張志剛

（珠海興業(yè)綠色建筑科技有限公司，廣東 珠海 519000）

我國生產和應用了大量的幕墻產品，在生產、使用中積累了豐富的經驗，在建筑幕墻技術開發(fā)上有了新進展。但針對單層超高幕墻的研究，從理論到實踐并不多見。

1 單層超高幕墻特點

受力結構跨度大，跨中結構體系絕對變形大，結構支座反力大，與建筑效果匹配難

2 單層超高幕墻的主要結構形式

鋼桁架、鋼格構、自平衡體系、預應力索桿體系、預應力單層索網體系

3 以某火車站單層超高幕墻為對象進行分析

3.1 基本情況

火車站玻璃幕墻主要以大跨度的鋼結構玻璃幕墻為主，其最高處位于站房中部出入口處，混凝土柱距87.0m,從±0m到站房屋架下方，高度33.5m，在主入口處形成一個87.0mX33.5m巨大而通透的幕墻立面，這個巨幅幕墻結構的處理是個難題，也是直接關系到整個建筑幕墻外立面效果的關鍵因素。

3.2 選用材料的力學性能

鋼材：彈性模量 2.06×105N/mm2，泊松比 0.3，線膨脹系數(shù)1.2×10-5/℃。

材料重力體積密度：建筑玻璃：25.6kN/m3，鋼材：78.5kN/m3。

3.3 結構荷載取值

3.3.1 幕墻部分自重荷載

玻璃采用10T+12A+10T中空玻璃，玻璃自重面荷載標準值：GK=20×10-3×25.6=0.512kN/m2，考慮玻雨篷體系的其它附屬構件，雨篷自重面荷載標準值?。?.8kN/m2。

3.3.2 雨篷部分自重荷載

玻璃采用10T+1.52PVB+10T夾膠玻璃。玻璃自重面荷載標準值：GK=20×10-3×25.6=0.512kN/m2，考慮玻雨篷體系的其它附屬構件，雨篷自重面荷載標準值?。?.8kN/m2。

3.3.3 幕墻風荷載

采用100年重現(xiàn)周期的風荷載進行幕墻計算，幕墻計算高度取33m。

a、地面粗糙度類別：B類

b、基本風壓：0.40kN/m2

c、瞬時分壓陣風系數(shù)：βgz=1.63

d、風壓高度變化系數(shù)：μz＝1.47

e、風荷載體型系數(shù)：1.0

Wk=1.63×1.0×1.47×0.4＝0.958kN/m2

因 為 Wk≤1.0kN/m2，取 Wk=1.0kN/m2，按 JGJ102-2003 第5.3.2條采用。

3.3.4 雨篷風荷載

采用100年重現(xiàn)周期的風荷載進行計算，雨篷計算高度取9m。

a、地面粗糙度類別：B類

b、基本風壓：0.40kN/m2

c、瞬時分壓陣風系數(shù)：βgz＝1.80

d、風壓高度變化系數(shù)：μz＝1.00

e、風荷載體型系數(shù)：1.44

Wk=1.80×1.44×1.00×0.4＝1.037kN/m2

因為 Wk≥1.0kN/m2，取 Wk=1.037kN/m2，按 JGJ102-2003 第5.3.2條采用。

3.3.5 雨篷雪荷載

采用100年重現(xiàn)周期的雪荷載進行計算。

a、基本雪壓：0.25kN/m2

b、屋面積雪分布系數(shù)：μr＝1.00

Sk=1.00×0.25＝0.25kN/m2

3.3.6 雨篷施工及檢修荷載

取施工及檢修荷載Lk=1.0kN/m，加載于雨篷最不利位置。

3.3.7 地震作用

抗震設防烈度：7度,設計基本加速度：0.10g

3.3.8 荷載組合

3.3.8.1 正常使用極限狀態(tài)下的計算

荷載組合一：1.0×恒（幕墻）+1.0×風載（幕墻）+1.0×恒（雨篷）+0.7×施工（雨篷）+0.5×地震；荷載組合二：1.0×恒（幕墻）+1.0×風載（幕墻）+1.0×恒（雨篷）+0.7×雪（雨篷）+0.5×地震；荷載組合三：1.0×恒（幕墻）+1.0×風載（幕墻）+1.0×恒（雨篷）+1.0×風（雨篷）+0.5×地震

3.3.8.2 承載能力極限狀態(tài)下的計算

荷載組合一：1.0×1.2×恒（幕墻）+1.0×1.4×風載（幕墻）+1.0×1.35×恒（雨篷）+0.7×1.4×施工（雨篷）+0.5×1.3×地震；荷載組合二：1.0×1.2×恒（幕墻）+1.0×1.4×風載（幕墻）+1.0×1.35×恒（雨篷）+0.7×1.4×雪（雨篷）+0.5×1.3×地震；荷載組合三：1.0×1.2×恒（幕墻）+1.0×1.4×風載（幕墻）+1.0×1.0×恒（雨篷）+1.0×1.4×風（雨篷）+0.5×1.3×地震

3.4 幕墻結構數(shù)值模型的建立與計算

3.4.1 方案一：空間鋼桁架結構

3.4.1.1 結構模型描述

結合玻璃幕墻立面分格，桁架間距按8.4m布置,桁架寬度2.1m與玻璃分格對應，桁架矢高2.1m,雨篷懸挑10m,結構支撐于主桁架結構上，橫向設置三道剛性平面外支撐，整個結構的支座約束分為兩種，與下部基礎采用鉸接，基礎承受由鋼桁架所傳遞的豎直方向幕墻自重以及水平方向的風荷載等，和上部屋面鋼結構采用一個搖臂裝置，釋放了由幕墻鋼結構產生的豎直方向作用力，直承受幕墻鋼結構水平推力，并且保證屋面在豎直方向的變形，不影響整個幕墻結構。整個結構采用有限元線性分析方法。

3.4.1.2 正常使用極限狀態(tài)下的計算

正常使用極限狀態(tài)驗算結果：撓度控制指標：L/400;結構最大變形由荷載組合二產生，為79.7mm＜33000mm/400=82.5mm。

3.4.1.3 承載能力極限狀態(tài)下的計算

承載能力極限狀態(tài)：采用Q345鋼，設計強度小于310N/mm2;結構最大應力由荷載組合二產生，應力需求比為0.746，位于桁架中部。

3.4.2 方案二：平面自平衡體系

3.4.2.1 結構模型描述

結合玻璃幕墻立面分格，8.6m標高以下采用桁架，間距按8.4m布置,并設置兩道拉索平衡雨篷所產生的傾覆力，雨篷懸挑10m采用H型鋼，并在懸挑6.0m的位置設置撐桿；8.6m標高到27.1m標高以上采用索結構自平衡體系，間距按幕墻玻璃分格2.1米布置，桁架寬度與玻璃分格對應，桁架矢高1.6mm采用直徑14mm的不銹鋼拉索和直徑50mm鋼撐桿，主鋼管采用直徑152mm的圓管，平面外設計兩道拉索，每道由三根直徑12mm不銹鋼拉索組成，保證整個體系的平面外穩(wěn)定。27.1m處設計三角桁架，豎直方向矢高2.5m,水平方向矢高1.5m，承載由索桁架所傳遞的水平推力和上部幕墻的所有荷載。整個結構的支座約束分為兩種，與下部基礎采用鉸接，基礎承受由鋼桁架所傳遞的豎直方向幕墻自重以及水平方向的風荷載等，和上部屋面鋼結構采用一個搖臂裝置，釋放由幕墻鋼結構產生的豎直方向作用力，直承受幕墻鋼結構水平推力，并且保證屋面在豎直方向的變形，不影響整個幕墻結構。整個結構采用有限元非線性分析方法。結構模型：

3.4.2.2 正常使用極限狀態(tài)下的計算

正常使用極限狀態(tài)驗算結果：撓度控制指標：鋼桁架L/400，自平衡索結構L/400。結構最大變形由荷載組合二產生：鋼桁架為 61.9mm＜44000mm/400=110.0mm；自平衡索結構(138-52)=86mm＜185000mm/200=92.5mm；

3.4.2.3 承載力極限狀態(tài)下的計算

承載能力極限狀態(tài)：采用Q345鋼，設計強度小于310N/mm2;結構最大應力由荷載組合二產生：自平衡索結構，拉索應力需求比zu最大為0.420，拉索最大允許應力比為1/1.8=0.55，位于索桁架中部。

3.4.3 方案三：單層索網結構體系

3.4.3.1 結構模型描述

結合玻璃幕墻立面分格，8.6m標高以下采用鋼框架，間距按8.4m布置,并設置交叉拉索平衡控制鋼框架的變形，雨篷懸挑10m采用H型鋼，并在懸挑6.0m的位置設置撐桿；8.6m標高到27.1m標高以上采用單層索網體系，垂直間距按幕墻玻璃分格2.1米布置，水平間距按幕墻玻璃分格1.5米布置，豎索為主受力索，單根長度18.5m,采用直徑30mm的不銹鋼拉索，橫索維輔助索，單根長度42.0m,采用直徑16mm的不銹鋼拉索。27.1m處設計三角空間桁架，豎直方向矢高5.0m,采用雙層設計，在第一層2.5高采用空間桁架，水平方向矢高1.5m，在第二層2.5高采用平面桁架，整個桁架承載由索所傳遞的水平力豎向拉力及上部幕墻的所有荷載。整個結構的支座約束分為兩種，與下部基礎采用鋼結支座，基礎承受由鋼桁架所傳遞的豎直方向幕墻自重以及水平方向的風荷載等，27.1m處空間鋼桁架與兩側采用滑動支座，釋放水平力。和上部屋面鋼結構設置兩個搖臂裝置，釋放由幕墻鋼結構產生的豎直方向作用力，直承受桁架產生的水平推力，并且保證屋面在豎直方向的變形，不影響整個幕墻結構。整個結構采用有限元非線性分析方法。結構模型：

3.4.3.2 正常使用極限狀態(tài)下的計算

正常使用極限狀態(tài)驗算結果：撓度控制指標：鋼桁架L/400，索網結構L/50。

荷載組合一：1.0×預應力+1.0×恒（幕墻）+1.0×風載（幕墻）+1.0×恒（雨篷）+0.7×施工（雨篷）+0.6×溫度（+25）+0.5×地震；；荷載組合二：1.0×預應力+1.0×恒（幕墻）+1.0×風載（幕墻）+1.0×恒（雨篷）+0.7×雪（雨篷）+0.6×溫度（+25）+0.5×地震；荷載組合三：1.0×預應力+1.0×恒（幕墻）+1.0×風載（幕墻）+1.0×恒（雨篷）+1.0×風（雨篷）+0.6×溫度（+25）+0.5×地震。

結構最大變形由荷載組合二產生：下部鋼框架雨篷：鋼框架最大位移在8.6m標高處中間位置橫梁上，雨篷位移最大位移在雨篷中部橫桿，為絕對位移。

鋼框架：（Joint，704；U1=-41.34，U2=-0.02，U3=8.48）；雨篷：（Joint，2610；U1=-46.37，U2=-0.02，U3=-87.13）；中部索網結構（絕對位移）：（Joint，130；U1=-416.38，U2=-0.00，U3=-31.75）；中部索網結構（相對位移）：（Joint，130；U1=-352.42，U2=3.53，U3=40.34）；中上部桁架結構：（Joint，244；U1=-64.10 ，U2=-3.54，U3=-85.52）。

3.4.3.3 承載能力極限狀態(tài)下的計算

承載能力極限狀態(tài)：鋼材采用Q345鋼，設計強度小于310N/mm2，拉索采用不銹鋼，設計強度小于1320N/mm2。

荷載組合一：1.0×預應力+1.0×1.2×恒（幕墻）+1.0×1.4×風載（幕墻）+1.0×1.35×恒（雨篷）+0.7×1.4×施工（雨篷）+0.6×1.4溫度（-25）+0.5×1.3×地震；；荷載組合二：1.0×預應力+1.0×1.2×恒（幕墻）+1.0×1.4×風載（幕墻）+1.0×1.35×恒（雨篷）+0.7×1.4×雪（雨篷）+0.6×1.4溫度（-25）+0.5×1.3×地震；；荷載組合三：1.0×預應力+1.0×1.2×恒（幕墻）+1.0×1.4×風載（幕墻）+1.0×1.0×恒（雨篷）+1.0×1.4×風（雨篷）+0.6×1.4溫度（-25）+0.5×1.3×地震。

結構最大應力由荷載組合二產生：索網結構，拉索應力需求比最大為0.420，拉索最大允許應力比為1/1.8=0.55。

4 研究結論

通過對以上三種結構形式的計算機模擬分析，對于單層超高玻璃幕墻鋼結構設計可以得出以下結論：

4.1 如果采用大跨度鋼結構，最好選用空間桁架，不然很難保證鋼桁架的平面外穩(wěn)定性。鋼桁架的缺點空間尺寸會很大，桿件截面也較大，對整個玻璃幕墻的外觀果影響較大。鋼桁架結構的優(yōu)點是對邊界支座的要求較低，加工和施工難度也較低；

4.2 如果采用索桁架，索桁架的跨度不能太大，最好在15m以內，否則索桁架自平衡體系的矢高會較大，假如索桁架跨度超出15m則桁架矢高會超出2m。索桁架的缺點是桁架布置要和玻璃分格對應，不能象鋼桁架那樣隔跨布置，外觀桿件比較多，加工施工難度大。索桁架結構的優(yōu)點是結構外觀較通透輕盈，與玻璃可以有機的結合成一體，同樣結構對邊界支座的要求較低；

4.3 如果采用索網結構，索跨度不能太大，最好在20m以內，否則索的絕對變形和撓度很大，撓度最好控制在0.5m之內。索桁架缺點是需要施加預應力，所以對邊界要求很高，邊界桿構件需要很強，同時加工施工難度都較大。索桁架結構的優(yōu)點是結構外觀通透輕盈，纖細的索作為結構，它對玻璃效果的影響幾乎可以忽略，可以完美的和玻璃融為一個整體；

以上分析結論是建立在計算機模擬的條件下，一些節(jié)點連接、支座構造和預應力施加方案等都需要通過實驗的手段檢驗。

[1]《玻璃幕墻工程技術規(guī)范》JGJ 133-2001

[2]《建筑結構荷載規(guī)范》GB 50009-2012

[3]《索結構玻璃幕墻用索桁架的設計與質量控制》王德勤

[4]《懸索結構設計》沈世釗等

[5]《CSI分析參考手冊》