索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與張拉方案研究

索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與張拉方案研究

1航站樓及交通換乘中心幕墻重慶璧江北國際機(jī)場(chǎng)位于重慶重慶兩江區(qū)。2004年一期工程完成。此次新建的T2A航站樓及交通換乘中心位于現(xiàn)有航站樓的南側(cè),總建筑面積約84000m2。T2A航站樓由主樓、南指廊、南連廊、北連廊組成,層數(shù)為3層半,結(jié)構(gòu)上除屋蓋采用鋼結(jié)構(gòu)屋蓋外,其余均為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。T2A航站樓及交通換乘中心幕墻包括主樓、連廊、指廊、交通換乘中心及登機(jī)橋固定端的幕墻五部分。各部分的位置關(guān)系見圖1。其中涉及不銹鋼點(diǎn)駁接平面拉索玻璃幕墻、普通玻璃幕墻、鋁板幕墻和石材幕墻等形式,幕墻面積約4.5萬m2。在上述幕墻結(jié)構(gòu)中,T2A航站樓主樓所采用的單層平面索網(wǎng)玻璃幕墻是本工程的一大亮點(diǎn),也是本工程幕墻結(jié)構(gòu)中的最大難點(diǎn),其索網(wǎng)幕墻體系面積近10000m2,并且一側(cè)長度達(dá)到180m,見圖2。2在陸側(cè)和空邊節(jié)點(diǎn)設(shè)置抗風(fēng)平面桁架航站樓主樓單層索網(wǎng)幕墻玻璃選用TP12+12A+TP10+2.28PVB+TP10中空夾膠鋼化玻璃,大面玻璃基本尺寸為3m×2m。其幕墻結(jié)構(gòu)體系為:(1)在整個(gè)幕墻體系的四角形成剛度較大的三角格構(gòu)柱,陸側(cè)三角格構(gòu)柱的平面尺寸為2.73m×2.72m(北端)和2.73m×2.2m(南端),在7.5m標(biāo)高結(jié)構(gòu)層錨固;空側(cè)三角格構(gòu)柱的平面尺寸為2.64m×2.675m,在12.93m標(biāo)高結(jié)構(gòu)層錨固。三角格構(gòu)柱各肢在下端分別與混凝土框架結(jié)構(gòu)鉸接,上端與其上的曲線環(huán)梁相連。(2)在三角格構(gòu)柱之間設(shè)置抗風(fēng)平面桁架,在陸側(cè)和空側(cè),平面桁架的間距為18m,陸側(cè)桁架高度約為17m,平面桁架寬1.2m,在7.5m標(biāo)高結(jié)構(gòu)層錨固;空側(cè)桁架高度約為8.2m,平面桁架寬1.2m,在12.93m標(biāo)高結(jié)構(gòu)層錨固;在山墻側(cè)平面桁架的間距為9m或10m,桁架高度約為10~19m不等。其中,由于夾層鋼結(jié)構(gòu)的限制,山墻側(cè)的部分抗風(fēng)平面桁架從16.6m標(biāo)高夾層結(jié)構(gòu)處,寬度由1.2m變?yōu)?00mm,桁架至12.93m標(biāo)高結(jié)構(gòu)層錨固?？癸L(fēng)桁架下部與混凝土框架結(jié)構(gòu)鉸接,以減少屋面鋼結(jié)構(gòu)位移對(duì)幕墻結(jié)構(gòu)體系的影響。(3)抗風(fēng)桁架上部與曲線鋼環(huán)梁相連,鋼環(huán)梁采用實(shí)腹式箱形截面,其曲線形狀與屋面結(jié)構(gòu)走勢(shì)基本相同,在平面桁架頂部與曲線環(huán)梁連接位置,曲線環(huán)梁與屋面鋼結(jié)構(gòu)采用水平鏈桿進(jìn)行連接,僅提供幕墻平面的出平面支撐。該節(jié)點(diǎn)可保證幕墻結(jié)構(gòu)體系與屋面鋼結(jié)構(gòu)體系在豎向傳力體系方面基本獨(dú)立。在抗風(fēng)平面桁架的內(nèi)弦及外弦均設(shè)置隅撐與曲線環(huán)梁連接,解決抗風(fēng)平面桁架的抗扭和穩(wěn)定問題。(4)在陸側(cè)和空側(cè)邊跨設(shè)置三角格構(gòu)柱與抗風(fēng)平面桁架之間的剛性支撐區(qū)格,增強(qiáng)幕墻鋼結(jié)構(gòu)體系的整體性和魯棒性。(5)前4步形成的鋼結(jié)構(gòu)體系將作為平面索網(wǎng)體系的支撐結(jié)構(gòu)體系。平面索網(wǎng)體系由水平索和豎向索交織而成,其中,水平索系承擔(dān)部分風(fēng)荷載,同時(shí)提供平面抗風(fēng)桁架的面外穩(wěn)定性;豎向索系承擔(dān)玻璃及不銹鋼駁接件自重,并與水平索共同承擔(dān)風(fēng)荷載。水平索拉接在抗風(fēng)桁架的外弦桿以及三角格構(gòu)柱之間;豎向索上端與曲線鋼環(huán)梁相連,下端拉接在混凝土框架結(jié)構(gòu)上。(6)平面索網(wǎng)構(gòu)成幕墻玻璃面板的支撐結(jié)構(gòu)體系。玻璃面板的自重以及玻璃面板上的風(fēng)荷載將通過駁接爪件傳遞到幕墻支撐結(jié)構(gòu)體系上。結(jié)構(gòu)體系布置見圖3。3網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1屋面鋼結(jié)構(gòu)對(duì)幕墻體系的支撐索網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用ANSYS軟件進(jìn)行。在該結(jié)構(gòu)體系中,屋面鋼結(jié)構(gòu)為幕墻體系提供水平支撐,因此需考慮屋面鋼結(jié)構(gòu)對(duì)幕墻體系的影響。采用屋面鋼結(jié)構(gòu)體系與幕墻結(jié)構(gòu)體系整體建模的方法進(jìn)行計(jì)算。整體計(jì)算模型如圖4所示。3.2加載值結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的確定(1)恒荷載:包括幕墻結(jié)構(gòu)體系自重、玻璃及其附屬構(gòu)件自重。(2)索網(wǎng)風(fēng)荷載:基本風(fēng)壓為0.4kN/m2;風(fēng)振系數(shù)取2.0,風(fēng)荷載體型系數(shù)按風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果分12個(gè)分區(qū)施加。根據(jù)數(shù)值風(fēng)洞報(bào)告,對(duì)12個(gè)風(fēng)向角分別計(jì)算比較,最終選擇起控制作用的4個(gè)風(fēng)向角,分別是0°,90°,180°,270°。風(fēng)壓高度變化系數(shù)按項(xiàng)目實(shí)際情況考慮。(3)溫度作用按±25℃考慮。(4)根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2001),幕墻水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)為qEk=αmaxGk/A。據(jù)此計(jì)算,水平地震作用僅為0.04kN/m2,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于風(fēng)荷載的取值,因此地震作用將不起控制作用。(5)屋面鋼結(jié)構(gòu)的影響。為了與幕墻體系計(jì)算的工況相對(duì)應(yīng),屋面鋼結(jié)構(gòu)考慮如下荷載:屋面板系統(tǒng)自重、屋面活荷載、溫度作用及與索網(wǎng)風(fēng)荷載對(duì)應(yīng)的屋面風(fēng)荷載。其中,由于幕墻結(jié)構(gòu)體系安裝時(shí),屋面鋼結(jié)構(gòu)體系已安裝完成,因此不考慮屋面鋼結(jié)構(gòu)體系自重對(duì)幕墻結(jié)構(gòu)體系的影響。3.3內(nèi)、外弦桿件面外的設(shè)計(jì)在該幕墻結(jié)構(gòu)體系中,需要專門確定計(jì)算長度的構(gòu)件主要是指平面桁架的內(nèi)、外弦桿的面外計(jì)算長度,其他構(gòu)件的計(jì)算長度都相對(duì)明確。在確定平面桁架的內(nèi)、外弦桿件的面外計(jì)算長度時(shí),考慮水平拉索對(duì)平面桁架的面外支撐作用。采用整體屈曲分析的方法,確定各構(gòu)件的臨界軸力Ncr,根據(jù)歐拉公式即可確定內(nèi)、外弦構(gòu)件面外的計(jì)算長度取值。由計(jì)算結(jié)果可知,水平拉索對(duì)桁架外弦桿件的面外支撐作用非常明顯,平面桁架外弦桿的面外計(jì)算長度基本控制在2個(gè)節(jié)間范圍內(nèi)(水平索間距2m,平面桁架外弦桿的面外計(jì)算長度均小于4m),構(gòu)件長細(xì)比均滿足設(shè)計(jì)要求。3.4降溫作用+0.98屋頂活載索網(wǎng)承載力驗(yàn)算時(shí),起控制作用的荷載組合為:1.0預(yù)應(yīng)力+1.2恒載+1.4風(fēng)荷載+0.84降溫作用+0.98屋面活載。在最不利荷載組合工況作用下,以陸側(cè)幕墻為例,水平索和豎向索中最大張力分別為190kN和344kN,均小于索的受拉承載力設(shè)計(jì)值(標(biāo)稱直徑28mm和36mm的不銹鋼索的受拉設(shè)計(jì)承載力分別為242,410kN),滿足規(guī)范要求。3.5索網(wǎng)幕墻撓跨比索網(wǎng)的變形應(yīng)定義為結(jié)構(gòu)自初始預(yù)應(yīng)力狀態(tài)之后的撓度。索網(wǎng)相對(duì)最大變形值出現(xiàn)在1.0(恒載+預(yù)應(yīng)力)+1.0風(fēng)荷載+0.7升溫作用+0.7屋面活載組合工況下,索網(wǎng)幕墻的最大撓度為312mm,撓跨比達(dá)到1/51,滿足平面索網(wǎng)玻璃幕墻撓跨比小于1/45的變形限值。4墻結(jié)構(gòu)穿過下混凝土結(jié)構(gòu)的拉伸和收縮4.1結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)T2A航站樓主樓下部的混凝土結(jié)構(gòu)沿180m方向共設(shè)置2道伸縮縫,一道處于軸和(8)之間,另一道處于軸(14)和之間。伸縮縫將混凝土結(jié)構(gòu)分成了3部分,長度分別為63,55,63m。而上部屋面鋼結(jié)構(gòu)則連成一個(gè)整體,不設(shè)置伸縮縫。幕墻結(jié)構(gòu)體系也采用了不設(shè)置伸縮縫的設(shè)計(jì),即幕墻結(jié)構(gòu)為一連續(xù)結(jié)構(gòu),將跨越混凝土結(jié)構(gòu)的2道伸縮縫。在跨越伸縮縫的位置,對(duì)幕墻結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)需要進(jìn)行具體的分析。4.2混凝土結(jié)構(gòu)拉伸根據(jù)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)部分的層位移在7.5m標(biāo)高層X向最大位移為1.97mm,Y向最大位移為1.5mm;13m標(biāo)高層X向最大位移為3.95mm,Y向最大位移為4.64mm。該位移值為風(fēng)荷載及小震作用下的計(jì)算結(jié)果。在溫度荷載作用下,取溫度為25℃,若按照自由伸縮考慮,則總伸縮量為15.75mm,若考慮兩端伸縮變形,則伸縮縫處的位移值約為7.9mm。由于混凝土結(jié)構(gòu)并非自由伸縮,而是受到了混凝土柱及基礎(chǔ)的約束作用,該伸縮值大約為7mm?？梢?溫度變形值大于小震的計(jì)算結(jié)果,在下面的計(jì)算中將按照溫度作用的計(jì)算位移加以考慮。4.3結(jié)構(gòu)的伸縮縫位移幕墻結(jié)構(gòu)體系與伸縮縫的關(guān)系如圖5所示。由于伸縮縫主要對(duì)陸側(cè)和空側(cè)幕墻產(chǎn)生影響,為清楚起見,將陸側(cè)部分模型單獨(dú)抽取出來進(jìn)行索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)在伸縮縫位移時(shí)的受力影響分析。分別考慮升溫工況和降溫工況(同時(shí)考慮1.0恒載+1.0預(yù)應(yīng)力)。例如在考慮降溫工況時(shí),認(rèn)為3部分混凝土結(jié)構(gòu)各自收縮。因此伸縮縫處相鄰的混凝土各自向內(nèi)側(cè)收縮7mm,在伸縮縫處將產(chǎn)生14mm的相對(duì)位移。對(duì)于同一部分的混凝土來說,其兩側(cè)各自向內(nèi)收縮7mm,中點(diǎn)處保持不動(dòng),其余各部分按比例施加指定的收縮量。具體的位移方向如圖5中箭頭所示,升溫工況位移方向與圖示方向相反。4.3.1粗線所示范圍內(nèi)部分索段力量細(xì)度分別進(jìn)行考慮和不考慮伸縮縫影響的溫度工況計(jì)算,對(duì)伸縮縫周圍的索段內(nèi)力進(jìn)行比較。以軸(8)附近索段為例,由索段內(nèi)力計(jì)算結(jié)果可知,考慮或不考慮伸縮縫,僅對(duì)圖6粗線所示范圍的索段內(nèi)力產(chǎn)生了明顯影響,其余索段索力變化均在5%左右。上述粗線所示范圍的索段內(nèi)力在升溫工況索力減小了70kN,在降溫工況索力增加了70kN,該索段位于跨越伸縮縫位置的最下層水平索段。根據(jù)承載能力極限狀態(tài)計(jì)算結(jié)果,查詢圖6粗線所示范圍的索段在荷載工況下的索力可知,最大索力為166kN,最小索力為92kN,索力減少70kN后為22kN,拉索不會(huì)退出工作;該索為直徑28mm不銹鋼拉索,最大索力控制指標(biāo)為242kN,索力增加70kN后為236kN,滿足上述控制指標(biāo)要求。4.3.2拉索伸縮縫的控制根據(jù)上述分析可知,伸縮縫對(duì)于玻璃的影響將集中在伸縮縫附近的最下面一層玻璃。該處的玻璃上面兩點(diǎn)采用駁接爪進(jìn)行連接,該處索力增加70kN,相當(dāng)于拉索兩點(diǎn)間的變形約為3mm,這部分變形依靠爪件的調(diào)節(jié)能力是可以吸收的;而玻璃下部則采用嵌入玻璃槽內(nèi)的設(shè)計(jì)方式,將不隨伸縮縫的相對(duì)位移而運(yùn)動(dòng),該處的伸縮縫相對(duì)位移將通過玻璃膠吸收。由上述分析可知,由于柔性結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的變形適應(yīng)能力,使得伸縮縫處14mm的相對(duì)位移在第1層索段即縮減為3mm,可以得出結(jié)論,伸縮縫不會(huì)對(duì)幕墻結(jié)構(gòu)體系產(chǎn)生破壞作用。因此,該幕墻結(jié)構(gòu)體系跨越伸縮縫的設(shè)計(jì)是安全的。5張拉豎向索及水平索的選擇索結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)決定了在其設(shè)計(jì)階段必須考慮其張拉施工的基本方法,而張拉方案的制定必須與設(shè)計(jì)思路相互一致,預(yù)應(yīng)力施工與設(shè)計(jì)緊密配合才能實(shí)現(xiàn)上述要求。在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了初步的張拉施工模擬計(jì)算,提出了下述張拉方案原則。(1)本索網(wǎng)幕墻體系共四片,即陸側(cè)幕墻、空側(cè)幕墻、左側(cè)山墻幕墻和右側(cè)山墻幕墻,雖然這四片幕墻通過角部的三角格構(gòu)柱連接成一個(gè)整體,但四片幕墻之間基本是相對(duì)獨(dú)立的。每一片幕墻自成體系,其索力的相互影響在5%以內(nèi)。因此,制定張拉方案時(shí)可不考慮四片幕墻之間的前后張拉順序和同步性,可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況分片張拉。(2)開始張拉前,應(yīng)保證幕墻結(jié)構(gòu)體系與屋面鋼結(jié)構(gòu)之間建立必要的水平聯(lián)系。否則,在幕墻面外沒有水平約束,這在張拉過程中是極不安全的。豎向索的張拉會(huì)引起抗風(fēng)平面桁架的豎向位移,該位移值在1cm以內(nèi),在此位移條件下,曲線環(huán)梁與屋面鋼結(jié)構(gòu)之間的鏈桿基本保持水平,不會(huì)造成豎向索預(yù)拉力向屋面鋼結(jié)構(gòu)傳遞。(3)對(duì)于同一片幕墻而言,應(yīng)先張拉水平索,再張拉豎向索。先張拉水平索的目的是建立平面桁架的面外支撐條件,因?yàn)樨Q向索張拉將給平面桁架帶來巨大的軸壓力,為保證平面桁架的穩(wěn)定性,必須先張拉水平索。如前文所述,在索網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),也考慮了水平索對(duì)平面桁架外弦桿件的面外支撐作用。(4)對(duì)于同一片幕墻而言,應(yīng)盡可能遵守對(duì)稱同步的原則進(jìn)行張拉。例如對(duì)于水平索而言,可先選擇首先張拉最上面兩根、最下面兩根和中間兩根,盡早建立平面桁架的面外支撐條件。對(duì)于豎向索而言則是要注意平面桁架兩側(cè)豎向索張拉的均勻性,避免平面桁架兩側(cè)索力不平衡造成平面桁架整體的面外穩(wěn)定問題。(5)由于該工程水平拉索較長,確定合適的張拉距離特別重要。張拉距離過長,可能造成預(yù)應(yīng)力不易控制且張拉行程過大;張拉距離過短,可能造成索頭過多。且由于本工程的特殊性,平面桁架兩側(cè)的水平索必須同時(shí)張拉,因此會(huì)造成張拉節(jié)點(diǎn)過多等問題。該工程水平索長180m,根據(jù)支撐條件每根水平索分4段,即每根水平索有5個(gè)錨具位置。其中兩端采用帶調(diào)節(jié)套筒的雙耳錨具,該錨具拉接在三角格構(gòu)柱上;而中間部分均采用中間張緊錨具組,該錨具的優(yōu)勢(shì)在于張拉可保證錨具兩側(cè)拉索的同時(shí)張拉,這也就實(shí)現(xiàn)了平面桁架兩