梁柱承載式自平衡單層拉索幕墻設計

趙志剛

(銳建工程咨詢有限公司 福建廈門 361004)

0 引言

提到自平衡拉索幕墻，大家通常想到的是魚腹式拉索幕墻，拉索和鋼撐桿形成魚腹式結構，外側弧形拉索的張力通過中間的鋼撐桿進行自平衡，實現主體結構不用承擔拉索較大的張力初衷，從而減少砼結構截面尺寸降低工程造價，實現觀賞性和實用性的相統一。但魚腹式結構自身組成截面較大，在美觀和通透性方面略有瑕疵。因此，在本案(廈門某工程項目)的建筑效果評審中，魚腹式自平衡拉索幕墻的方案被業主放棄，轉而采用現在較流行的單拉索點式玻璃幕墻，作為該工程主入口的主要形象展示。

單拉索點式幕墻，由于沒有穩定索及其后的鋼結構，在美觀和通透性上非常出色，但相應的拉索預張力也較大。因此，為了減少主體結構截面，要求工程設計人員避免將拉索較大的張力作用在砼結構上。

筆者在承接到此設計任務后，在仔細研究了該項目的建筑立面后，發現全玻幕墻并不是一整塊連續的，而是被石材裝飾柱遮擋住分為3部分。因此，決定采用梁柱承載式自平衡單層索網體系，將鋼梁和鋼柱隱藏到立面不通透的石材幕墻后，將拉索張拉在上下2根鋼箱梁間，位于立面的通透部分。鋼箱梁之間根據石材造型柱的位置，間距支撐鋼箱柱。拉索、箱梁、箱柱在平面內形成自平衡體系，使拉索的張拉力轉化為結構自身的內力，但不會傳遞到砼結構上。整個結構上承擔的風載、地震力、玻璃自重的荷載，通過與鋼箱梁連接的連接件傳遞到砼結構上。

1 工程概況

該工程位于廈門市區，如圖1所示，玻璃最大分格為2350×1417mm，拉索最大跨度為8950mm。荷載信息如下：

圖1 拉索幕墻立面圖

(1) 恒載(不包括鋼結構自重)

拉索幕墻采用單層索網結構，面層采用厚15mm鋼玻璃；

玻璃自重：0.015×25.6=0.384kN/m2，考慮不銹鋼爪件等因素，取自重放大1.2倍：0.384×1.2=0.46kN/m2。

(2)活載：0kN/m2

(3)風荷載標準值

基本風壓W0=0.8kN/m2；

風振系數取βz取1.2，依據《索結構技術規程》5.4.3條規定，對于形狀簡單的中小跨度索結構，風振系數可取為：單索1.2～1.5[1]。因為該工程索跨度為8950mm、5600mm，跨度較小，故取值1.2。

拉索幕墻最大高度10m，根據結構設計說明，該工程地面粗糙度為B類，查《建筑結構荷載規范》，取風壓高度變化系數μz=1.0。

經計算，該拉索幕墻處于墻面區，體型系數μs取為1.0，考慮到封閉建筑物內部壓力，最終體型系數取μs=1.0+0.2=1.2；

風荷載標準值：Wk=1.2×1.2×1.0×0.8=1.152kN/m2。

(4)地震作用

根據土建結構設計總說明，工程所在地區的抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.15g，設計地震分組為第二組，場地類別為二類，設計特征周期為0.4S。地震作用由軟件自動加載計算。

(5)溫度作用

計算中考慮溫差極限值為-15℃～30℃。

2 采用SAP2000軟件進行分析計算

采用三維通用結構分析軟件SAP2000 Ultimate C15.2.1進行非線性計算分析，整體模型和計算簡圖如圖2～圖3所示。

圖2 整體模型

圖3 計算簡圖

3 拉索選用及參數

拉索結構上采用316不銹鋼拉索，外表面做galfan-coaed處理，相關技術參數如表1所示[2]。

表1 鋼索選用參數表

4 荷載輸入

(1)鋼索初始預拉力值設定

拉索的初始預拉力和頂、底二根箱梁的截面尺寸存在相關性，當鋼梁截面不變時，初始預拉力越大，鋼梁的撓度也越大，非線性迭代計算往往不收斂。因此，初始預拉力和鋼梁截面要經過反復試算才能予以確認，采用盡可能小的預拉力和鋼梁截面，達到合理的拉索變形量為宜，不能一味增大預拉力。經過試算，最終按鋼索直徑及預拉力布置表確定鋼索初始預拉力，預拉力比最小破斷力在20%左右為宜，如表2所示。

表2 鋼索直徑及預拉力布置表

圖4 初始預拉力布置圖

(2)風荷載

玻璃所受風荷載采用虛面導荷載。入口大門風荷載轉為線荷載作用在相應桿件上，石材裝飾柱作用在單獨的鋼桁架上，不參與拉索結構計算。對入口自動感應門所受的風載，將所有風載轉成線荷載(1.94kN/m)直接加到入口大門門頭鋼梁上。

(3)玻璃自重

根據不銹鋼駁接爪的實際受力情況，將玻璃面板的荷載轉成節點荷載，因為駁接爪與拉索間距較小，故忽略玻璃面板的自重附加彎矩。對自動感應門位置玻璃及配件自重，轉化成豎向自重線荷載(1.38kN/m)加到入口大門門頭鋼梁上。

(4)溫度作用

由于鋼索受溫度變化影響較大，因此拉索結構必須考慮溫度變形的影響。該項目拉索的主要受力方向是豎向，因此在定義溫度作用時只定義豎向的拉索和鋼構件。對水平方向，在設計支座構造時，對部分支座在水平X方向(平行玻璃的方向)予以釋放，以便讓鋼梁在水平方向不受約束自由伸縮，因此水平向鋼構件不定義溫度荷載。溫度作用按以下方式加載：①索及梁間撐桿溫上升30度；②索及梁間撐桿溫降低15度。

5 工況及荷載組合

因為索結構變形較大，因此不能按通常的線性結構進行分析計算，應考慮拉索大位移情況下進行非線性計算。

5.1 工況

依次按實際荷載加載情況逐一加載，預拉力→自重→風載→溫升(降)→地震作用的順序進行加載。

(1)預應力工況

預拉力為不銹鋼索在受到其他工況前預先進行張拉時的張力，如圖5所示。

圖5 加預應力工況

(2)恒載工況

不銹鋼拉索張拉完成后，在拉索上安裝不銹鋼點爪及玻璃產生的自重工況，如圖6所示。

圖6 加恒載工況

(3)風載工況

“荷載工況名稱”填入：風載；“從上次非線性工況終點繼續”選擇：恒載；“荷載類型”選擇：風載，玻璃安裝完成后，風荷載對玻璃的作用工況參照圖6。

(4)溫升工況

當環境溫度比不銹鋼索張拉完成時的溫度更高時，索松弛時的工況參照圖6。

(5)溫降工況

當環境溫度比不銹鋼索張拉完成時的溫度更低時，索張緊時的工況參照圖6。

(6)施工與風荷載相同方向的平面外Y向地震反應譜工況，如圖7所示。

圖7 Y向地震作用

5.2 荷載組合

分為強度計算用組合，變形計算用組合，具體如下：

組合1-9(Comb1-Comb9)為強度計算用非線性組合：

Comb1(1.2恒+1.4風)；

Comb2(1.2恒+1.4溫升)；

Comb3(1.2恒+1.4溫降)；

Comb4(1.2恒+1.4風+1.4×0.6溫升)；

Comb5(1.2恒+1.4風+1.4×0.6溫降)；

Comb6(1.2恒+1.4溫升+1.4×0.6風)；

Comb7(1.2恒+1.4溫降+1.4×0.6風)；

Comb8(1.2恒+1.3地震)；

Comb9(1.2恒+1.3地震+1.4×0.2風)；

組合10-11(Comb10-Comb11)為撓度計算用非線性組合：

Comb10(1.0恒+1.0風+1.0×0.6溫升)；

Comb11(1.0恒+1.0風+1.0×0.6溫降)。

由于單層索網結構是典型的幾何非線性結構，《建筑結構荷載規范》規定的基本組合表達式不適用于這種結構承載能力極限狀態的計算，否則會使其總安全系數降低[3]。因此非線性計算時，不能采用疊加原理，不能類同與線性結構一樣在荷載組合中進行簡單疊加，需要變通。在SAP2000中將以上Comb1～Comb11組合定義為非線性荷載工況，按非線性工況進行加載計算，如圖8所示。

圖8 非線性組合一

6 不銹鋼索最大拉力和位移

6.1 不銹鋼索最大拉力

SAP2000軟件計算后可知，在組合5(1.2恒+1.4風+1.4×0.6溫降)作用下，不銹鋼索拉力最大，Cable_24不銹鋼索最大拉力為126.44kN，Cable_20不銹鋼索最大拉力為76.27kN，如表3所示。

表3 不銹鋼索在組合力下的強度校核表

6.2 不銹鋼索最大位移

軟件計算后可知，在Comb10(1.0恒+1.0風+1.0×0.6溫升)作用下，不銹鋼索位移量最大，Cable_24不銹鋼索最大Y向位移為144.2mm，Cable_20不銹鋼索最大Y向位移為90.2mm，如表4所示。

表4 不銹鋼索在組合力下的位移校核表 mm

7 鋼梁強度、撓度校核

上下2根鋼箱梁截面選用箱850×450×20×30，其強度如圖9所示。鋼框架強度校核云圖(應力比不超過0.5)。

鋼梁在Comb11(1.0恒+1.0風+1.0×0.6溫降)下跨中最大撓度(為5.7mm≤8750/500=17.5mm)。

圖9 鋼梁、鋼柱應力云圖

8 注意事項

8.1 設計時應注意事項

在承載能力極限狀態下，對結構不利時預應力分項系數應取1.2[4]。相關書籍中也有預應力結構中預應力的分項系數按恒載考慮[5]。該項目中預應力對結構不利，在承載能力極限計算時，預拉力分項應取為1.2，再進行后續工況加載。

鋼框架中的壓桿承擔較大的壓應力，盡量采用純鉸接的結構型式避免產生附加彎矩，選用較大的截面剛度避免發生壓桿失穩的情況。

8.2 預拉方法及施工過程中注意事項

眾所周知，預拉力就是拉索幕墻的靈魂，所以預拉力的施加對于拉索幕墻極為重要。結合該工程拉索幕墻特點，為使該工程達到設計質量要求，現總結技術要點如下。

8.2.1施工仿真計算分析

拉索幕墻邊界變形和拉索內力之間相互影響，需利用有限元計算軟件如SAP2000進行施工仿真模擬計算。通過模擬計算，給出每根拉索每級張拉力值，為實際張拉時的張拉力值的確定提供理論依據；給出每張拉一步結構的變形及應力分布，為張拉過程中的變形監測及索力監測提供理論依據；根據計算出來的張拉力大小，選擇合適的張拉機具，并設計合理的張拉工裝；從而保證預應力張拉質量和過程安全。

8.2.2預應力張拉過程

幕墻索結構的張拉成形過程，主要就是確定預應力過程的次序、步驟、采用的機械設備、每次預應力過程的張拉量值，同時控制結構的形狀變化，該工程通過對稱分級的方法，完成張拉成形過程。

張拉的總體思路：在每一個獨立的結構單元范圍內同步對稱張拉，2根拉索同時張拉，每根拉索調節端單端張拉。張拉分3級，第1級張拉到設計初拉力的50%，第2級張拉到設計初拉力的75%，第3級張拉到設計初拉力的105%。

為區分不同拉索，需對拉索進行編號，整個拉索幕墻以鋼柱為分界線，分成3個區域，編號按“從左往右”的原則進行。總體張拉順序如圖10所示。

圖10 拉索編號及張拉順序

8.2.3施工監控

幕墻索結構的成形過程中，在每一階段預應力過程中，結構都經歷一個自適應的過程，結構會經過自平衡而使內力重分布，形狀也隨之改變，所以預應力過程的監控十分重要。該工程施工過程中，采用拉索張拉力控制為主，同時監測結構變形為輔助控制方法，以確保結構施工期安全，保證結構的張拉完成初始狀態與原設計相符。

施工階段索力監測可以通過油壓傳感器進行監測。對變形的監測采用全站儀，監測索網邊界構件的變形，監測點布置在每段鋼梁跨中位置。

在每級張拉結束，測量鋼結構的變形。在張拉過程中將測量的變形與計算的理論變形進行比較，如果差別較大(超過20%且超過5mm)時停止張拉，找到原因并確定解決方案后再繼續張拉。

9 結論

通過結構內力自平衡的設計方法，可以在不使砼結構承擔較大作用力的情況下設計出較美觀、通透的拉索幕墻方案。對非線性計算，不能類同與線性結構一樣在荷載組合中進行簡單的疊加。SAP2000非線性工況定義與組合定義相結合，能分析出不同工況和組合下的結構內力和變形情況，非常方便直觀。

參考文獻

[1] JGJ257-2012 索結構技術規程[S].2012.

[2] 堅朗點支承玻璃幕墻配件典型產品目錄[Z].2016.

[3] 陳昌宏，黃鶯.SAP2000在幕墻鋼結構中的設計與應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2013.

[4] JGJ257-2012 索結構技術規程[S].2012.

[5] 張其林.建筑索結構設計計算與實例精選[M].北京：中國建筑工業出版社，2009..