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      玻璃幕墻安全解析:單索結構如何確保目前更安

      發布時間:2018-05-29 09:30 瀏覽量:

        1、引言

        我國的建筑幕墻已經走過了30年的光景,并在近20余年逐步發揚光大。在幕墻行業逐步發展過程中,各種生產安裝規范也陸續出臺,加上技術的不斷完善,在一定程度上保障了建筑幕墻的安全性、可靠性,也推動了建筑幕墻行業的發展。然而,由于設計單位和幕墻企業的技術能力上的差異,使得在對各類幕墻在設計和施工不可避免的會在對技術層面上出現認識上的差異。特別是對于在幕墻技術含量較高的索結構玻璃幕墻的生產技術上,還存在不少認識上的差異和經驗不足的情況,需要強調技術重點,以確保工程項目的安全使用。

        本文是以實際工程項目為例,結合單索結構點支式玻璃幕墻特點、形式,從結構的工作原理到節點設計思路和工藝技巧,對單索結構玻璃幕墻的抗風、抗震、溫度變形等各項物理性能的實現和安全保障作深入介紹。

        

      圖1.1、單層索網結構點支式玻璃幕墻實際工程照片

        同時還將國家發明專利技術“索結構幕墻安全保護裝置”的工作原理和使用方法進行講解和介紹。

        2、單層索網結構點支式玻璃幕墻

        單索結構玻璃幕墻在我國已有十五、六年的歷史,比如“哈爾濱國際會議中心”就是建成于2002年9月,是我國第一個平面單層索網玻璃幕墻。其單索網玻璃幕墻高13米,總長540米,采用矩形夾板式支承裝置,鋼索采用ф22mm不銹鋼絞線。其結構是由多個單索網結構單元組成的玻璃幕墻。

        在此之后有諸多的建筑外圍護結構采用了單索結構玻璃幕墻。最有代表性之一的“北京新保利大樓”東北立面玻璃幕墻,其索網結構是由兩根斜拉主索組合成三個相互聯動并拼折的柔索網面, 洞口寬58m高87m,玻璃基本分格為:1300mm×1300mm。經過對一些項目的質量回訪和各方面的了解得知,諸多的單索結構玻璃幕墻使用到今天,其工作狀態良好,索體的內應力變化和面板玻璃的穩定性都能在可控范圍內。但是,也有個別項目已經出現了這樣或那樣的問題。由于個別問題的產生,對有些功能性的問題和安全性的問題也越發廣泛的引起了人們的注意,這就要求我們進一步對單索結構玻璃幕墻的安全可靠性的研究就顯得十分重要。

        

      哈爾濱國際會議中心是我國第一個平面單層索網玻璃幕墻

        2.1.單層索網結構幕墻的概念與工作原理

        單層索網結構玻璃幕墻是索結構點支式玻璃幕墻中的一種類型,其幕墻玻璃面板的支承體系為單層平面索網結構,它可以是一個單索網結構單元組成的,也可以由多個單索網結構組成的玻璃幕墻,(如圖2.1.1)大大節省了支撐結構所用的空間,進一步提高了玻璃幕墻的通透性,對于玻璃幕墻支撐結構來說,是一種全新的受力體系。

        分析單索支撐結構的工作原理也就是要了解單索網平面抵抗風荷載作用時的工作狀態,了解單索網結構作為玻璃幕墻的支撐結構使索網的變形與預應力的關系。索內應力的大小索網平面在抵抗風荷載時各節點的適應能力。

        

      單索網結構的工作原理圖

        在玻璃幕墻平面受外部荷載后,通過玻璃的連接機構將外部荷載轉化成節點荷載P,節點荷載P作用在索網結構上,只要在索網中有足夠的預應力N0和撓度F,就可以滿足力學的平衡條件。當P為某一確定值時,撓度F和預應力N0成反比。即預應力N0值越大,撓度F就越小。F=P/N0。因此撓度F和預應力N0是單層平面索網的兩個關鍵參數,必須經過試驗和計算分析后才能確定。

        

      單層索網體系玻璃幕墻在實際應用中的類型

        在工作原理示意圖上還可以看出,當外部水平荷載P為正值和負值時都是由同一根鋼索來抵抗,其工作效率是雙層索系的一倍。近年來,在單層索網體系玻璃幕墻的實際應用中,按其工作原理出現了單層平面索網玻璃幕墻、單層曲面索網(鞍型)結構玻璃幕墻、單向單索結構平面玻璃幕墻、單向單索結構曲面玻璃幕墻、隱形單向單索結構玻璃幕墻,這些幕墻形式的出現,大大豐富了建筑造型的手段。(如圖2.1.2)

        2.2、單層索網結構點支式玻璃幕墻實際工程案例

        1、北京市聯想融科資訊中心單向單索玻璃幕墻,是在兩幢主樓之間用用懸索結構垂吊的連廊大廳跨度63米,立面采用單向單索結構的點式玻璃幕,單向單索最大受力跨度7m-12m.屋面及墻體由全透明的玻璃組成,通過4根懸索、2根纜風索、31榀聯梁和62根垂直單向索及彈簧裝置構成全柔性維護結構。(如圖2.2-1)

        

      北京聯想融科項目玻璃幕墻采用了單向單索結構

        2、首都圖書館二期單索網結構玻璃幕墻工程是在東、南兩棟樓的立面轉角處設置了一片單層索網結構點支式玻璃幕墻,使其形成一個大的共享空間。由于邊緣支承條件約束玻璃幕墻采用了豎向為主要受力方向,所以立面采用了雙根豎向索、單根水平索形成的索網系統作為玻璃幕墻的支承體系。(如圖2.2-2)

        

      立面采用了雙根豎向索,單根水平索形成的索網結構點支式玻璃幕

        3、北京中青旅大廈單層索網玻璃幕墻工程是在建筑的東、西兩個立面上設計了寬20m×高75m的單層索網結構點支式玻璃幕墻;幕墻立面被水平支撐鋼梁分成20mx14.4m的受力單元,每個立面由五個單層索網結構受力單元組成。(如圖2.2-3)

        

      立面為多個單層索網結構單元構成的點支式玻璃幕墻

        5、北京萬通中心裙樓隱形單向單索結構點支式玻璃幕墻的結構形式采用了隱形布置的索結構,所謂隱形就是將作為支承結構的豎向單索隱藏在兩片中空玻璃之間的縫隙中,在玻璃幕墻的室內、外都看不見結構,其支承結構在受到外部荷載作用時能夠有效的工作。該工程單索結構的受力跨度在8m至13m之間。(如圖2.2-4)

        

      隱形單向單索結構的點支式玻璃幕墻外立面

        2.3、 在索結構支承玻璃幕墻設計中的相關術語

        索結構支承點支式玻璃幕墻在當今已經有了較廣泛的應用,但由于相關的規范和標準還沒有更多的涉及到該幕墻的名稱和相關技術術語,所以在市場上出現了在行業內叫法不規范不統一的現象。下面對索結構支承點支式玻璃幕墻及索結構中的相關術語作一介紹。

        索結構玻璃幕墻:索結構玻璃幕墻是指用索結構作為玻璃幕墻的支承體系的玻璃幕墻。由于玻璃面板一般都采用了點支承的支承方式,所以按幕墻分類的原則,應該叫“索結構支承點支式玻璃幕墻”。

        拉索(tension cable):具有一定預應力的受拉構件,由索體、錨具和防護層組成。

        索體(cable body):拉索受力的主要部分,可為鋼絲束、鋼絲繩、鋼絞線或鋼拉桿。

        索結構(cable structure):由拉索作為主要承重構件而形成的預應力結構體系。

        懸索結構(cable-suspended structure):由一系列作為主要承重構件的懸掛拉索按一定規律布置而組成的結構體系,包括單層索系(單索、索網)、雙層索系及橫向加勁索系。

        張弦結構(structure with tension chord):由上弦剛性桿件與下弦拉索以及上下弦之間撐桿組成的結構體系。

        索穹頂(cable dome):支承在圓形、橢圓形或多邊形剛性周邊構件上,由脊索、環索、撐桿及斜索組成的結構體系。

        索桁架(cable truss):由在同一豎向平面內布置的承重索、穩定索(或前受力索、后受力索)以及兩索之間的撐桿組成的結構體系。

        柔性索(flexible cable):按受力要求僅承受拉力的構件,如鋼絲束、鋼絲繩、鋼絞線及鋼拉桿。

        勁性索(rigid cable):按受力要求,可承受拉力和部分彎矩的構件,如型鋼。

        初始幾何狀態(initial geometrical state):單索懸掛后,在自重作用下的自然形態。

        初始預應力狀態(initial prestress state):索結構在預應力施加完畢后的自平衡狀態,是進行結構荷載分析的基礎。

        荷載狀態(loading state):索結構在外部荷載作用下的平衡狀態。

        不銹鋼絞線(stainless steel strand):由一定數量,一層或多層的圓形不銹鋼絲螺旋絞合而成的鋼絲束。

        節徑比(lay ratio):絞線中單線的捻距與該層的外徑之比。

        捻距(lay length):絞線中的一根不銹鋼絲形成一個完整的螺旋的軸向距離。

        壓管接頭(the swaged fitting):金屬套管與嵌入其內的鋼絞線或鋼絲繩經冷擠壓成型的接頭。

        接頭最小破壞拉力:使接頭處的金屬壓管錨具產生斷裂、裂紋;接頭處的鋼索破斷或鋼索與金屬壓管錨具產生滑移失效的最小拉力,稱之為接頭最小破壞拉力。

        3、索結構玻璃幕墻的設計

        3.1、在索結構設計時要考慮的問題:

        索結構設計應采用極限狀態設計方法,以分項系數設計表達式進行計算。荷載及荷載效應組合應按現行國家標準《建筑結構荷載規范》GB 50009進行計算。

        索結構的計算應包括初始預應力狀態的確定及荷載狀態的計算,索結構的初始預應力狀態確定和荷載狀態分析應考慮幾何非線性影響,不考慮材料非線性。

        索結構的荷載狀態計算應在初始預應力狀態的基礎上考慮永久荷載與活荷載、雪荷載、風荷載的組合;并應根據具體情況,考慮施工安裝荷載、地震和溫度變化等作用。

        索結構計算時,應考慮索邊緣支承結構的相互影響,有條件時宜采用包含邊緣結構的整體模型進行分析。

        索結構設計時,在永久荷載控制的荷載組合作用下,應避免索退出工作;在可變荷載控制的荷載組合作用下,應防止因索松弛而導致結構失效。索截面根據承載力按下式驗算:

        

        索結構玻璃幕墻中的索按受力要求可選用僅承受拉力的柔性索和可承受拉力和部分彎矩的勁性索,柔性索可采用鋼絲束、鋼絞線或鋼拉桿,勁性索可采用型鋼。為保證索結構的整體剛度可采用在索中建立預應力的措施:

        用以支承玻璃幕墻的索結構其索結構形狀的布置和索系的確定,可以根據具體工程項目確定,應考慮到邊緣結構的承受力和穩定性。

        

      索桁架的矢高與跨度簡圖

        索桁架的矢高與跨度之比:在雙層索系索結構點支式玻璃幕墻索桁架中受力索主要是承受風荷載,抵抗正負風壓及水平地震荷載作用下,其布置形式、體型尺寸,索桁架的矢高與跨度比的大小,預應力施加的大小都直接影響索桁架的剛度和幕墻的性能,索桁架的矢高與跨度比是雙層索系工作性能的重要幾何參數,根據索布置的不同形式一般對于玻璃幕墻,索桁架矢高可取跨度的1/10~1/20。

        3.1.1索內預應力值確定時需要考慮的因素

        自初始預應力狀態之后的最大撓度與跨度之比:

        雙層索系玻璃幕墻及曲面(鞍形)單層索網自初始預應力狀態之后的最大撓度與跨度之比不宜大于1/200。單層平面索網玻璃幕墻的最大撓度與跨度之比不宜大于1/45。張弦結構玻璃采光頂的最大撓度與跨度之比不宜超過1/200。

        索內預應力值確定時需要考慮的因素:預應力索結構屬柔性結構,在沒有施加預應力之前索桁架是沒有剛度的,其形狀也不能確定,必須施加適當的預應力才能使索和連系桿賦予索桁架一定的形狀。才能成為承受外荷載的索結構。在給定的邊界條件下,所施加的預應力系統的分布大小和所形成的結構初始形狀是相互聯系的,這是索桁架自平衡內應力系統的建立,如何最合理地確定這一“初始平衡狀態的確定”,這是索網結構設計中的一個關鍵的所在。

        受力索的預應力值確定時需考慮的因素:

        1)所使用地區的風壓值,地震設防指標,體形系數,地面粗糙度等的直接荷載力;

        2)溫度變化應力:

        

        3.2、拉索、索體與錨具

        3.2.1、拉索

        拉索是由索體及兩端的錨具組成的受拉構件。在索結構玻璃幕墻中大量使用的不銹鋼拉索其兩端的錨具叫建筑幕墻用鋼索壓管接頭。

        

      建筑幕墻用不銹鋼拉索

        拉索的索體可采用鋼絲束、鋼絲繩、鋼絞線或鋼拉桿等材料構成。

        拉索兩端錨具的構造應由建筑外觀、索體類型、索力、施工安裝、索力調整、換索等多種因素確定。

        3.2.2、不銹鋼絞線索體強度設計值的計算:

        不銹鋼絞線索體強度設計值按不銹鋼絞線最小破斷拉力的計算方法《建筑用不銹鋼絞線》JG/T200-2007計算最小破斷拉力,公式如下:

        

        3.2.3、溫度變化對拉索索體內力的影響分析:

        溫度荷載對拉索索體內力的影響應按如下公式進行計算:

        

        從以上計算中可以看出溫度變化對索體內力的變化影響很大,所以不論是在對索結構施加預應力的過程中,還是在索結構的工作狀態時預先設定溫度范圍是很重要的。

        4、索結構玻璃幕墻的部分節點設計與構造

        4.1單索結構玻璃幕墻重要節點的設計

        單層索結構玻璃幕墻的平面外變形的大小與索內預應力有著直接的關系。隨著索結構預應力的變化,玻璃幕墻平面外的變形量也隨之變化。 在單向單索結構幕墻設計時可以利用這個原理來解決索體與墻體相對位移過大的問題。

        由于單索的索網結構是靠跨中彎曲變形來支承風荷載的,所以對鋼索的要求和節點的適應變形能力要求及高。理論上只要有風,鋼索就要產生變形,每個索上節點就必須承擔相應的工作來達到整體幕墻的性能。

        

      單向單索結構玻璃幕墻工作狀態示意圖

        在單索網工作示意圖中可以看到,幕墻的玻璃面在受風荷載產生變形時,節點部相對變形角度大在邊部,所以對邊部節點的變形適應能力要求高,此外節點的處理好壞直接影響著幕墻的安全性和使用性能。邊部固定端可以采用活動鉸連接方法(如圖4.1.2-1).

        在調節軸端的設計時應考慮在變形時的適應能力,防止在鋼索與索壓頭結合處產生彎曲,調節端的作用是調節索內應力。

        球形鉸接系統:

        

      單索幕墻邊部球形鉸支座節點圖

        索結構中索與支承結構連接是通過一對球面結構(球座、球頭)實現,此結構隨索拉力方向變化而產生微小的相對位移,避免構件產生附加彎矩,有利于結構安全和安裝。

        4.2索結構玻璃幕墻應力補償裝置

        在索結構玻璃幕墻的設計中,由于每個項目的支承結構體系都有所不同,在設計時為了使索結構玻璃幕墻中的每一根索的內力能夠按設計給定的值實現,減少索結構中每根索之間的內力差,可以在索的端部設置索內應力補償裝置。還能通過彈簧組的彈性變形,減小鋼索因蠕變而產生的應力損失。

        索內應力補償裝置的工作原理:此裝置是安裝在每根索的端部,索內應力的大小是由在端部彈簧系統所產生的內力所決定的,彈簧中彈力是可以預先設定的,是可控、易控的,所以應力補償裝置能使每根索的內力控制在一定的范圍內。(如圖4.2.1)

        

      索結構玻璃幕墻應力補償裝置示意圖

        4.3、索結構玻璃幕墻過載保護裝置

        在索結構玻璃幕墻的設計中,由于每片幕墻的邊緣結構支承體系的條件不同,在一定極限狀態下可能對索結構體系產生影響。如在考慮地震荷載和變形時如索結構的邊緣支撐結構不在一個基礎上,或在兩棟建筑之間設置索結構幕墻時,當地震變形時索結構自身的彈性變形量已經無法適應總變形量時,索結構將產生破壞。為了避免此類問題的發生,使玻璃幕墻實現“小震不壞,中震可修,大震不倒”的原則,可在索結構的端部設置過載保護裝置。(如圖4.3.1)

        索結構玻璃幕墻過載保護裝置的工作原理:在過載保護裝置中,當索的內力在極限狀態,達到一定的內力時使過載保護裝置中的保險部件發揮作用,使彈簧系統進入工作狀態,以此來保證玻璃幕墻支承體系的正常工作。

        

      索結構玻璃幕墻過載保護裝置示意圖

        5、索結構幕墻及采光頂拉索安全保護裝置

        5.1、個別項目在實際工程中出現的的安全問題

        索結構玻璃幕墻在實際工程中出現的安全問題,主要表現在不銹鋼接頭螺紋處斷裂、索錨固接頭與索體之間滑移、索體跳絲等現象。索結構玻璃幕墻的豎向吊重索,在不銹鋼接頭螺紋處斷裂。

        

      玻璃在固定節點處產生滑移已經不能起到固定作用

        索結構玻璃幕墻在實際工程中出現的安全問題,主要表現在不銹鋼接頭螺紋處斷裂、索錨固接頭與索體之間滑移、索體跳絲等現象。 由于單向單索結構的主索在頂部節點索頭處斷裂,造成玻璃在固定節點處產生滑移。索結構玻璃采光頂的主索斷裂已經退出工作狀態。

        

      索結構玻璃采光頂在不銹鋼接頭螺紋處斷裂

        5.2、拉索安全保護裝置

        在充分分析能引起索結構玻璃幕墻安全隱患原因后,針對單索結構玻璃幕墻的構造和受力特點,并結合實際工程案例,設計發明了一套專門針對索結構玻璃幕墻及采光頂拉索系統的安全保護裝置,其最大特點是在鋼索或索端頭錨具(索套管接頭)發生斷裂時的瞬間就可以對索體起到固定作用。

        

      使用在玻璃幕墻上的拉索安全保護裝置

        確保索結構玻璃幕墻或采光頂在索結構出現斷裂時不產生玻璃幕墻傾覆的現象。大大提高了索結構玻璃幕墻的安全度。

        這套系統使用靈活安裝方便,可以在索結構安裝時同時安裝,也可以在索結構已經安裝完成后加裝這套系統。同時還適用于既有索結構玻璃幕墻的索結構加裝。

        索結構幕墻及采光頂拉索安全保護裝置:【專利號為:ZL 2008 1 0024545.0】本發明索結構幕墻及采光頂拉索安全保護裝置是一種適用于玻璃幕墻工程和玻璃采光頂工程領域中,單層、單向索結構支承的拉索安全保護裝索結構幕墻及采光頂拉索

        

      對出現斷索現象的既有索結構玻璃幕墻進行安全維護和修復

        安全保護裝置作用:在拉索構件因過載或其他原因導致拉索壓管接頭(錨固端)破壞后,安全保護裝置開始起作用,讓豎向拉索繼續保持正常工作狀態,玻璃板塊不致因豎向拉索破壞而高處傾覆脫落,傷及人員,提高幕墻的安全性能,為后續維修贏得時間。

        6、結束語

        索結構支承點支式玻璃幕墻,在近年來愈來愈多的使用在現代建筑中,從雙層索系到單層索網、單向單索、隱形單索,從平面玻璃幕墻到曲面玻璃幕墻,從立面索結構玻璃幕墻到索結構玻璃采光頂,應用范圍越來越廣。在建筑幕墻市場上能夠對索結構玻璃幕墻進行設計與施工的單位也多了起來。大家也都通過自己的實踐經驗總結了不少的工藝方法,并應用在實際工程中。但是我們應該注意索結構玻璃幕墻是一種預應力結構支承的幕墻,對其安全度的考量極為重要,特別是在相關的國家規范和標準還不全面時,更應該對每一片索結構玻璃幕墻在設計和施工中都要給予足夠的重視。

        參考文獻

        [1] 《索結構技術規程》報批稿,建設部標準,2011

        [2] 王德勤,索結構玻璃幕墻用索桁架的構造與設計,《建筑技術》,北京 2003

        [3] 王德勤,點支式玻璃采光頂應用技術探討,《2010年全國鋁門窗幕墻行業論文集》, 第6篇,49-66頁

        [4] 王德勤,曲面索結構玻璃幕墻承載性能探討,幕墻設計,北京2010

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