金成大廈采光頂平面雙向單層柔性網(wǎng)索結(jié)構(gòu)采光頂設(shè)計(jì)
金成大廈采光頂幕墻工程的設(shè)計(jì)及施工
見《建筑結(jié)構(gòu)》2009年7期
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一下為初稿
【摘 要】 金成大廈屋面采光頂雙向單層柔性網(wǎng)索結(jié)構(gòu)幕墻設(shè)計(jì)，分析了預(yù)埋件的計(jì)算、雙向單層柔性網(wǎng)索結(jié)構(gòu)計(jì)算、理論分析和施工方法，并通過有限元分析和施工位移控制進(jìn)行了驗(yàn)證。
【關(guān)鍵詞】雙向單層柔性網(wǎng)索幕墻、結(jié)構(gòu)計(jì)算、施工位移控制
1， 工程概況
新建的金成大廈工程位于北京市金融街，建筑幕墻面積為27000㎡，由可拆卸通槽式鋁合金掛件石材幕墻、單元框式玻璃幕墻、單索幕墻（門頭部位）、鋁板幕墻和采光頂雙向單層柔性網(wǎng)索結(jié)構(gòu)幕墻。其中在屋面中庭部位采用了雙向單層柔性網(wǎng)索點(diǎn)式玻璃幕墻，面積為420㎡，本工程的采光頂是國內(nèi)外最大的采用雙向單層柔性網(wǎng)索結(jié)構(gòu)幕墻工程。
2， 幕墻簡介
本工程7層～18層中心區(qū)域設(shè)有中庭（尺寸為15m×25m），在18層標(biāo)高處設(shè)置玻璃采光頂，見附圖(1).采光頂采用平面雙向單層柔性索網(wǎng)支承（網(wǎng)索分格尺寸為1910㎜×1500㎜，見附圖1-1）。拉索分別采用φ28㎜（橫向）和φ24㎜（縱向）不銹鋼鋼索，采用1×61不銹鋼鉸線，初始張拉應(yīng)力為250N/㎜2。
采光頂玻璃面板采用點(diǎn)支承中空玻璃10㎜(LOW-E)+12A+8㎜+1.14PVB+8㎜，玻璃由雙向單層索網(wǎng)豎向桿支承。
3， 平面雙向單層柔性索網(wǎng)控制目標(biāo)
（1）承載力要求：單根索的最大設(shè)計(jì)索力不超過索體最小破斷力/1.8；
（2）變形要求：在（0.9×預(yù)應(yīng)力+1.0×自重）變形狀態(tài)基礎(chǔ)上，后續(xù)相對變形限值按L/120控制，L為索網(wǎng)短向（橫向）的跨度；在吸風(fēng)荷載作用下，索網(wǎng)不會出現(xiàn)上撓變形。
（3）索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的豎向位移要求：為保證整個(gè)玻璃頂面達(dá)到預(yù)設(shè)的建筑造型要求，索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的豎向變形值不等，根據(jù)索網(wǎng)（1.0預(yù)應(yīng)力+1.0玻璃及連接件自重）作用下的變形以及玻璃面板的排水坡度5％確定網(wǎng)索與玻璃之間的支承桿件的長度。
4， 作用和作用組合
（1）基本作用情況
·玻璃面板及安裝附件自重：0.026×25.6+0.01＝0.6756 KN/ ㎡
·施工荷載取0.5 KN/㎡，雪荷載按50年一遇的雪壓計(jì)算，取0.4 KN/㎡，同時(shí)考慮半跨（長跨）不利布置。
·風(fēng)荷載按50年一遇考慮，基本風(fēng)壓取0.45 KN/㎡，風(fēng)振系數(shù)取1.6，風(fēng)壓高度變化系數(shù)按D類地面取1.02，風(fēng)荷載體型系數(shù)：壓風(fēng)時(shí)取0.2，吸風(fēng)時(shí)取-0.6。所以，風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值：壓風(fēng)為0.1469 KN/㎡，吸風(fēng)為-0.4406 KN/㎡。
· 溫度作用按升溫+300C，降溫為-150C，進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)溫度作用的分項(xiàng)系數(shù)取1.2。
·地震作用。由于本工程索網(wǎng)采光頂自重較輕，地震作用工況不起控制作用。不進(jìn)行地震作用的計(jì)算。
（2）作用組合
①承載力驗(yàn)算時(shí)，作用組合工況
·工況1：1.0×預(yù)應(yīng)力+1.2×自重+1.4×施工活載+1.4×0.4×壓風(fēng)+1.2×0.7×降溫
·工況2：1.0×預(yù)應(yīng)力+1.2×自重+1.4×施工活載+1.4×0.6×壓風(fēng)+1.2×0.49×降溫
·工況3：1.0×預(yù)應(yīng)力+1.2×自重+1.4×0.7×施工活載+1.4×0.4×壓風(fēng)+1.2×降溫
·工況4：1.0×預(yù)應(yīng)力+1.2×自重+1.4×半跨雪載+1.4×0.4×壓風(fēng)+1.2×0.7×降溫
·工況5：1.0×預(yù)應(yīng)力+1.2×自重+1.4×半跨雪載+1.4×0.6×壓風(fēng)+1.2×0.49×降溫
·工況6：1.0×預(yù)應(yīng)力+1.2×自重+1.4×0.7×半跨雪載+1.4×0.4×壓風(fēng)+1.2×降溫
·工況7：采用工況1～工況6中的最不利工況，預(yù)應(yīng)力系數(shù)調(diào)整為1.1。
②吸風(fēng)荷載下承載力和變形驗(yàn)算時(shí)，作用組合工況
·工況8：0.9×預(yù)應(yīng)力+1.0×自重+1.4×吸風(fēng)+1.4×0.7×升溫
·工況9：0.9×預(yù)應(yīng)力+1.0×自重+1.4×0.6×吸風(fēng)+1.4×升溫
③變形驗(yàn)算時(shí)，作用組合工況
·工況10：0.9×預(yù)應(yīng)力+1.0×自重+1.0×施工活載+0.4×壓風(fēng)+0.7×升溫
·工況11：0.9×預(yù)應(yīng)力+1.0×自重+1.0×施工活載+0.6×壓風(fēng)+0.49×升溫
·工況12：0.9×預(yù)應(yīng)力+1.0×自重+0.7×施工活載+0.4×壓風(fēng)+1.0×升溫
·工況13：0.9×預(yù)應(yīng)力+1.0×自重+1.0×半跨雪載+0.4×壓風(fēng)+0.7×升溫
·工況14：0.9×預(yù)應(yīng)力+1.0×自重+1.0×半跨雪載+0.6×壓風(fēng)+0.49×升溫
·工況15：0.9×預(yù)應(yīng)力+1.0×自重+0.7×半跨雪載+0.4×壓風(fēng)+1.0×升溫
·工況16：0.9×預(yù)應(yīng)力+1.0×自重+1.0×吸風(fēng)+0.7×升溫
·工況17：0.9×預(yù)應(yīng)力+1.0×自重+0.6×吸風(fēng)+1.0×升溫
5， 計(jì)算分析結(jié)果
（1）考慮受主體結(jié)構(gòu)在溫度作用下的變形對索網(wǎng)結(jié)構(gòu)影響，對整體結(jié)構(gòu)采用SAP2000結(jié)構(gòu)軟件進(jìn)行了溫度工況分析，發(fā)現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)在溫度作用下的變形對索網(wǎng)自身在溫度作用下的索力變化是有利的，所以不考慮周邊支承結(jié)構(gòu)的變形影響。索網(wǎng)結(jié)構(gòu)分析采用美國通用有限元分析軟件ANSYS。
（2）承載力驗(yàn)算結(jié)果：通過有限元分析軟件ANSYS對工況1～工況7工況進(jìn)行計(jì)算分析，工況7為最不利的。橫向（X向）索最大所力為229.054KN，小于橫向索的設(shè)計(jì)承載力484.0/1.8=268.9KN，滿足索的承載力要求；縱向（Y向）索的最大索力為135.8KN，小于縱向索的設(shè)計(jì)承載力363.55/1.8=202.0KN，滿足索的承載力要求。
工況7的橫向軸力云圖(單位為N)
工況7的縱向軸力云圖(單位為N)
（3）吸風(fēng)荷載驗(yàn)算結(jié)果：通過計(jì)算分析在（0.9×預(yù)應(yīng)力+1.0×自重）的初態(tài)最大位移為237.905㎜（絕對值）。對工況8～工況9進(jìn)行計(jì)算，工況8終態(tài)最大位移49.5㎜（絕對值），工況9終態(tài)最大位移166.176㎜（絕對值）。所以在最不利的吸風(fēng)荷載作用下，索網(wǎng)的豎向位移都處于向下狀態(tài)，滿足預(yù)設(shè)變形要求。
0.9×預(yù)應(yīng)力+1.0×自重工況下的豎向位移云圖(單位為mm)
工況9豎向位移云圖(單位為mm)
（4）變形驗(yàn)算結(jié)果：通過對工況10～工況17計(jì)算分析，工況10相對于初始狀態(tài)（0.9×預(yù)應(yīng)力+1.0×自重）的豎向相對變形最大，為117.8㎜，與跨度L比值為1/127,滿足預(yù)設(shè)的變形限值（1/120）要求；此時(shí)，索網(wǎng)總撓度為355.7，與跨度L比值為1/42。豎向位移數(shù)據(jù)見下圖
工況10的豎向位移云圖(單位為mm)
(5)預(yù)埋件驗(yàn)算：根據(jù)最不利工況7的支座反力值的安全系數(shù)取2.0。進(jìn)行預(yù)埋件計(jì)算。
6， 施工控制
(1)為了達(dá)到預(yù)設(shè)的建筑造型,也就是在初始狀態(tài)1.0×預(yù)應(yīng)力+1.0×自重的豎向最大點(diǎn)的位移224.7mm。此結(jié)構(gòu)為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),各支承桿長短不一,所以，通過有限元軟件模擬計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的豎向位移,才能加工支承桿的長度。通過1.0x預(yù)應(yīng)力+1.0x自重的工況計(jì)算可知如下數(shù)據(jù)；(a)節(jié)點(diǎn)編號,(b)節(jié)點(diǎn)豎向位移云圖，(c)節(jié)點(diǎn)豎向位移表
(a)節(jié)點(diǎn)編號
(b)節(jié)點(diǎn)豎向位移云圖(單位為mm)
(c)節(jié)點(diǎn)豎向位移表
節(jié)點(diǎn)編號 豎向位移 節(jié)點(diǎn)編號 豎向位移 節(jié)點(diǎn)編號 豎向位移
1 0.0000 2 -32.542 3 -54.397
4 -67.375 5 -74.298 6 -76.478
7 -74.298 8 -67.375 9 -54.397
10 -32.542 11 0.0000 12 0.0000
13 -54.170 14 -95.907 15 -122.84
16 -137.89 17 -142.73 18 -137.89
19 -122.84 20 -95.907 21 -54.170
22 0.0000 23 -155.56 24 -176.41
25 -183.21 26 -176.41 27 -155.56
28 -119.33 29 -65.631 30 0.0000
31 -65.631 32 -119.33 33 0.0000
34 -174.12 35 -198.60 36 -206.66
37 -198.60 38 -174.12 39 -132.29
40 -71.804 41 0.0000 42 -71.804
43 -132.29 44 0.0000 45 -183.98
46 -210.49 47 -219.25 48 -210.49
49 -183.98 50 -139.10 51 -75.004
52 0.0000 53 -75.004 54 -139.10
55 0.0000 56 -188.22 57 -215.62
58 -224.70 59 -215.62 60 -188.22
61 -142.02 62 -76.368 63 0.0000
64 -76.368 65 -142.02 66 0.0000
67 -188.22 68 -215.62 69 -224.70
70 -215.62 71 -188.22 72 -142.02
73 -76.368 74 0.0000 75 -76.368
76 -142.02 77 0.0000 78 -183.98
79 -210.49 80 -219.25 81 -210.49
82 -183.98 83 -139.10 84 -75.004
85 0.0000 86 -75.004 87 -139.10
88 0.0000 89 -174.12 90 -198.60
91 -206.66 92 -198.60 93 -174.12
94 -132.29 95 -71.804 96 0.0000
97 -71.804 98 -132.29 99 0.0000
100 -155.56 101 -176.41 102 -183.21
103 -176.41 104 -155.56 105 -119.33
106 -65.631 107 0.0000 108 -65.631
109 -119.33 110 0.0000 111 0.0000
112 -54.170 113 -95.907 114 -122.84
115 -137.89 116 -142.73 117 -137.89
118 -122.84 119 -95.907 120 -54.170
121 0.0000 122 -67.375 123 -74.298
124 -76.478 125 -74.298 126 -67.375
節(jié)點(diǎn)編號 豎向位移 節(jié)點(diǎn)編號 豎向位移 節(jié)點(diǎn)編號 豎向位移
127 -54.397 128 -32.542 128 -32.542
129 0.0000 130 -32.542 131 -54.397
132~150 0.0000
結(jié)論:最大豎向位移在節(jié)點(diǎn)58, 豎向位移為-224.70mm。根據(jù)各節(jié)點(diǎn)豎向位移與建筑造型可得各個(gè)支承桿的加工長度。
(2),考慮施工誤差和施工工藝,豎向支承桿件可加工成可調(diào)節(jié)件,調(diào)節(jié)尺寸為±50mm。主要調(diào)節(jié)采光頂坡度的平整度和安裝玻璃工藝。
(3),預(yù)應(yīng)力的張拉應(yīng)分批、分級、分時(shí)進(jìn)行；φ28㎜索的預(yù)應(yīng)力為110KN，φ24㎜索預(yù)應(yīng)力為80 KN
(4)，張拉順序：先張拉橫向索,再張拉縱向索。由于直線索，長度不大,采用一端張拉的方法。
(5)，分三級張拉,第一天第一次張拉至預(yù)定張拉力的20%，第三天第二次張拉至預(yù)定張拉力的70%，第五天第三次張拉至預(yù)定張拉力的100%。第六、七天再測量索力,并和理論值進(jìn)行比較,誤差控制在3%范圍內(nèi)。直到測量索力穩(wěn)定為止。
(6)，安裝玻璃時(shí)首先從中央開始向四周對稱施工,進(jìn)行各個(gè)節(jié)點(diǎn)位移的測量與理論值進(jìn)行校核，采用可調(diào)節(jié)支承桿件和駁接頭進(jìn)行微調(diào)，使玻璃孔壁不受擠壓狀態(tài)和調(diào)節(jié)采光頂?shù)钠秸?
局部全景
局部節(jié)點(diǎn)
