單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)在高層建筑中的設(shè)計(jì)與施工

仲維民

摘 要：就目前來(lái)看，單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用在高層建筑中，對(duì)切實(shí)提升建筑幕墻剛度、控制施工成本具有重要意義。由于單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)需要通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力的方式獲得各項(xiàng)力學(xué)性能，因此具有設(shè)計(jì)及施工難度高等特征。本文就基于此，以單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)形式為切入點(diǎn)，分析單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵環(huán)節(jié)，確保單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)能夠在推進(jìn)建筑高層化發(fā)展中發(fā)揮出重要作用。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)螌铀骶W(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu);高層建筑;設(shè)計(jì);施工

前言：?jiǎn)螌铀骶W(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)具有構(gòu)件纖細(xì)、視覺(jué)效果好等優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用在高層建筑施工中。單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)主要為柔性鋼索，通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力達(dá)到一定強(qiáng)度與剛度。由于單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)內(nèi)部復(fù)雜，因此需緊抓單層索網(wǎng)幕墻設(shè)計(jì)與施工環(huán)節(jié)，分析可能影響到單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的各類不穩(wěn)定因素，制定出更加可行的單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工方案。

一、概述單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)形式

從鋼索分布角度分析，單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)可分為單向與雙向單層索網(wǎng)幕墻兩種形式。其中，單向單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)主要采用縱向膽鎖為支撐，使玻璃與鋼索形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu);雙向單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)主要就是鋼索通過(guò)兩個(gè)方向連接，相互支撐，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

從外立面形式角度分析，單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)可分為平面單層索網(wǎng)幕墻與非平面單層索網(wǎng)幕墻兩種形式。

從邊界條件角度分析，單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)也可分為整體式單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)與附著式單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)[1];整體式單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)主要就是將鋼索與主體結(jié)構(gòu)直接連接在一起，主體結(jié)構(gòu)承擔(dān)起拉索的重要職責(zé)。附著式單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)的鋼索與主體結(jié)構(gòu)不連接，主體構(gòu)建不會(huì)承受拉鎖作用，依靠單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)自身形成平衡體系。

二、單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)的參數(shù)計(jì)算

單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)在未施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，平面無(wú)抗彎剛度，不可承受水平何在。在施加預(yù)應(yīng)力后，受到預(yù)應(yīng)力剛化與幾何非線性特征影響，單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)鋼度隨之發(fā)生改變[2]。單層索網(wǎng)幕墻幾何非線性應(yīng)力剛化，結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生位移與應(yīng)變現(xiàn)象，因此在單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)的參數(shù)計(jì)算中，應(yīng)對(duì)應(yīng)力剛化位移與應(yīng)變數(shù)值精密計(jì)算。

在單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)影響下，內(nèi)部應(yīng)力與橫向剛度將會(huì)發(fā)生耦合效應(yīng)。同時(shí)，受到應(yīng)力剛化的影響，單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)平面內(nèi)外抗拉剛度數(shù)值增大，因依照增加預(yù)應(yīng)力的方式，需要在原有基礎(chǔ)上增加鋼索截面，導(dǎo)致單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)邊框承受更大負(fù)擔(dān)，因此在單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，應(yīng)注重選擇合理的預(yù)應(yīng)力增加方式。單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)剛度隨負(fù)荷作用的變化而變化，前期剛度較小，后期結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大變形，因此為確保單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案具有一定的技術(shù)可行性與經(jīng)濟(jì)適用性，需注重考慮單層索網(wǎng)幕墻位移與應(yīng)變幾何非線性效應(yīng)，結(jié)合高層建筑設(shè)計(jì)施工需求及建設(shè)特征，設(shè)置合理的撓度與預(yù)張力數(shù)值，在經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩糠治龊?，才可最終確定單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

（二）單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)荷載作用設(shè)計(jì)

單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)主要荷載力為風(fēng)荷載，因此為從根本上保障結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需準(zhǔn)確計(jì)算出風(fēng)荷載數(shù)值，判斷風(fēng)荷載對(duì)單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)的影響，必要時(shí)可在單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前事先進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)[3]。由于單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)主要由柔性鋼索構(gòu)成，傳統(tǒng)剛性測(cè)壓模型難以真實(shí)模擬出結(jié)構(gòu)受力情況，需相關(guān)設(shè)計(jì)人員根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)值，構(gòu)建充氣彈性模型。

室外溫度也會(huì)嚴(yán)重影響到單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)變形，因此也需將其當(dāng)做重要的設(shè)計(jì)衡量因素。為從根本上保證高層建筑整體承載力，在單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間也需深入分析地震作用，考慮地震作用的靜態(tài)效應(yīng)，確保所設(shè)計(jì)出的單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)能夠更好抵御強(qiáng)規(guī)模地震。

（三）單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)邊界條件設(shè)計(jì)

將單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)應(yīng)用在高層建筑中，需將多個(gè)主體結(jié)構(gòu)連接在一起。單層索網(wǎng)幕墻通過(guò)施加橫向及豎向預(yù)拉力抵御外部荷載，邊界結(jié)構(gòu)受到極大鋼索拉力，直接影響到單層索網(wǎng)幕墻主體結(jié)構(gòu)[4]。因此在設(shè)計(jì)單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)期間，需確保結(jié)構(gòu)邊界條件形成自平衡體系，最大限度節(jié)省單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)后期施工期間的成本。

（四）單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)索網(wǎng)設(shè)計(jì)

為根本上提升單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)承載力，延長(zhǎng)單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)全生命周期，需注重控制單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)在后期使用期間的變形情況，要求拉索間距應(yīng)小于等于2m。在布置雙向單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)保障索網(wǎng)網(wǎng)格接近正方向。

從單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)受力特征角度分析，結(jié)構(gòu)內(nèi)部豎向索應(yīng)同時(shí)承擔(dān)起水平荷載與豎向荷載作用力，因此不宜將單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)置較高。在雙向單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，橫向索與豎向索均承擔(dān)起水平荷載作用，豎向索還應(yīng)承受幕墻結(jié)構(gòu)自重，保障幕墻結(jié)構(gòu)不會(huì)在外界不穩(wěn)定因素的影響下出現(xiàn)脫落問(wèn)題，因此應(yīng)合力計(jì)算豎向荷載、索網(wǎng)間距、豎向與橫向索直徑等參數(shù)數(shù)值。

（五）單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)變形設(shè)計(jì)

由于高層建筑中的單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期處于風(fēng)荷載作用，邊界位置變形曲線切線斜率較大，靠近中間位置的單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)變形曲面切線斜率小，因此在設(shè)計(jì)單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)期間，應(yīng)標(biāo)明結(jié)構(gòu)內(nèi)變形差較大的位置，采用科學(xué)的構(gòu)造手段減少單層索網(wǎng)幕墻面板變性差。

為從根本上保障單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)安全，應(yīng)在設(shè)計(jì)階段做好結(jié)構(gòu)變形控制工作[5]。一方面，在最低溫度下，單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)最大索力不用超過(guò)所的拉力設(shè)計(jì)值;另一方面，在溫度最高的情況下，應(yīng)確保單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)索應(yīng)力始終維持在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

三、單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)施工要點(diǎn)

在高層建筑工程中，單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)需與其他結(jié)構(gòu)并存，因此需注重施工專業(yè)協(xié)調(diào)工作，防止施工環(huán)節(jié)發(fā)生沖突，導(dǎo)致工程進(jìn)度拖延等問(wèn)題出現(xiàn)。與其他索網(wǎng)結(jié)構(gòu)相比，單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)還存在索力變化大、變形作用顯著等特征。具體來(lái)說(shuō)，高層建筑工程中的單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)頂部與采光頂由共同的桁架，在預(yù)應(yīng)力張拉環(huán)節(jié)，桁架變形顯著，結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分配，因此需對(duì)單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)的變形情況進(jìn)行全程檢測(cè)，加大單層索網(wǎng)幕墻預(yù)應(yīng)力張拉環(huán)節(jié)的質(zhì)量監(jiān)管力度。

由于在單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)中，橫向與豎向鋼索較長(zhǎng)，張拉后的伸長(zhǎng)值更大，使用傳統(tǒng)索具難以滿足單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)后期施工要求，因此需相關(guān)施工人員結(jié)合單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)特征，選用適宜的索具。加大索具質(zhì)量監(jiān)控力度，確保進(jìn)入到施工現(xiàn)場(chǎng)的索具均具有試驗(yàn)合格證等、材料合格證等文書(shū)證明，控制單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)施工期間質(zhì)量問(wèn)題及安全隱患發(fā)生幾率。

四、總結(jié)

總而言之，單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合幕墻幾何形狀與邊界條件選擇相應(yīng)的種類。單層索網(wǎng)幕墻的內(nèi)外抗彎剛度需通過(guò)增加預(yù)應(yīng)力獲得，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，應(yīng)細(xì)致分析單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)荷載參數(shù)，選擇合理的預(yù)應(yīng)力施加手段，從根源處控制單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)變形情況。由于單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)形式相互交叉，因此在實(shí)際施工期間應(yīng)做好各專業(yè)分工協(xié)調(diào)工作，切實(shí)提升施工進(jìn)度與施工質(zhì)量。

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