预应力索杆桁架点支式玻璃幕墙设计

　　摘要：结合实际工程，笔者详细介绍了一种新型幕墙的设计——预应力索杆桁架点支式玻璃幕墙设计，可供相关专业技术人员参考。
　　关键词：桁架、玻璃幕墙、设计
　　
　　1工程概况
　　广州某高层建筑东南侧点驳接玻璃幕墙，面积约为1600m2，主要支承结构是六榀不锈钢绞线经预张拉形成的索杆桁架体系,设计长度为44.3m,内外弦杆直径48mm,同时，需施加预应力。
　　六层水平桁架距离室内地面的高度分别为:6m、12m、16.4m、21m、25.5m、30m，水平桁架所用杆件均为不锈钢材料,表面经过亚光处理,外观纤细大方。幕墙玻璃采用14+1.64PVB+9厚的钢化夹胶玻璃,每块玻璃尺寸为2.4m×1.6m。第一层水平桁架以下设三排水平玻璃；一二层之间则设四排玻璃；二三层间,三四层间,四五层间,五六层间均设三层玻璃；六层以上设两层玻璃。玻璃的自重通过从共享空间顶部吊挂下来的H型钢直接传递给主体结构梁,其竖直方向荷载在此不作讨论。驳接爪设置在吊挂玻璃的H型钢上。
　　在竖向桁架室内一侧的A、B、C、D四个节点位置由4根刚度很大的钢管顶住,钢管另一端与共享空间内主体结构连接,故这4个节点在计算时可以视为固定支座；竖向桁架Ⅰ、Ⅱ的上下支座均为铰支座,与主体结构连接；水平桁架两端伸入共享空间两侧的剪力墙中,计算时设置为固定支座。在水平桁架的内外弦杆中施加预应力,使其与两根竖向桁架一起抵抗作用在玻璃面上的风压和地震荷载,达到设计要求:在最不利水平荷载组合作用下,水平挠度不大于L/160(L为幕墙长度和宽度中的较小值),同时不大于20mm。
　　
　　图1支承结构示意图
　　2预应力桁架施工方案的确定
　　因为点支承玻璃幕墙的后续施工工艺对支撑结构的施工精度要求很高———水平桁架的节点位置在前后、左右方向和设计位置的偏差均要求不超过±2mm。这对张拉时的质量控制和操作工艺要求非常严格。另外,工期紧、桁架杆件多、拼装位置高(施工中大部分操作在脚手架作业面上进行),所以施工方案的选择非常重要。因为以不同的方式施加张力会导致结构计算模型的改变,所以应用计算机模拟不同方案的施工过程,对桁架进行施工和使用过程中的变形和承载力计算,以筛选出科学、可行的施工方案,符合设计意图。
　　为了既可以控制玻璃幕墙支撑系统的每一节点经张拉后正好位于设计位置,又可直接保证水平弦杆的张拉力达到设计值,最终确定的施工方案是在垂直桁架的立管上与水平桁架相交的地方开孔,使水平桁架内外弦杆在垂直桁架中能够滑动(图2)。将一侧剪力墙中的弦杆用双螺母固定作为固定端,两台前卡式千斤顶(YC20)在另一侧的剪力墙后张拉(图3)。张拉前试验得到套筒螺纹的压缩量,计算得出弦杆的伸长量,然后据此求出预拼装的长度。张拉时通过千斤顶的油压表控制张拉力(考虑张拉端锚垫板之间的压缩,可以适当加大张拉力)。
　　
　　1—张拉端剪力墙；2—YC20千斤顶；3—Ф50×8直腹杆；4—竖向桁架；5—Ф45内弦杆；
　　6—Ф45外弦杆；7—Ф36斜腹杆；8—固定端剪力墙
　　图2张拉平面示意
　　
　　1—调节套筒；2—竖向桁架开孔处套管；3—斜腹杆耳板；4—内弦杆；
　　5—竖向桁架腹杆；6—竖向桁架立管处开孔；7—外弦杆
　　图3竖向、水平桁架交点
　　3预应力桁架的有限元分析
　　3.1计算模型
　　施工方案选定了,即可按照此方案建造的结构建立计算模型。
　　a.每根内外弦杆张拉力相等,即通过施加预应力使之具有相同的应力。
　　b.水平桁架的内外弦杆在竖向桁架开孔中可以沿张力方向自由伸缩滑动,故模型中应去掉竖向桁架对水平桁架在这个方向的约束。
　　c.使用过程中,水平桁架弦杆的两端伸入1m厚的剪力墙中,并用双螺母锚固,所以计算时应把它设为固定支座。
　　d.利用有限元分析时,桁架杆件相交处不管是焊接还是螺纹、套筒连接在计算模型中均设为固节点。
　　3.2荷载输入
　　3.2.1风荷载和地震荷载的组合
　　广州市抗震设防烈度为7度,基本风压为0.5kN/m2,设计时风压取值根据风洞试验结果:风荷载标准值2.3kPa,负风压起控制作用。计算结构变形和承载力时,分别取风荷载和地震荷载的组合系数为1.0和0.6。
　　由于水平荷载均由幕墙后面的支撑体系承担,所以荷载组合时同时考虑了作用在玻璃表面的风压、作用于玻璃的水平地震力以及作用在水平、竖向桁架上的水平地震力。玻璃所承担的风荷载和地震荷载通过H型钢传递到桁架外弦杆节点上,把支撑结构所承担的水平地震力也换算成节点荷载作用在桁架外弦杆节点上。这样,经组合后作用在水平桁架上的节点力:第一、二层桁架为13397N,与竖向桁架相交处节点力为26374N；第三、四、五层桁架为11483N,与竖向桁架相交处节点力为24459N；第六层桁架为9569N,与竖向桁架相交处节点力为22546N。
　　3.2.2松弛的影响
　　松弛是指构件长度不变的情况下应力随时间减小的现象,徐变是指应力维持不变,应变随时间增长的现象,当然二者还有温度不变的条件。
　　由于拉杆是发生松弛与徐变的主要构件,所以拉杆的松弛与徐变损失影响张拉整体结构的受力状况,而且这种预应力损失是全局性的,必须在设计中予以考虑。由于松弛和徐变比较复杂,我们根据以往的工程经验,作为温度的一部分来考虑。
　　3.2.3温度的作用
　　温度改变作为一种影响预应力的独立因素是指材料随温度改变而发生非弹性变形,使结构中的预应力发生改变,这是在正常使用阶段发生于结构整体的预应力损失。这一因素对预应力的影响是双向的,温度升高时预应力减小；温度降低时预应力则增大。在进行结构设计时两个方向的影响都需考虑,既不能由于温度改变使结构的应力太大,也不能使杆中的预应力变得太小。在预应力设计阶段和荷载作用下的分析阶段都需要考虑温度因素(作为独立的因素):在预应力设计阶段只需考虑温度升高引起的预应力损失,不考虑温度降低引起的预应力的增加；在荷载作用下的静力分析阶段需考虑温度降低使预应力增加的情况。
　　由于桁架只是用来抵抗水平荷载的,拉杆中的预应力不大,拉杆的两端伸入剪力墙中,而且预应力张拉在一月份(最冷)进行,所以温度降低引起的预应力对主体结构影响不大；而拉杆跨度大,必须考虑温度升高的影响,根据广州市的气候以及松弛、徐变等因素,取温差为30o。
　　3.2.4预应力的作用
　　在桁架中施加预应力,可转换杆的受力模式,使受压弦杆变为受拉,充分利用材料,减小构件截面,避免构件受压失稳。但桁架的刚度主要与杆件截面和高度有关,而与拉杆中的预应力关系不大。有限元分析也表明:拉杆中应力对桁架的水平位移影响不大,只要保证在最不利荷载作用下,拉杆中始终保持一定的拉力即可。
　　所以,最终在水平桁架内外弦杆上建立172kN的张拉力,在风荷载和水平地震荷载作用下,计算得出的节点位移和杆件应力结果如下:水平桁架的节点在荷载作用方向上最大位移为13mm,发生在第一榀桁架的中跨；同时桁架中杆件最大应力为123.16MPa,小于所选用不锈钢材(1Cr18Ni9Ti)的设计强度值(200MPa)；在温度荷载作用下,温差30°将引起50MPa的压应力,致使桁架弦杆的拉应力在40～60MPa之间,但都处于受拉状态,能满足设计要求。
　　4测试
　　4.1测试目的
　　由于该桁架十分重要,长度很长,设计要求弦杆必须保持一定的初始应力。施工过程中是否建立了设计要求的初始应力、受力以后应力变化如何、每天的温度变化以及一年四季温度变化对结构的影响等等必须了解,如果应力的变化影响结构的正常工作,需要重新调整弦杆拉力,以确保结构安全。
　　4.2测试内容
　　1)施工阶段弦杆有效预应力的建立；
　　2)弦杆的应力变化情况。
　　4.3测试数据分析
　　预拉力值为172kN,为了得到初始值,本次测试从20%的预拉力开始测,求出应力变化值,最终算出张拉结束后杆中建立的预应力。
　　根据所测数据,共算出29个点的应力变化值。锚固后杆中的应力值与理论值相比:理论值为109MPa,测试值为120～130MPa,比较吻合。
　　挂好幕墙后四月份测试值与锚固后应力相比,杆中应力变化都在60MPa以内。即杆中预拉力的损失大约在60～80kN。这主要是由温度变化引起的,因为预应力张拉是在一月份,这与有限元分析也比较吻合。
　　此测试结果与有限元通用处理程序计算结果相比较:在最不利荷载(风震、地震和温差为30°的温度)作用下,通过计算发现,杆中应力大约在40～60MPa之间；锚固后杆中的应力值除第五榀比理论值较小外,其余比较吻合。
　　总体上理论值与测试值比较吻合,因为没有考虑模型与实际结构的差异等。同时施工和测试也有很多不确定因素。特别在四月份测试时人是站在杆上测的,故有少量误差。
　　5结束语
　　采用拉索、拉杆点支承玻璃幕墙能充分利用玻璃透明的特性,追求建筑物内外空间的流通和融合,这使得幕墙后面的支承结构系统“一览无余”。在拉索、拉杆中施加预应力能保证杆件始终处于受拉状态,有效地解决受压杆件的失稳问题。
　　该大楼的杆桁架张拉完毕已经有4个多月,经过测试分析,杆中预应力的建立是成功的,与有限元分析结果吻合,实际使用满足要求。
　　
　　参考文献：
　　[1]荆军,王元清,石永久,等.点式支承玻璃建筑的轻型与柔性支承结构体系的研究.工业建筑,2000(10).
　　[2]赵西安.点式支撑玻璃幕墙设计.建筑技术,1999(9).
　　[3]JGJ102-2003玻璃幕墙工程技术规范.
　　[4]中华人民共和国建设部，《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001），中国建筑工业出版社，2001年.
　　[5]中华人民共和国建设部，《钢结构设计规范》（GB50017-2002），中国建筑工业出版社，2002年.