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(jié)構(gòu)，外側(cè)弧形拉索的張力通過(guò)中間的鋼撐桿進(jìn)行自平衡，實(shí)現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)不用承擔(dān)拉索較大的張力初衷，從而減少砼結(jié)構(gòu)截面尺寸降低工程造價(jià)，實(shí)現(xiàn)觀賞性和實(shí)用性的相統(tǒng)一。但魚腹式結(jié)構(gòu)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(xiàng)目)的建筑效果評(píng)審中，魚腹式自平衡拉索幕墻的方案被業(yè)主放棄，轉(zhuǎn)而采用現(xiàn)在較流行的單拉索點(diǎn)式玻璃幕墻，作為該工程主入口的主要形象展示。

單拉索點(diǎn)式幕墻，由于沒(méi)有穩(wěn)定索及其后的鋼結(jié)構(gòu)，在美觀和通透性上非常出色，但相應(yīng)的拉索預(yù)張力也較大。因此，為了減少主體結(jié)構(gòu)截面，要求工程設(shè)計(jì)人員避免將拉索較大的張力作用在砼結(jié)構(gòu)上。

筆者在承接到此設(shè)計(jì)任務(wù)后，在仔細(xì)研究了該項(xiàng)目的建筑立面后，發(fā)現(xiàn)全玻幕墻并不是一整塊連續(xù)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(wǎng)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(jù)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(nèi)形成自平衡體系，使拉索的張拉力轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)自身的內(nèi)力，但不會(huì)傳遞到砼結(jié)構(gòu)上。整個(gè)結(jié)構(gòu)上承擔(dān)的風(fēng)載、地震力、玻璃自重的荷載，通過(guò)與鋼箱梁連接的連接件傳遞到砼結(jié)構(gòu)上。

1 工程概況

該工程位于廈門市區(qū)，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(jié)構(gòu)自重)

拉索幕墻采用單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，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(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值

基本風(fēng)壓W0=0.8kN/m2；

風(fēng)振系數(shù)取βz取1.2，依據(jù)《索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》5.4.3條規(guī)定，對(duì)于形狀簡(jiǎn)單的中小跨度索結(jié)構(gòu)，風(fēng)振系數(shù)可取為：?jiǎn)嗡?.2～1.5[1]。因?yàn)樵摴こ趟骺缍葹?950mm、5600mm，跨度較小，故取值1.2。

拉索幕墻最大高度10m，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說(shuō)明，該工程地面粗糙度為B類，查《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，取風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz=1.0。

經(jīng)計(jì)算，該拉索幕墻處于墻面區(qū)，體型系數(shù)μs取為1.0，考慮到封閉建筑物內(nèi)部壓力，最終體型系數(shù)取μs=1.0+0.2=1.2；

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：Wk=1.2×1.2×1.0×0.8=1.152kN/m2。

(4)地震作用

根據(jù)土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總說(shuō)明，工程所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場(chǎng)地類別為二類，設(shè)計(jì)特征周期為0.4S。地震作用由軟件自動(dòng)加載計(jì)算。

(5)溫度作用

計(jì)算中考慮溫差極限值為-15℃～30℃。

2 采用SAP2000軟件進(jìn)行分析計(jì)算

采用三維通用結(jié)構(gòu)分析軟件SAP2000 Ultimate C15.2.1進(jìn)行非線性計(jì)算分析，整體模型和計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2～圖3所示。

圖2 整體模型

圖3 計(jì)算簡(jiǎn)圖

3 拉索選用及參數(shù)

拉索結(jié)構(gòu)上采用316不銹鋼拉索，外表面做galfan-coaed處理，相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示[2]。

表1 鋼索選用參數(shù)表

4 荷載輸入

(1)鋼索初始預(yù)拉力值設(shè)定

拉索的初始預(yù)拉力和頂、底二根箱梁的截面尺寸存在相關(guān)性，當(dāng)鋼梁截面不變時(shí)，初始預(yù)拉力越大，鋼梁的撓度也越大，非線性迭代計(jì)算往往不收斂。因此，初始預(yù)拉力和鋼梁截面要經(jīng)過(guò)反復(fù)試算才能予以確認(rèn)，采用盡可能小的預(yù)拉力和鋼梁截面，達(dá)到合理的拉索變形量為宜，不能一味增大預(yù)拉力。經(jīng)過(guò)試算，最終按鋼索直徑及預(yù)拉力布置表確定鋼索初始預(yù)拉力，預(yù)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(yù)拉力布置表

圖4 初始預(yù)拉力布置圖

(2)風(fēng)荷載

玻璃所受風(fēng)荷載采用虛面導(dǎo)荷載。入口大門風(fēng)荷載轉(zhuǎn)為線荷載作用在相應(yīng)桿件上，石材裝飾柱作用在單獨(dú)的鋼桁架上，不參與拉索結(jié)構(gòu)計(jì)算。對(duì)入口自動(dòng)感應(yīng)門所受的風(fēng)載，將所有風(fēng)載轉(zhuǎn)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(jù)不銹鋼駁接爪的實(shí)際受力情況，將玻璃面板的荷載轉(zhuǎn)成節(jié)點(diǎn)荷載，因?yàn)轳g接爪與拉索間距較小，故忽略玻璃面板的自重附加彎矩。對(duì)自動(dòng)感應(yīng)門位置玻璃及配件自重，轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)必須考慮溫度變形的影響。該項(xiàng)目拉索的主要受力方向是豎向，因此在定義溫度作用時(shí)只定義豎向的拉索和鋼構(gòu)件。對(duì)水平方向，在設(shè)計(jì)支座構(gòu)造時(shí)，對(duì)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(gòu)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?yàn)樗鹘Y(jié)構(gòu)變形較大，因此不能按通常的線性結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算，應(yīng)考慮拉索大位移情況下進(jìn)行非線性計(jì)算。

5.1 工況

依次按實(shí)際荷載加載情況逐一加載，預(yù)拉力→自重→風(fēng)載→溫升(降)→地震作用的順序進(jìn)行加載。

(1)預(yù)應(yīng)力工況

預(yù)拉力為不銹鋼索在受到其他工況前預(yù)先進(jìn)行張拉時(shí)的張力，如圖5所示。

圖5 加預(yù)應(yīng)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(diǎn)爪及玻璃產(chǎn)生的自重工況，如圖6所示。

圖6 加恒載工況

(3)風(fēng)載工況

“荷載工況名稱”填入：風(fēng)載；“從上次非線性工況終點(diǎn)繼續(xù)”選擇：恒載；“荷載類型”選擇：風(fēng)載，玻璃安裝完成后，風(fēng)荷載對(duì)玻璃的作用工況參照?qǐng)D6。

(4)溫升工況

當(dāng)環(huán)境溫度比不銹鋼索張拉完成時(shí)的溫度更高時(shí)，索松弛時(shí)的工況參照?qǐng)D6。

(5)溫降工況

當(dāng)環(huán)境溫度比不銹鋼索張拉完成時(shí)的溫度更低時(shí)，索張緊時(shí)的工況參照?qǐng)D6。

(6)施工與風(fēng)荷載相同方向的平面外Y向地震反應(yīng)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(qiáng)度計(jì)算用組合，變形計(jì)算用組合，具體如下：

組合1-9(Comb1-Comb9)為強(qiáng)度計(jì)算用非線性組合：

Comb1(1.2恒+1.4風(fēng))；

Comb2(1.2恒+1.4溫升)；

Comb3(1.2恒+1.4溫降)；

Comb4(1.2恒+1.4風(fēng)+1.4×0.6溫升)；

Comb5(1.2恒+1.4風(fēng)+1.4×0.6溫降)；

Comb6(1.2恒+1.4溫升+1.4×0.6風(fēng))；

Comb7(1.2恒+1.4溫降+1.4×0.6風(fēng))；

Comb8(1.2恒+1.3地震)；

Comb9(1.2恒+1.3地震+1.4×0.2風(fēng))；

組合10-11(Comb10-Comb11)為撓度計(jì)算用非線性組合：

Comb10(1.0恒+1.0風(fēng)+1.0×0.6溫升)；

Comb11(1.0恒+1.0風(fēng)+1.0×0.6溫降)。

由于單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)是典型的幾何非線性結(jié)構(gòu)，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定的基本組合表達(dá)式不適用于這種結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)的計(jì)算，否則會(huì)使其總安全系數(shù)降低[3]。因此非線性計(jì)算時(shí)，不能采用疊加原理，不能類同與線性結(jié)構(gòu)一樣在荷載組合中進(jìn)行簡(jiǎn)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(jìn)行加載計(jì)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(jì)算后可知，在組合5(1.2恒+1.4風(fēng)+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(qiáng)度校核表

6.2 不銹鋼索最大位移

軟件計(jì)算后可知，在Comb10(1.0恒+1.0風(fēng)+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(qiáng)度、撓度校核

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

鋼梁在Comb11(1.0恒+1.0風(fēng)+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(yīng)力云圖

8 注意事項(xiàng)

8.1 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意事項(xiàng)

在承載能力極限狀態(tài)下，對(duì)結(jié)構(gòu)不利時(shí)預(yù)應(yīng)力分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)取1.2[4]。相關(guān)書籍中也有預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力的分項(xiàng)系數(shù)按恒載考慮[5]。該項(xiàng)目中預(yù)應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)不利，在承載能力極限計(jì)算時(shí)，預(yù)拉力分項(xiàng)應(yīng)取為1.2，再進(jìn)行后續(xù)工況加載。

鋼框架中的壓桿承擔(dān)較大的壓應(yīng)力，盡量采用純鉸接的結(jié)構(gòu)型式避免產(chǎn)生附加彎矩，選用較大的截面剛度避免發(fā)生壓桿失穩(wěn)的情況。

8.2 預(yù)拉方法及施工過(guò)程中注意事項(xiàng)

眾所周知，預(yù)拉力就是拉索幕墻的靈魂，所以預(yù)拉力的施加對(duì)于拉索幕墻極為重要。結(jié)合該工程拉索幕墻特點(diǎn)，為使該工程達(dá)到設(shè)計(jì)質(zhì)量要求，現(xiàn)總結(jié)技術(shù)要點(diǎn)如下。

8.2.1施工仿真計(jì)算分析

拉索幕墻邊界變形和拉索內(nèi)力之間相互影響，需利用有限元計(jì)算軟件如SAP2000進(jìn)行施工仿真模擬計(jì)算。通過(guò)模擬計(jì)算，給出每根拉索每級(jí)張拉力值，為實(shí)際張拉時(shí)的張拉力值的確定提供理論依據(jù)；給出每張拉一步結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力分布，為張拉過(guò)程中的變形監(jiān)測(cè)及索力監(jiān)測(cè)提供理論依據(jù)；根據(jù)計(jì)算出來(lái)的張拉力大小，選擇合適的張拉機(jī)具，并設(shè)計(jì)合理的張拉工裝；從而保證預(yù)應(yīng)力張拉質(zhì)量和過(guò)程安全。

8.2.2預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程

幕墻索結(jié)構(gòu)的張拉成形過(guò)程，主要就是確定預(yù)應(yīng)力過(guò)程的次序、步驟、采用的機(jī)械設(shè)備、每次預(yù)應(yīng)力過(guò)程的張拉量值，同時(shí)控制結(jié)構(gòu)的形狀變化，該工程通過(guò)對(duì)稱分級(jí)的方法，完成張拉成形過(guò)程。

張拉的總體思路：在每一個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元范圍內(nèi)同步對(duì)稱張拉，2根拉索同時(shí)張拉，每根拉索調(diào)節(jié)端單端張拉。張拉分3級(jí)，第1級(jí)張拉到設(shè)計(jì)初拉力的50%，第2級(jí)張拉到設(shè)計(jì)初拉力的75%，第3級(jí)張拉到設(shè)計(jì)初拉力的105%。

為區(qū)分不同拉索，需對(duì)拉索進(jìn)行編號(hào)，整個(gè)拉索幕墻以鋼柱為分界線，分成3個(gè)區(qū)域，編號(hào)按“從左往右”的原則進(jìn)行。總體張拉順序如圖10所示。

圖10 拉索編號(hào)及張拉順序

8.2.3施工監(jiān)控

幕墻索結(jié)構(gòu)的成形過(guò)程中，在每一階段預(yù)應(yīng)力過(guò)程中，結(jié)構(gòu)都經(jīng)歷一個(gè)自適應(yīng)的過(guò)程，結(jié)構(gòu)會(huì)經(jīng)過(guò)自平衡而使內(nèi)力重分布，形狀也隨之改變，所以預(yù)應(yīng)力過(guò)程的監(jiān)控十分重要。該工程施工過(guò)程中，采用拉索張拉力控制為主，同時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)變形為輔助控制方法，以確保結(jié)構(gòu)施工期安全，保證結(jié)構(gòu)的張拉完成初始狀態(tài)與原設(shè)計(jì)相符。

施工階段索力監(jiān)測(cè)可以通過(guò)油壓傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。對(duì)變形的監(jiān)測(cè)采用全站儀，監(jiān)測(cè)索網(wǎng)邊界構(gòu)件的變形，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在每段鋼梁跨中位置。

在每級(jí)張拉結(jié)束，測(cè)量鋼結(jié)構(gòu)的變形。在張拉過(guò)程中將測(cè)量的變形與計(jì)算的理論變形進(jìn)行比較，如果差別較大(超過(guò)20%且超過(guò)5mm)時(shí)停止張拉，找到原因并確定解決方案后再繼續(xù)張拉。

9 結(jié)論

通過(guò)結(jié)構(gòu)內(nèi)力自平衡的設(shè)計(jì)方法，可以在不使砼結(jié)構(gòu)承擔(dān)較大作用力的情況下設(shè)計(jì)出較美觀、通透的拉索幕墻方案。對(duì)非線性計(jì)算，不能類同與線性結(jié)構(gòu)一樣在荷載組合中進(jìn)行簡(jiǎn)單的疊加。SAP2000非線性工況定義與組合定義相結(jié)合，能分析出不同工況和組合下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形情況，非常方便直觀。

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