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空间索结构在双曲面玻璃建筑造型中的应用

随着空间索结构玻璃幕墙的设计与施工技术的发展,许多新思想、新技术、新材料和新工艺被开发出来,并成功应用到幕墙设计和制造上,从而使建筑幕墙在近年来获得飞速的发展,在建筑造型上得到了广泛的应用。

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作为不断发展中的前沿建筑技术,索结构是一种活跃的结构类型。工程师充分发挥钢材抗拉性能好的特性,利用包括钢棒、扁钢、高强度冷拉钢丝编织而成的钢索等材料,布置出空间张拉结构体系。而人们根据不同的需要,在不同空间形态下表现出迥异的结构特点。

点支式玻璃连接技术因安全可靠的连接构造,广泛应用于大跨度建筑空间。其支承体系可灵活布置,并朝着大尺度、轻型化的方向发展。已从刚架、桁架、网架、玻璃肋等刚性支承体系,发展到目前大量使用的基于预应力张拉技术的柔性支承体系。柔性结构体系与点支式玻璃结合使用,将二者轻盈、通透的共性发挥到极致,使建筑内外空间自然和谐的融为一体。

在实际工程中,空间曲面玻璃面板的支承结构系统,除异型钢结构外也可以通过索、 杆的空间合理布设,将钢索摆放出个性鲜明的造型,形成合理的受力体系通过点支式玻璃连接系统来支承双曲面玻璃面板。

1.1 双曲面玻璃建筑造型概况
北京长安中心位于北京市西城区南闹市口大街,建筑面积为 ,地下三层,地上十四层,檐高 ,结构类型为钢筋混泥土筏板基础,框架剪力墙结构。 双曲面玻璃建筑造型立面是不规则双曲面玻璃与两侧直立面幕墙以及顶部玻璃采光顶组合而成。

该项目是于2005年1月开始进场施工的,从结构安装到玻璃安装经过了五个多月的安装过程,完成了全部安装内容。在此过程中,我们对支承体系中的水平索桁架进行了1:1的荷载试验,对曲面上的单向单索幕墙部分进行了抗风压、气密、水密、平面内变形等物理性能进行了专项论证,确保其安全性能。该项目经过2005年至今整七年使用,性能和状态良好,在此期间该项目经过了春夏秋冬、风雨、冷热等大自然的考验,仍然保持着很好的工作状态。(如图1.1)

 


1.2、双曲面索结构玻璃幕墙结构构造特点
北立面入口两侧各采用一榀36.18m高的空间弯曲三角钢管桁架立柱,在立柱上部架设一榀24m跨度的空间弧形三角钢管桁架横梁;从地面往上7.9m布置第一道鱼尾式水平拉索桁架,然后依次每隔6.9m布置三道鱼尾式水平拉索桁架,拉索材质为高强铝包钢绞线;竖向从上至下每隔适当距离布置单根不锈钢拉索,拉索上、下两端分别与三角钢管桁架横梁以及地面土建结构相连接,中间贯穿水平拉索桁架;采光顶靠近土建结构处同样布置有一道空间三角钢管桁架横梁以整个幕墙结构自成体系,从而将幕墙结构产生的附加内力消耗在结构自身内部,只将水平风荷载以及竖向自重、地震荷载等传递给土建结构(如图1.2a、b)。 可以看出,本方案结构布置合理,传力路径清晰;所用杆件较少,大多为钢索,通透性好,索系造型优美,视觉效果良好,体现了本工程的新颖性和独创性。

 

 

2、索结构的设计思路
建筑物北立面主入口采用结构形式新颖的大面积大跨度的柔索玻璃幕墙。结构由横向水平钢索桁架与竖向单索以及轻型钢结构组合形成承受幕墙荷载的索网结构,索网结构可靠的固定在主体建筑结构上。结构标高为36.430,共十一层,在三、五、七、九层布置水平索桁架(如图2-a、c),其水平跨度为24m。竖向为单向单索支承最大垂直跨度为8m(如图2-b),幕墙结构的受力特征为竖向单索首先承受水平风荷载,再传递给横向水平钢索桁架,由横向水平钢索桁架交给钢结构,最后传递到地面或者建筑主体结构(如图2-c、d)。

对于水平索桁架:三层选用两根同时受力的φ30铝包钢绞线,五层选用两根同时受力的φ32铝包钢绞线,七层选用两根同时受力的φ34铝包钢绞线,九层选用两根同时受力的φ34铝包钢绞线;竖索选用φ22不锈钢钢绞线。

  2.1、幕墙结构的受力特征及力的传递途径
  水平荷载作用在玻璃上,通过连接件传递给竖向单索,竖向单索对将水平力传递给水平鱼尾式索桁架上,水平索桁架又通过斜向撑杆和边部节点将水平力传递给建主体结构。(如图2.1)
由于主体结构的每一层楼板只能承担水平力,不能承担竖向荷载,所以我们在顶部钢桁架与主体结构连接处设置了铰接机构,又在每一层楼板与钢结构连接处设置了可竖向滑动机构,使幕墙的竖向力传递到地面。

重力荷载:幕墙自重→索网夹具→钢索拉力→ 建筑主体结构→建筑基础→地面。

风荷载:风荷载→玻璃面板→索网夹具→幕墙竖向索→水平索桁架→水平斜向撑杆→建筑主体结构→建筑基础。

钢索预拉力和温度、施工活荷载: 钢索预拉力→幕墙钢桁架→建筑主体结构→建筑基础→地面。

2.2、结构计算
  由于本工程的结构新颖独特性,受力、传力较为复杂,我们对支承结构做了整体计算,并对受力和传力的各项节点都进行了计算分析,特别是对连接节点处,大到钢桁架的脚座支点,小到耳板、钢轴销都全面进行了受力分析和详细的计算,特别是对索桁架和钢桁支承系统采用有限元计算程序Ansys进行整体建模计算的同时又对关键节点处建实体模型,进行受力计算分析,确保本工程的安全性。(如图2.2-a、b、c、d)
正风压标准值作用下结构计算

  2.3、节点设计
  由于本项工程的外形是采用不规则的双曲面体,支承结构又是不对称的鱼尾式索桁架和竖向单索结构,再加上主体结构只能承担水平荷载不能承受竖向力,这就要求每个节点够造都要适应结构性能的要求,下面介绍几个特殊节点的设计:

2.3.1、索桁架斜向水平撑杆的设计:按着够造的要求,每榀水平索桁架都有两根斜向水平撑杆作为主要承压杆件,将幕墙的大部分水平荷载传递给主体结构,但由于撑杆的轴心线与索桁架的受力索及联系杆的轴心线在一个平面上,必然有相交的问题,我们采取了在撑杆与索杆相交处开孔和局部加强的办法解决了这一够造上的难题。(如图2.3.1-a、b)

  2.3.2、在处理竖向三角桁架的底部节点时,充分的考虑到结构的够造要求和美观性在角柱上采用了有造形的铸钢件。(如图2.3.2-a、b)

  2.3.3、竖向索的顶部节点比较复杂,由于受力变形的要求钢索与钢桁架的连接节点必须能够在钢索受水平荷载变位时自由转动,同时又要能吸收索材料的轴向长度误差和安装误差。我们在此处安装了球形脚支座和误差调节器。(如图2.3.3)

  2.3.4、由于水平索桁架的钢索内力极大,在设计时采用了双索同时受力的方案。为了解决双拉索与杆的在工作状态时能牢固连接又能相对位移,设计了特殊节点(如图2.3.4-a、b、c)。

  2.4、预埋件的处理
  由于本工程的特殊性,水平索桁架的主受力索和斜向水平撑杆传递给主体结构的支座反力极大,水平前索的预拉力为358KN,后索的预拉力为798KN,在最大荷载时后索的内力为1080KN,斜向撑杆的压力为495KN,所以对在主体结构上的预埋件的受力提出了很高的要求。我们根据严格的计算和现场的实际情况,在每一榀水平索桁架连接的楼板处设置了整体预埋钢架,确保幕墙在受最大荷载时的安全度。(如图2.4-a、b)

  3、主要材料选用
  本工程幕墙形式新颖,建筑功能和建筑艺术要求高,因此在材料选用上予以特别考虑,确保幕墙性能达到设计要求。

3.1、幕墙玻璃的选用
  玻璃种类采用10(FT)+1.52PVB+8(FT)钢化夹胶玻璃钢化玻璃均进行二次热处理(均质处)。由于本工程的外立面是由多片平板玻璃拼成的一个不规则的双曲面体形,所以每片玻璃的外形尺寸都不一致,玻璃分割的基本尺寸为1710mm×1725mm,我们在下料过程中采用了CAD三维图辅助和现场放样相结合的办法确保每片玻璃的尺寸精度。由于整体立面是双曲形的,用平板玻璃进行折线安装时玻璃必然会有一个角翘起,为了不让翘起部分影响视觉效果,在玻璃分片尽可能的采用外形尺寸的变化来保证翘起度的一致,并对每一个玻璃接缝都进行三维图模型校核。(如图3.1)

  3.2、结构钢材
  由于索结构的支座反力是由边部的钢结构承担的,考虑到结构的安全性和经济性在选材时,大部分钢结构材料的材质为Q235-B,对于主要受力柱和顶部的曲线三角桁架采用了材质为20号钢的厚壁无缝钢管,特别在受力最大的曲线钢管立柱的上半部分采用了壁厚为20mm的无缝钢管,同时又对主要受力点进行了局部加强。

由于边部钢结构支撑桁架是由直径不同的圆形钢管拼接成形的,大部分节点为焊接刚性节点,为保证曲形钢架在成形后安全可靠尺寸精准,对每一个相贯线切口都采用了五轴相贯线切割机自动切割成形保证了相贯对口的准确性和焊口坡度。(如图3.2)
 3.3、钢索的选用
  竖向钢索采用直径为22.5mm的不锈钢绞线,不锈钢钢丝材质采用304奥氏体不锈钢。类型为1x61,每根钢丝的直径为2.5mm。不锈钢拉索的性能参数要求如下:

弹性模量:E=(1.3+0.1)X105 MPa
屈服强度:fy=1450 MPa
横向水平拉索采用高强铝包钢绞线。钢索直径24—36mm.类型为1x61,每根钢丝的直径3.78mm,外包铝的厚度不小于钢索直径的10%。铝包钢绞线的性能参数要求如下:

弹性模量:E=(1.5±0.1) X105 MPa
屈服强度:fy=1670 Mpa ; 线膨胀系数:α=1.3X10-5
4、水平索桁架的荷载试验
  当确定了水平索桁架的基本和体型后,在结构整体计算结果的基础上,为能确保其使用时的安全性,我们采用了1:1的实体水平索桁架作静力荷载试验,将试验结果与计算结果进行对比、分析,最终确定水平索桁架的稳定性和可行性。(如图4.1-4.2)

  5.2、控制点的确定
a)主控点的确定
  为测量准确、方便、直观,采用内控法。设定11轴、20轴与P轴的交点为东、西楼的内主控点,15轴17轴与P轴的交点为外主控点,在主控点位置上设置主控点标志。(如图5.2)

  b)边缘控制点的确定
  选取幕墙边缘外形定位关键点作为边缘控制点。

 C) 控制单元及精度控制点的确定
  为减少安装尺寸的积累误差,有利于安装精度的控制与检测,将幕墙分成多个控制单元,每个单元以九宫格的形式划分九宫格的边缘四个光点就是每个九宫格中九片玻璃的尺寸精度控制点。从测量放线到结构安装调整,玻璃安装调整定位都应按每个单元来进行尺寸控制。

 5.3、水平索桁架的张拉施工
(1)张拉工作平台
  各层张拉工作平台利用工作施工脚手架上铺设木板搭设而成。平台高度与索水平标高相同,在平台上设定水平正负索五个定位定型点的位置,各定位点由在地面上放样确定的各层水平坐标通过激光铅锤仪指向定位点给出。

(2)水平索的布设
  将水平索吊送到施工平台后展开,使索通过平台上相应各定位点后两个端部与端部连接耳板初步连接固定。安装正负索之间各平行的连接杆并初步固定。平行连接杆正负索上的连接位置由计算确定,并在地面上放样给出的各层水平坐标通过激光铅锤仪指向定位点给出。使用力矩扳手初步张拉前、后索,使索的预应力达到设计值的20%。

调节各平行连接杆的长度,调节量由施工指导手册给出,该值为计算得出的调节值。使得前、后索预应力达到设计值的80% 。调节时各平行连接杆应同时进行并分次逐级进行,并注意观测外部正索各定位点及支撑钢结构体系的变化情况。调节各平行连接杆的两端使之到达设计的定位坐标位置。

(3)、竖向索的布设
  牵引竖向索通过各相应得水平索上的连接点并初步固定。同步施加各竖向索的预应力达到设计值的20%。调节各连接点的定位位置。观测个水平索内力的变化。

同步施加各竖向索的预应力达到设计值的80%。调节各连接点的定位位置使之达到设计精度。

(4)、索网系统得调节
  施加预应力使水平索的预应力达到设计值,即100%;施加预应力使竖向索的预应力达到设计值,即100%;调节各连接点的定位位置使之达到设计精度并锁定。使用索内力检测仪进行72小时索内力监测,记录各索的内力变化及最终预应力。