淺談索桁架在玻璃頂棚中的運用

文/彭斯哲 中機國際工程設計研究院有限責任公司 北京 100062

索桁架結構簡單且具備力度感，將其運用在玻璃頂棚結構中，能擴展視線，在保證建筑整體質量的基礎上，保障玻璃頂棚外觀美感，表明索桁架在玻璃頂棚施工中有著一定應用優勢。因此，應進行索桁架結構具體應用的研究，以便達到預期施工效果。

1、索桁架工作原理

通常來講，索桁架結構中包括豎索、斜索、短硬桿、長硬桿及連接部件等部分，具有較強穩定性。從平面內結構穩定性來說，連接裝置的運用，能將索和索、硬桿和索組成一個整體，由于索的平面剛度較小，通常認為索只具有軸向剛度。從這一角度看，應將索設計為二力桿，其他連接部位采取鉸接點的連接方式。觀察玻璃索桁架結構，能發現都是由三角形構成的，說明索桁架的平面穩定性較好。從平面外穩定性來說，為了確保結構可靠性，需要合理設置外側水平索及連接桁架的交叉索，是保證索桁架具有一定空間剛度的關鍵[1]。實際設計玻璃頂棚中的索桁架結構時，應確保連接部位連接可靠，能通過結構優化調整，發揮索桁架應用優勢。從結構受力情況看，將索桁架看作是鋼結構體系中的屋架，水平索主要是起連接作用的上下系桿，交叉索則可作為橫向支撐。

2、索桁架運用在玻璃頂棚中的缺陷和應對措施

對于普通性能的玻璃頂棚來講，玻璃構件的熱阻性一般，在營造舒適的室內環境上存在不足。針對這一問題，需要優先選擇多銀LOW-E玻璃，旨在提高玻璃材料熱阻系數，提高玻璃索桁架結構在提升建筑物性能上的應用價值。另外，還可運用采取玻璃幕墻和其他幕墻共同運用的方式，降低窗墻比，同樣能達到優化結構應用效能的效果。而在人口密度大的區域，運用玻璃索桁架建筑結構會帶來光污染。針對這一現象，應盡可能降低玻璃反射率，選擇反射率較低的玻璃材料。或者可實施鋁板、石材等幕墻組織的施工方式，旨在降低玻墻比，完善構建建筑結構體系。同時在玻璃頂棚施工中，還要考慮玻璃墜落的安全隱患，在這一問題處理上，通常進行玻璃材料的均質處理，能降低它的自爆概率。并且要做好玻璃和索桁架連接部位的連接工作，確保玻璃受到的應力能及時通過索桁架轉移，提高玻璃頂棚結構穩定性。也可采用光伏組件板代替一般玻璃，并帶來一定的經濟效益。

3、索桁架在玻璃頂棚中的應用

當玻璃材料通過鉸接頭和索桁架連接時，鉸接頭連接位置分別是玻璃的四個角點，將玻璃頂棚自重和外部負載轉移到索桁架上，并利用豎索（承重索）承受玻璃頂棚的豎向負載，具有保護玻璃材料完整性的作用。玻璃索桁架的斜索（穩定索）不受外力作用時，處于穩定均衡狀態，而受到地震或風載等情況的影響時，斜索會發生變形，兩根斜索內力不一致，產生的差值用來抵消節點水平負載。在明確索桁架在玻璃頂棚中的應用功能后，應具體分析玻璃頂棚中索桁架結構實際應用，以便得到穩定、可靠的玻璃索桁架構造。

3.1 結構介紹

為了充分發揮索桁架在玻璃頂棚中的應用價值，應結合施工實際進行玻璃頂棚施工方案設計。通常來講，要保證整體結構構造科學設計。以某個玻璃頂棚工程施工為例，在主體結構的平面方向分別設置兩道矩形桁架柱，將整個玻璃平面分成三段，并且桁架柱間安裝一道平面桁架，主要起到支撐作用，確保整體玻璃索桁架結構具有較好的承載能力。考慮到頂棚結構受力特點，幕墻支撐結構和屋蓋結構往往是不連接的，避免玻璃構件受外部影響而出現損壞。為了保證建筑體現出明快、輕盈和通透性的視覺效果，應優先選擇魚腹式索桁架結構，是指以張拉索桿結構為主，進行整個頂棚結構體系的設計。從魚腹式索桁架應用特征看，通常在其中設置兩道拉索和多個受壓短桿，確保預應力和索桁架結構的有機結合。另外，支撐結構設計還應均衡結構承載力性能及外觀效果，采用質量達標的材料，保證最終得到的結構體系具有較好的剛度和強度，在面對風荷載和應力作用時能保持結構安全性，在玻璃頂棚結構中要設置需要的支撐結構，應合理設定支撐構件間距，以免由于跨度增加造成結構剛度較差。為了解決結構安全隱患問題，可在頂端、中部及底部適當增加矩形桁架，處理好索桁架間桿件的設計及連接，強化玻璃頂棚施工效果。

3.2 結構選型

在玻璃索桁架結構選型方面，可選擇以下幾種類型：一是豎向單索桁架。這一索桁架結構施工簡單且材料使用量相對要少。實際施工中，選用不銹鋼夾具來連接玻璃和索桁架，不需要擴大孔洞，由此降低了施工難度。并且這一結構外觀簡潔，滿足建筑物外觀設計要求。二是豎向魚腹式索桁架結構。該索桁架結構的設計和運用，能促使水平荷載經過玻璃面板到不銹鋼爪件，再次轉移到索桁架；豎向荷載轉移路徑為玻璃自重到承重再到鋼桁架。施工成本高且影響美觀。

3.3 節點裝配構造

在玻璃索桁架結構體系中的構件連接位置，由于玻璃構件具有脆性特點，在實際連接中，容易出現“硬碰硬”的外力轉移構造，當應力集中時會影響結構安全性，因此，需要加大對應力集中的控制，確保構造設計合理性。一般情況下，玻璃頂棚和索桁架連接，會進行玻璃材料四角鉆孔，在孔內安裝相應的軸套。軸套和玻璃材料間的傳力主要通過玻璃和鋼片間粘結面完成的，當荷載作用在玻璃片后，會繼續轉移到粘結面，通過鋼銷軸、夾具、索傳到桁架支座。為了保證玻璃頂棚施工質量，要嚴格控制構件的制作和安裝，減少操作失誤引起的結構問題。當利用螺栓連接時，由于玻璃孔壁不具有塑性變形性能，安裝中的誤差不能在節點傳力中消除，因此，不能采取螺栓連接方式進行玻璃頂棚施工。目前，構建玻璃頂棚索桁架結構時，通常選擇加大節點夾具上螺栓孔洞尺寸，并采用膠泥鋼填補安裝間隙的連接方案，能減少施工誤差，確保構件安裝精準及有效。

3.4 玻璃頂棚結構設計

從荷載工況角度出發來分析，考慮風荷載問題，豎向玻璃面向內風荷載為WIND-PO；豎向玻璃面向外風荷載為WIND-NE，都會作用在玻璃構件上。需要采用仿真建模計算分析，或結合當地相應的風動實驗數據，確定結構設計方向[2]。另外，索桁架結構剛度應通過預應力加以保障，在荷載作用下，結構剛度隨之變化，實際分析結構承載力時，要施加初始應變來逐步增加預應力，根據實驗結果科學設計索桁架制作及安裝方案。由于桁架結構和拉索桁架間互相影響，因此要考慮兩者共同作用情況，結合工程實際建立結構計算模型，得出相應的計算結果。一種是結構應力比，在不同荷載情況下，討論構件預應力情況，另一種是拉索應力，應結合拉索截面尺寸和面積等參數，以及結構力學性能，確定具體的應力值。在計算拉索預拉力時，可采用逆向迭代的方法，假設一初始狀態（有自重或其它荷載工況），通過多次試算迭代，使該工況下的結構位移量為零（或其它需要達到的狀態）。設計前需要對拉索的特性有一定了解。

3.5 索桁架應用實例

為了詳細闡述玻璃頂棚中索桁架應用特點，本文以荷蘭席阿夫速滑館屋蓋項目為例，結合工程施工實際探討玻璃索桁架結構實際應用。考慮到功能要求，速滑館屋蓋外觀上在平面布局上呈兩端半圓的結構形態，中間以狹長矩形為主，寬度為80-120m，長度約為200m，是結構構造較獨特的建筑類型。在索桁架設計和安裝方面，速滑館玻璃頂棚結構體系中應用了索桁架，旨在分擔玻璃材料荷載，利用索桿支撐作用，形成基礎結構框架。頂棚中段中設計多榀索桁架結構，將其覆蓋在速滑館屋蓋矩形部分，并且兩端采用索桁架形成半球形，安裝在屋蓋兩端。在索桁架兩端設計上，采用了輻射結構形式，硬桿輕巧且剛度高，在多個桿件有效安裝的情況下，得到性能較好的支撐結構。另外，隨著光伏項目對建設用地要求的越來越限制，這就要求了結構方案需要更加輕便，跨度更大，并且有效的控制成本，這就使得索桁架結構在光伏項目中得以運用。從施工實例來說，索桁架在玻璃頂棚及光伏施工中體現出較好的發展前景，還應結合施工操作經驗，不斷優化索桁架施工技術，是提高工程項目實施質量的重要途徑。

結論：

綜上所述，玻璃索桁架是建筑工程中獨特的結構形式，將玻璃材料和鋼塑結合在一起，形成應用性好的玻璃結構，能實現玻璃結構承載性能、藝術性相融合的目的，為玻璃頂棚工程良好發展提供了技術支持。為了發揮索桁架應用價值，需要加大對玻璃頂棚中索桁架應用的研究，結合工程實際，探索有效的施工手段，以便推動建筑行業發展。