(變形)由于目前尚無國家標(biāo)準(zhǔn)，參照國內(nèi)外大量類似工程經(jīng)驗以及相關(guān)試驗結(jié)果，本工程按1/45控制。
需要指出的是，本工程拉索屬于斜向單索體系，拉索位移應(yīng)不考慮幕墻自重產(chǎn)生的位移，而是幕墻成形后外部荷載作用下產(chǎn)生的位移。
4.4有限元建模
模型計算采用的有限元程序ANSYS9.0,計算模型如圖11。拉索模型計算基本假設(shè)為：
a.拉索構(gòu)件材料完全符合線彈性;
b.拉索構(gòu)件只能承受軸向拉力，不能承受軸向壓力;
c.拉索構(gòu)件不能承受任何方向的彎矩（詞條“彎矩”由行業(yè)大百科提供）。
圖11單索幕墻計算模型
4.5邊界條件
結(jié)構(gòu)計算模型下端箱形鋼橫梁采用三向鉸支座與建筑物主體結(jié)構(gòu)連接，上端箱形鋼橫梁采用豎向平面鉸支座與建筑物主體結(jié)構(gòu)連接。幕墻自重經(jīng)箱形鋼立柱傳遞給標(biāo)高6.35米處的建筑主體混凝土結(jié)構(gòu)梁。
4.6 荷載施加
計算工況包括幕墻結(jié)構(gòu)承受外荷載作用要求的所有工況，構(gòu)件本身的自重和地震荷載在有限元模型中為均布荷載，而玻璃自重及地震作用，以及風(fēng)荷載等效為相應(yīng)的集中荷載。鋼結(jié)構(gòu)自重由程序自動考慮。
4.7 計算結(jié)果
4.7.1施工狀態(tài)計算結(jié)論
a.幕墻拉索張拉完畢+安裝玻璃面板后，主體鋼結(jié)構(gòu)箱形橫梁構(gòu)件產(chǎn)生16.6mm的豎向位移;
b.幕墻拉索張拉完畢+安裝玻璃面板后，主體鋼結(jié)構(gòu)箱形立柱構(gòu)件產(chǎn)生26.6mm的豎向位移;
c.幕墻拉索玻璃完畢后，主體鋼結(jié)構(gòu)箱形梁構(gòu)件產(chǎn)生16.6mm的豎向位移;因此主體鋼結(jié)構(gòu)制作安裝應(yīng)采取預(yù)起拱，以滿足幕墻需要;
d.分析施工過程結(jié)構(gòu)計算，豎向拉索了理論預(yù)拉力T=127.9KN，張拉完畢后其拉力稍稍減少;豎向拉索在整個張拉過程中的內(nèi)力變化比較復(fù)雜，實際張拉施工時應(yīng)嚴(yán)格根據(jù)計算報告采取合理措施。
4.7.2正常使用極限狀態(tài)計算結(jié)論
a.幕墻在最不利荷載作用下，豎向拉索位移f=274.4mm<12450/45=276.7mm，因此拉索位移滿足要求;
b.幕墻在最不利荷載作用下，箱形鋼橫梁位移f=22.4-15.9=6.5mm<8532/600=14.2mm，因此鋼橫梁位移滿足要求;
4.7.3承載能力極限狀態(tài)計算結(jié)論
a.幕墻結(jié)構(gòu)在最不利荷載作用下，豎向拉索應(yīng)力σ=590.4 N/m㎡< [σ]=630.8 N/m㎡，拉索應(yīng)力滿足要求;
b.幕墻結(jié)構(gòu)在最不利荷載作用下，箱形鋼橫梁應(yīng)力σ=159.3 N/m㎡< [σ]=205 N/m㎡，鋼橫梁應(yīng)力滿足要求;
c.幕墻結(jié)構(gòu)在最不利荷載作用下，箱形鋼立柱應(yīng)力σ=114.3 N/m㎡< [σ]=215 N/m㎡，鋼立柱應(yīng)力滿足要求。
5.不銹鋼單向拉索幕墻施工
5.1施工張拉設(shè)備
考慮到ANSYS計算中設(shè)定的拉索理論預(yù)拉力在鋼框架的變形、工況計算中拉索的預(yù)拉力會減小，故理論預(yù)拉力并不是施工時的有效預(yù)拉力，經(jīng)計算，施工時有效預(yù)拉力為103KN，采用扭矩扳手人工張拉方法很難使單索達(dá)到預(yù)拉力值，實際施工時采用液壓泵+液壓千斤頂機械張拉方法。
5.2施工張拉順序
在進行拉索張拉前，先將豎向不銹鋼拉索安裝到位，采用扭矩扳手先將拉索拉直，使拉索的拉力在10KN左右，拉索在每個施工張拉步驟中按“先中間，后左右兩側(cè)”的順序進行，即在每個施工張拉步驟中先張拉鋼框內(nèi)中間豎向拉索，中間豎向拉索張拉完畢后，在張拉其左右兩側(cè)豎向拉索，以次進行，直到豎向拉索張拉完畢。
5.3施工張拉步驟
a.采用帶拉力傳感器（詞條“傳感器”由行業(yè)大百科提供）的液壓千斤頂進行第一級張拉，第一級張拉到預(yù)拉力值的25%，達(dá)到張拉值后測量單索支撐結(jié)構(gòu)的變形情況;
b.待所有豎向單索第一級張拉完畢后進行第二級張拉，第二級張拉到預(yù)拉力值的50%，達(dá)到張拉值后測量單索支撐結(jié)構(gòu)的變形情況及采用索內(nèi)力測力儀測量拉索的內(nèi)力;
c.待所有豎向單索第二級張拉完畢后進行第三級張拉，第三級張拉到預(yù)拉力值的75%，達(dá)到張拉值后測量單索支撐結(jié)構(gòu)的變形情況及采用索內(nèi)力測力儀測量拉索的內(nèi)力。然后持續(xù)24小時后在進行第二次測量，對達(dá)不到預(yù)拉力值的拉索進行補償和調(diào)整;
d.待所有豎向單索第三級張拉完畢后進行第四級張拉，第四級張拉到預(yù)拉力值的105%(5%為超張拉數(shù)值，具體超張拉數(shù)據(jù)，要依靠張拉設(shè)備裝卸、環(huán)境溫度、支撐鋼結(jié)構(gòu)變形等多種因素來加以判定)，達(dá)到張拉值后測量單索支撐結(jié)構(gòu)的變形情況及采用索內(nèi)力測力儀測量拉索的內(nèi)力。然后持續(xù)72小時后在進行第二次測量，對達(dá)不到預(yù)拉力值的拉索進行補償和調(diào)整，使每根拉索的預(yù)拉力值滿足設(shè)計要求;
e.每階段預(yù)拉力張拉值誤差控制在±8%。
5.4施工注意事項
a.施工時預(yù)拉力值的確定要按施工時的氣溫變化調(diào)整預(yù)拉力，要按照合攏溫度與預(yù)拉力值對照表最終確定每一級張拉預(yù)拉力值;
b.張拉設(shè)備的拉力傳感器及索內(nèi)力測力儀在使用前應(yīng)進行標(biāo)定，保證測量的準(zhǔn)確性。
c.豎向單索張拉完畢且索夾具及駁接爪件安裝后應(yīng)進行沙袋配重試驗。將相當(dāng)于1.2倍玻璃重重的沙袋掛在每個節(jié)點處，與玻璃的重力線在同一豎向平面內(nèi)，沙袋的掛放按玻璃安裝順序進行。對索的內(nèi)力進行測量，并測量節(jié)點的位移情況，考察玻璃安裝后索的內(nèi)力變化情況及節(jié)點的位移和變形是否在設(shè)計允許范圍內(nèi)。在沙袋卸載后考察拉索的復(fù)位情況及內(nèi)力變化，符合設(shè)計要求后方可進行玻璃的安裝。
