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中國(guó)五礦商務(wù)大廈單層索網(wǎng)幕墻設(shè)計(jì)與施工

 http://www.shushitongpu.cn    發(fā)表日期:2011-4-26 13:49:35  蘭格鋼鐵
0引言
  單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)是近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的一種新型幕墻結(jié)構(gòu),在建筑上營(yíng)造一種輕盈通透和內(nèi)外交融的高透視覺(jué)效果,結(jié)構(gòu)上具有很強(qiáng)的變形適應(yīng)能力,尤其適用于大空間的公共建筑,具有廣闊的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。
  0.1 單層索網(wǎng)玻璃幕墻的受力特性
  單層索網(wǎng)玻璃幕墻結(jié)構(gòu)包括預(yù)拉力拉索、夾具系統(tǒng)、玻璃面板三個(gè)部分,其中,玻璃的四個(gè)角點(diǎn)通過(guò)夾具與拉索連接,玻璃與玻璃之間采用硅酮密封膠嵌縫。其傳力途徑為:風(fēng)荷載和地震荷載→玻璃面板→夾具→拉索→主體結(jié)構(gòu)或基礎(chǔ)。單層索網(wǎng)體系是由兩向正交的鋼索構(gòu)成的平面或負(fù)高斯曲面受力體系,其中單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)不具有平面外剛度,只有當(dāng)產(chǎn)生平面外位移時(shí)才能抵抗平面外荷載的作用,平面外的剛度是依靠索網(wǎng)預(yù)拉力的二階效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的;而且,隨著荷載的增加,結(jié)構(gòu)變形越大,抵抗荷載的能力越強(qiáng),表現(xiàn)出較明顯的幾何非線性特征。
  1 工程概況
  中國(guó)五礦商務(wù)大廈A樓高121.3m,共32層,平面呈矩形,為了使建筑物內(nèi)部形成封閉明亮的中庭, 在西立面上設(shè)置單層網(wǎng)玻璃幕墻,該幕墻輪廓尺寸14.5m*115m,由水平向索和豎向索正交布置,構(gòu)成2.0*1.85m的索網(wǎng)格,是目前國(guó)內(nèi)單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)跨度最大的工程。
  2 結(jié)構(gòu)選型和設(shè)計(jì)
  本工程中單層索網(wǎng)幕墻的橫向拉索跨度為14.5m,左右兩端均連接在豎向鋼結(jié)構(gòu)柱上,鋼結(jié)構(gòu)柱通過(guò)轉(zhuǎn)接件將外荷載傳遞給主體混凝土柱;豎向拉索跨度115m,上端可靠連接在頂部鋼桁架上,下端連接在門框鋼結(jié)構(gòu)上,豎向索貫通支撐在橫向鋼梁上;由于混凝土柱本身特性決定了不宜承受較大的水平拉力,不宜把橫向索設(shè)計(jì)成主受力索,而豎向索的跨度比較大,如果做為主受力索,則豎索的截面會(huì)非常大,工程造價(jià)較高。
  本工程設(shè)計(jì)中,沿高度方向每14.8m設(shè)置一道橫向鋼梁形成索梁結(jié)構(gòu)體系,以增加結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度,采用剛?cè)峤Y(jié)合的混合張拉結(jié)構(gòu)體系。橫向鋼梁具有一定的抗彎剛度,其兩端與左右鋼立柱連接,并與各豎向索在相交處連接,與索網(wǎng)共同承受平面外的變形,同時(shí)豎向索的計(jì)算跨度和橫向索的計(jì)算跨度比較接近,按雙向受力進(jìn)行設(shè)計(jì),大大地改善了整個(gè)索網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系的受力性能,同時(shí)整個(gè)幕墻體系的外觀效果好,施工工藝簡(jiǎn)單。

  橫向鋼梁采用材質(zhì)Q235B的300*400*15箱型鋼梁,表面氟碳噴涂處理;頂部鋼桁架采用材質(zhì)Q345鋼,表面氟碳噴涂處理。
  3.3拉索
  橫索選用Ф26mm和豎索選用Ф34mm的不銹鋼鋼絞線,具體參數(shù)如下表所示:

  4 單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)計(jì)算基本原理

  4.2索變形協(xié)調(diào)方程
  索的平衡方程只反映出了某一特定狀態(tài)下,q、x、H三者之間的關(guān)系,而不能考慮狀態(tài)的變化過(guò)程,因此必須在索由始態(tài)過(guò)渡到終態(tài)的過(guò)程中,考慮索的變形和位移情況,建立索的變形協(xié)調(diào)方程。

5 單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)計(jì)算

  5.2 計(jì)算模型
  采用有限元軟件Ansys軟件對(duì)單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬分析,拉索的預(yù)拉力經(jīng)過(guò)反復(fù)試算后確定,橫向索預(yù)拉力為100KN,豎向拉索預(yù)拉力為100KN。對(duì)結(jié)構(gòu)在ANSYS軟件中,采用如下考慮[7]:
 。1)分析類型:非線性結(jié)構(gòu)、靜態(tài);
  (2)單元類型:拉索采用只拉單元LINk10,橫向鋼梁采用Beam188單元;
 。3)材料本構(gòu)模型假設(shè)為理想彈性材料,符合HOOKE定律;
 。4)邊界條件:豎向索與頂部鋼架和門框鋼結(jié)構(gòu)均為鉸接,橫向索與豎向鋼結(jié)構(gòu)柱為鉸接;
 。5)荷載以集中力形式施加在模型上;
  (6)地震荷載由軟件自動(dòng)施加;

  6 夾板螺釘預(yù)緊力的計(jì)算
  6.1連接和傳力途徑
  螺釘受到水平方向的風(fēng)荷載、地震荷載和防止豎向自重下滑的預(yù)緊力,玻璃自重通過(guò)壓塊1直接傳遞給豎向索,用2個(gè)M10不銹鋼螺釘把壓塊2和壓塊1鎖緊固定在豎向索上;然后再用2個(gè)M10不銹鋼螺釘把壓塊2和壓塊3鎖緊固定在橫向索上。所有荷載均利用壓塊與索的預(yù)緊力,以摩擦力的形式傳遞。

 。5)考慮玻璃自重對(duì)索網(wǎng)結(jié)構(gòu)豎向變形的影響,根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析結(jié)果,反調(diào)整夾具的位置,以確保玻璃安裝到會(huì),夾具恢復(fù)到設(shè)計(jì)位置;并根據(jù)計(jì)算的螺釘所需預(yù)緊力值,擰緊夾具上的所有螺絲,直至夾具達(dá)到最佳受力狀態(tài)。
  (6)玻璃安裝從上到下進(jìn)行,待玻璃全部安裝完畢后,在自重作用下,夾具達(dá)到設(shè)計(jì)位置。
  按照以上的施工順序,當(dāng)索網(wǎng)幕墻全部完成后,近地面處的豎向索拉力與計(jì)算的結(jié)果基本一致,表明整個(gè)單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)計(jì)算分析是精確、可靠的。
  8 結(jié)論
  1、隨著跨度的增加,索中內(nèi)力及支座反力都會(huì)相應(yīng)增加,從而增加了邊緣構(gòu)件處理的復(fù)雜性,因此對(duì)于大跨度的單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu),沿長(zhǎng)跨方向設(shè)置剛度較大的支撐結(jié)構(gòu),以減少索和索網(wǎng)的計(jì)算跨度,是增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度的有效措施之一。設(shè)置的支撐結(jié)構(gòu)形式除應(yīng)根據(jù)建筑造型的要求外,還應(yīng)使其受力合理,尤其應(yīng)使其具有足夠的側(cè)向剛度。
  2、采用有限元軟件ANSYS,對(duì)單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力非線性整體計(jì)算分析,計(jì)算結(jié)果與施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致,表明采用的計(jì)算方法及參數(shù)是精確、可靠的;同時(shí),計(jì)算結(jié)果為大跨度單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)施工工藝的合理制定提供了重要的依據(jù)。
  3、對(duì)單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用、結(jié)構(gòu)計(jì)算和施工控制過(guò)程進(jìn)行了全面的分析,對(duì)今后類似工程的研究和應(yīng)用提供了重要的參考價(jià)值。(賀玉珍 曹繼明 余長(zhǎng)江 花定興)

 

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