關于單索點式玻璃幕墻及其轉角位置的設計與研究

趙寶玉 （上海華建工程建設咨詢有限公司，上海 200040）

1 項目簡介

本項目位于浙江省寧波市東部新城核心區附近。為超高層辦公綜合體，由 1 棟主體 43 層，標準層高 4.30 m，由205.58 m 高的 A 塔樓和 4 層 23.35 m 高的 B 裙樓組成，并另有 13.6 m 埋深的地下 3 層的車庫。

本項目幕墻面積約 8 萬 m2，外立面采用單元玻璃幕墻，塔樓大堂采用不銹鋼拉索幕墻，體現玻璃通透的效果。

2 幕墻設計難點

為滿足建筑師的效果要求，大堂拉索幕墻只采用縱向豎索，拉索高度為 17 m，拉索間距為 2.9 m。按照規范要求，單索的撓度變形為 1/50，變形量很大，相當于柔性結構。根據荷載計算結果，采用直徑為 40 mm 不銹鋼拉索，滿足要求。難點在于轉角部位，在單索點支式玻璃幕墻施工中，拉索受到風荷載作用后，拉索以及玻璃變形較大，玻璃之間互相擠壓，如果玻璃之間的膠縫小于玻璃變形的數值，很容易造成玻璃的破損。另外，傳統的整個駁接系統與玻璃間的連接完全固定，沒有任何的活動量，勢必導致玻璃的破壞。根據以往工程經驗，常規的解決方案是在此處設置鋼結構立柱，保證有足夠的剛度來抵抗幕墻承受的風荷載，從而減小玻璃的變形，降低玻璃的破損幾率。

但是本工程建筑師對效果要求較高，采用鋼立柱的方式會影響點式幕墻的通透效果，因此需要采用一種既能滿足通透性要求，又能夠滿足結構計算的新型幕墻體系。

3 解決方案

根據以上分析，若要減小玻璃的破損概率，需要從 2 個方面來進行設計：① 減小轉角部位拉索的變形，既增加轉角部位支撐結構的剛度，索桁架的構造形式是一個不錯的選擇，根據 JGJ 254—2012 《索結構技術規程》，索桁架的撓度變形要求為 1/200，相當于一個剛性結構，可以減小轉角位置支撐結構以及玻璃的變形；② 增加玻璃與駁接爪件之間的活動余量，即玻璃與駁接件之間有一定的變形量，從而保證在拉索以及駁接件變形較大的情況下，玻璃能夠有一定的適應變形能力。

4 具體設計方案

4.1 在轉角位置采用索桁架的方式

采用了一種全新的索桁架構造方式，即在轉角位置采用縱向拉索、水平方向的不銹鋼平衡桿、交叉拉索組合而成，其中轉角相鄰的縱向拉索直徑為 52 mm，其他縱向單索仍為φ40 mm 拉索；交叉索的直徑為 24 mm，水平的平衡桿為φ50 mm 不銹鋼拉桿。轉角位置的交叉索以及橫向不銹鋼撐桿組成一個互相支撐的索桁架體系，撓度計算按照1/200，相當于一個剛性結構，從而減少轉角位置的變形，避免玻璃的破碎風險。索桁架平面圖如圖1 所示。

圖1 索桁架幕墻局部立面圖

此部分所處的最危險標高He=17 m，計算得到索桁架的最大變形u=54.3 mm，縱索的跨度L=16 275.0 mm，許用變形L/200=16 275/200=81.4 mm，因此索桁架的變形滿足要求(X軸為索桁架矢高為 1 450 mm 方向)。

4.2 索桁架與相鄰玻璃的處理

由于索桁架的撓度計算為 1/200，而相鄰單索的撓度為1/50，兩者相差很大，索桁架與單索之間固定的一排玻璃，由于兩者變形不協調，從而導致玻璃容易破損。

為了解決這一問題，需要在轉角索桁架與φ40 mm 的單索之間增加一個過渡結構，過渡結構的撓度變形要在L/200與L/50 之間，解決的方案就是將索桁架相鄰的單索直徑增加到φ52 mm，增加此根單索的預緊力，來滿足剛性結構過渡到柔性結構的需要。

根據計算結果，玻璃邊緣最大應力為 35.11 MPa，小于半鋼化玻璃邊緣強度 44.00 MPa，強度滿足要求。

4.3 采用球鉸式駁接頭

本工程單索幕墻駁接頭采用專用結構，允許駁接頭和駁接爪之間產生相對移動，可以吸收玻璃縫隙的變化，保證玻璃的安全使用。

以往點式幕墻駁接件采用的均為固定夾具，面板玻璃四角被夾具嵌固住，則從夾具壓蓋內側的邊緣開始產生撓度變形。單索幕墻在風荷載作用下拉索結構發生撓度變形，導致與拉索連接的面板玻璃四個端點不在同一平面上，引起了面板玻璃的翹曲，從而增加玻璃的破碎概率。

本工程采用一種新型的駁接組件，即球鉸式駁接頭，面板玻璃依球鉸的轉動中心發生轉動，與面板玻璃接觸的球鉸面與夾具壓蓋內側有足夠的轉動空間，則面板玻璃在撓度限值范圍內隨意產生撓度變形，降低玻璃角部的變形，保證玻璃在風荷載的作用下不破碎。球鉸式駁接組件如圖2 所示。

圖2 球鉸式駁接組件節點

由于固定夾具和球鉸夾具與面板玻璃間的連接方式不同，所以在計算面板玻璃時，約束方式也不同。采用固定夾具連接面板玻璃，面板玻璃四角被夾具嵌固住，約束方式為垂直玻璃面方向的面約束。采用球鉸夾具連接面板玻璃，面板玻璃依球鉸的轉動中心發生轉動，約束方式為垂直玻璃面方向的鉸接約束。

如果固定夾具采用橡膠墊作為隔離的方法，缺點有兩方面。一是膠墊太薄容易引起玻璃尖點應力，導致玻璃更易破損。如果膠墊太厚，膠墊老化又極易造成大間隙，不利于玻璃的安全使用。二是在極限荷載狀態下玻璃面積是墊片面積的 300～500 倍，橡膠難以承受這么大的壓力，起不到彈性變形作用。所以，球鉸夾具是比較理想、合理的結構配件。

5 結 語

通過以上設計，同時經過實際工程的驗證，本文所采用的索桁架是一種合理的支撐結構體系，同時由于索桁架支撐方式具有輕巧、通透的特點，對于拉索幕墻遇到轉角位置的情況，在滿足受力要求的前提下，采用索桁架的構造是一個不錯的選擇。