玻璃幕墻張拉索桿支承結構體系在工程中的應用
發布日期：2016-12-22 13:04 瀏覽次數：次
張拉索桿支承結構支承的點式玻璃幕墻因其通透晶瑩、輕盈簡潔的優點在全國范圍內得到了迅猛發展，在商業、公共和辦公建筑中廣泛應用。玻璃幕墻中常用的張拉索桿支承結構形式主要包括索桁架、自平衡索桁架、張弦結構、平面索網、曲面索網、單向豎索等。
1.索桁架結構
索桁架自身通常呈對稱形態，由一系列張力索和受壓鋼桿共同構成，張力索的上下兩端均錨固于主體結構之上。幕墻支撐跨度較大時，常采用多段折線索桁架，多段折線索可形成弧線型或反復交叉型（圖1）；索桁架跨度較小時，可采用三段折線或四段折線索桁架，三段折線索桁架常見的形式有魚腹式和魚尾式兩種（圖2）；四段折線索桁架通常呈弧線型或反復交叉型。
(a)江蘇信息大廈（弧線型）
(b)上海大劇院（反復交叉型）
圖1 多段折線弧形索桁架
魚腹式
魚尾式
圖2 南京國際會議展覽中心三段折線式索桁架
索桁架可在立面幕墻中豎向放置或水平放置使用，也可在斜幕墻（圖3）或采光頂（圖4）中使用；在圓形采光頂中可通過中間的剛性輪盤形成輪輻式索桁架（圖5）。
圖3 天津泰豐植物園金字塔斜幕墻區格內四段折線索桁架
圖4 井岡山革命博物館索桁架采光頂
圖5 北京興融中心輪輻式索桁架采光頂
當主體結構無法承受索桁架中拉索拉力時，可將索桁架設計成梭形、在中部沿縱向設置粗剛性壓桿。拉索兩端錨固于剛性壓桿，其本身形成張力自平衡體系（圖6）。
(a)迪拜BIG5展廳
(b)飛亞達大廈
圖6 自平衡索桁架
3.張弦結構
張弦結構是由拉索、撐桿和剛性弦桿組合而成的自平衡體系。張弦結構中的拉索通常呈單向弧線形態，索中拉力會產生面外的推力，需要由恒定的垂直向荷載平衡該推力。因此，張弦結構常用在采光頂（圖7）或斜幕墻（圖8）中。
圖7 迪拜某商場雙向張弦梁采光頂
圖8 張弦結構在金字塔幕墻建筑中的應用
平面投影呈弧形的豎直立面幕墻，可在水平方向設置弧形索平衡張弦結構索中張力引發的面外推力（圖9）。
圖9 張弦結構在平面投影
4.單層索網幕墻結構
單層索網幕墻結構由縱橫雙向鋼索交叉組合后承受外部荷載。繃緊的索網在承受外荷載時產生面外變形，索中張力增加，依靠變形后的索力在面外方向的分量來抵抗外荷載。單層索網幕墻結構通透性良好，應用廣泛。如中關村文化商廈（圖10）平面單層索網幕墻高約70m，寬為27m，分格尺寸為1.61m×2.25m；昆明長水機場（圖11）平面單層索網玻璃幕墻長為324m，東西兩翼高約為32m，最大高度約為60m，玻璃面板寬為3m，高為1.6m。
圖10 中關村文化商廈
圖11 昆明長水機場
當單索因受力要求截面積過大、造價顯著增加時，可雙索并聯。如中石油大廈（圖12）主入口處索網幕墻跨度為40.5m，高為40m，橫索和豎索間距分別為1.95，1.35m；縱橫索均采用兩根并聯索充當。本工程技術難點之一是入口處懸挑長度達14m的鋼結構雨篷，雨篷依靠剛性較弱的水平支承鋼桁架、索網中的豎索和后排豎向平衡拉索實現其穩定。
圖12 中石油大廈雙索并聯
在一些特殊場合下，“平面單層索網幕墻”會變化為“折面單層索網幕墻”。最具特色的單層折面索網結構為北京新保利大廈索網幕墻（圖13），其東北面的鋼索網幕墻寬為40～60m，高約為90m，由設于下方吊樓頂部與混凝土筒頂之間的兩道巨型鋼索分割成3個連續的折面。水平索間距為1.33m，豎索間距有兩種，分別為1.38,1.23m。
圖13 新保利大廈三折平面索網幕墻
平面在采光頂中的應用，如北京金成大廈（圖14），其地上18層中心區域設有中庭，屋頂設平面索網支承的玻璃采光頂，尺寸約15m×25m。縱橫向索的間距分別為1.5，1.91m。
圖14 金成大廈平面索網支承的采光頂
5.單層曲面索網結構
單層曲面索網結構通常是由兩向正交或接近正交的、高斯曲率不同的索系聯結而成，索系的節點之間無相對滑移。
中國航海博物館曲面索網設計難點包括：滿足建筑美觀和張拉要求的基準索網網格設計、考慮施工建造過程的帶彈性邊界的索網找形、索端萬向球鉸設計、索端復雜連接部位的設計、索網承載力和防松弛驗算、變形驗算等多方面。中國航海博物館中央帆體結構（圖15），高度約58m，兩片帆體結構在離地高約40m處一點鉸接相連。帆體之間為單層曲面索網幕墻最寬處約22m，垂直總高為40m，橫索和豎索間距分別約0.8，1.1m。
圖15 中國航海博物館中央帆體幕墻曲面索網結構
單層曲面索網結構也常常用于采光頂結構中。深圳三鑫研發中心采光頂（圖16）長為60m、跨度為12m；馬鞍形標準單元的尺寸為12m×12m；索網由相互正交的拋物線索組成，網格平面尺寸為1.5m×1.5m，其縱向索下凹，橫向索上凸，構成了具有正負高斯曲率的馬鞍形索網。
圖16 深圳三鑫研發中心采光頂單層曲面索網結構
6.單層豎索結構
當建筑師對玻璃幕墻的通透性有更高要求時，可在本已相當輕巧的平面單層索網幕墻的基礎上取消水平索，只留豎向索作為幕墻的支承結構。豎向索在承受幕墻面板自重的同時承擔抵抗水平風荷載的作用。
聯想融科資訊中心C座大堂幕墻（圖17）由索及鋼結構支承。索結構體系由4根連接兩座寫字樓之間的主懸索、62根通過鋼架對懸索施壓的單向豎索、2根位于懸索平面內的抗風索組成。索結構長63m、寬13.4m、高6～9.5m，單向豎索間距為2m。位于頂面的主懸索為定長索，依靠若干豎向單索張拉后，對主懸索實現張拉過程。
(a)實景圖
(b)計算模型
圖17 聯想融科C座大堂
華晨雙帆國際大廈（圖18）采用了單層隱索幕墻形式取得了良好的視覺效果。隱式單索幕墻的節點構造（圖19）。
圖18 華晨雙帆國際單層隱索幕墻
圖19 隱索幕墻節點構造
7.其他結構形式
有需要時，也可將兩種或多種不同的玻璃幕墻張拉索桿結構體系混合使用，以實現更好的建筑效果（圖20，21）。
圖20 張弦結構和平面索網在采光頂中聯合應用
圖21 張弦結構和魚尾式索桁架在采光頂中聯合應用
也可將張拉索桿支承結構和其他非拉索支承結構形式聯合使用（圖22）。
圖22 拉索和其他非拉索結構在立面幕墻中的聯合使用
8.彈簧裝置在幕墻拉索支承結構中的應用
幕墻拉索支承結構中的彈簧裝置可分為兩類：1）拉索和彈簧裝置串聯，稱索端彈簧索力緩沖裝置；
2）防拉索破斷裝置（圖23,24）和帶閥值的力緩沖裝置（彈簧吊爪裝置）。
圖24 防拉索破斷裝置工作原理示意圖
北京土城電話局預應力單層索網幕墻長為29.4m，高為19.5m，在水平索端部設置過載保護裝置（圖25）；拉維萊特（La Villette）的城市科學博物館的暖房幕墻結構就應用了彈簧吊爪裝置（圖26），臨界閥值荷載為7400kN。
圖25 北京土城電話局預應力單層索網索端防拉索破斷裝置
（1）張拉索桿支承結構中的拉索單元采用鏈桿單元模擬、張弦結構中的剛性梁采用梁單元模擬；計算模型中支座約束簡化模型應和實際情況相同；當設有彈簧時，需用彈簧單元準確模擬。
（2）張拉索桿支承結構設計時應計入索中初始預應力作用，應考慮結構自重和玻璃面板等恒載、風載、采光頂上的雪載和檢修活載、溫度影響等作用。
（3）當張拉索桿支承結構的支座因主體結構產生較大位移時，應考慮該強制位移對張拉索桿支承結構的影響，必要時可建立和主體結構共同工作的整體分析模型。
（4）因張拉索桿支承結構剛度相對較小，計算時應采用風振系數或風振響應分析的方式考慮風動力效應。
（5）平面單層索網、曲面單層索網、單向豎索結構的剛度受其變形影響較顯著，計算時必須考慮幾何非線性特征。
（6）需復核最不利荷載基本組合作用下的桿件承載能力。
（7）需復核最不利荷載標準組合作用下張拉索桿支承的結構變形值是否滿足規范限值要求。
（8）應避免索體的松弛現象。
（9）索桁架、自平衡索桁架結構拉索中初始張拉應力對其抗風能力的發揮作用的影響幅度較小。
（10）曲面索網需進行張拉及施工過程模擬分析工作、縱橫索相交位置索夾設計時需考慮不平衡力的影響。
（11）張弦梁結構設計時，應根據設計目標位形進行預變形找形分析。