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再谈索结构点支式玻璃幕墙的设计与施工技术(上)

来源:2012年会论文集  作者:王德勤  日期:2012-7-9
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提要:以大量的索结构玻璃幕墙工程为例,从基本术语、索结构的设计取值、拉索材料的设计选材到索型索系的设定,对钢绞线的加工制作工艺方法进行分析介绍,有助于设计人员全面了解索结构设计时的相关知识,同时也分析了部分重要节点和构造的原理,介绍了在索结构施工安装时的控制方法。
关键词:索结构点支式玻璃幕墙,相关术语,索结构设计,索体与锚具,索结构玻璃幕墙应力补偿装置,过载保护装置。
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  1  索结构玻璃幕墙概念
  我国的建筑幕墙经过了三十年发展,特别是近二十年建筑幕墙在各大工程项目上的广泛应用,使得各项技术都逐步成熟,相关各类幕墙的标准、规范也都纷纷出版。对现代幕墙从设计、加工制作到施工技术质量都有了相应的要求和规范,使得设计单位和幕墙公司在进行新项目的设计、施工时有章可循。在一定程度上保障了建筑幕墙的安全性、可靠性,也推动了建筑幕墙行业的发展。然而,由于设计单位和幕墙企业的技术能力上的差异,使得在对各类幕墙在设计和施工不可避免的会在对技术层面上出现认识上的差异。特别是对于在幕墙技术含量较高的索结构玻璃幕墙的生产技术上,还存在不少认识上的差异和经验不足的情况,需要强调技术重点,以确保工程项目的安全。

  本文也只针对索结构玻璃幕墙在设计中要考虑的事,按自己在多年对此类幕墙的设计经验,结合本人在编写相关国家标准、规范时对技术条款的理解进行探讨。

  1.1  双层索系支承点支式玻璃幕墙
  索结构的选型应根据建筑物的功能与形状,综合考虑材料供应、加工制作与现场施工安装方法,选择合理的结构形式、边缘构件支承结构,设计时应保证结构的整体刚度稳定性

  索结构点支式玻璃幕墙是指用索结构作为玻璃幕墙的支承体系的点支式玻璃幕墙。是目前点支式玻璃幕墙的最新型,是近些年来在国际上流行的幕墙形式,其科技含量很高,设计、施工难度很大,但同时也是最有现代感及富生命力的一种玻璃幕墙形式。其支撑结构是钢丝索通过合理布设,经过施加预拉力后所形成的预应力索结构。按工作状态可分为双层索系和单层索系
  1.1.1  索结构玻璃幕墙的索结构选型
  这种幕墙的支撑系统为预应力双层索体系,其承载能力强,轻盈美观,通透性好,结构简单形式多样,视觉效果及佳。(如图1.1.1-1)

  双层索体系是由一系列凸凹曲线(钢绞线)和他们之间的连系杆(悬空杆)所组成。双层索系的前、后拉索和联系杆一般都布置在同一平面内,其外形和受力特点类似于传统的平面钢桁架所以又可称双层索体系为索桁架。

  索桁架的索布置形式可以是多种多样的,都能够通过施加预应力来达到稳定的支撑作用。因索桁架的钢绞线和节点都是裸露的展现出来,在设计中除了要全面的考虑其受力性能外,还应用艺术的眼光去看索桁架的体形,可以将各种索桁架的索布置形式视为抽象的语言符号,好似美术家们给色彩确定个性特证一样,使每一种索的布置形式有个性,能与建筑师对建筑物主题思想相呼应,这样才能使索结构点支式玻璃幕墙在整体建筑中起到突出主题或画龙点睛的作用。

  双层索系点支式玻璃幕墙的索桁架在布设时,可以根据建筑的需要和边缘结构的要求,将索桁架竖向布置或水平布置,其结构体系都能有效支承幕墙的面板玻璃。

  下面利用简图对双层索系点支式玻璃幕墙的索桁架在受水平荷载时的受力分析。

  如(图1.1.1-2)所示,在玻璃幕墙平面受外部水平荷载后通过玻璃的连接机构将外部荷载转化成节点荷载P,节点荷载P作用在索桁架结构上,只要在索桁架中有足够的预应力索桁架中的后受力索通过腹杆来抵抗正荷载P,此时索桁架产生一定的变形量(如图中虚线所示)。当水平荷载为负值时前受力索通过节点来抵抗负水平荷载-P。当P为某一确定值时,挠度和预应力成反比。即预应力值越大,挠度就越小;挠度和矢高成反比,即矢高值越大,挠度就越小。因此挠度和预应力、矢高是双层索系点支式玻璃幕墙的索桁架的关键参数,必须经过严格的计算分析后才能确定。

  1.1.2  双层索系点支式玻璃幕墙实际工程案例:

  双层索系点支式玻璃幕墙在索结构玻璃幕墙中是使用最广泛、适用性最强的一种索结构形式。

  1.南京江苏信息大厦建筑面积13000平方米,建筑高度167米,共36层。每三层一.个空中花园,玻璃幕墙采用竖向鱼腹式索桁架支承点支式弧形玻璃幕墙,采用了高透明弯钢化夹胶玻璃,每榀索桁架的竖向跨度为13米,在索桁架的2/3处设置了索桁架的平面外稳定装置。(如图1.1.2-1)

  2.深圳少年宫的点支式玻璃幕墙的形式为,圆柱曲面竖向预应力索桁架点支式玻璃幕墙,索桁架为鱼尾式竖向受力体系。该幕墙在索结构施工过程中采用了超张拉的方法,使每榀索桁架内预应力均衡。

  3.南京国际会展中心水平布置的索结构点支式玻璃幕墙。该幕墙的索桁架为水平布设,在每一个索桁架节点处由竖向钢桁架支承,从上到下的每一榀水平索桁架都由两组竖向稳定索相连,使每榀索桁架的平面外稳定。

  4.山东寿光文化中心双层索系点支式玻璃幕墙建筑的偏东立面,为预应力自平衡索桁架结构点式玻璃幕墙。建筑的偏北立面为水平布置索桁架结构点式玻璃幕墙。为解决这两个立面玻璃幕墙在受荷载时转角立柱的稳定性,在转角立柱上设置了预应力自平衡弓形索结构玻璃幕墙支承系统。(如图1.1.2-4a)

  山东寿光文化中心双层索系点支式玻璃幕墙建筑的北立面为平面索桁架结构点式玻璃幕墙。(如图1.1.2-4b)

  5.北京中海广场裙楼空间索结构支承点支式玻璃幕墙。其玻璃面板是由马鞍型索网加竖向吊重索形成的空间索结构通过点支承装置固定的。充分利用了不锈钢索在空间结构上的体型特点,为这片玻璃幕墙增加了不少形式美感。

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