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结构工程师:单层索结构在建筑幕墙中的应用

来源:网友上传  2012-4-25 22:48:54   【一起学:终身教育引导者
    玻璃幕墙作为现代建筑“外表皮”在一定呈度上是现代建筑的重要符号。有些建筑理论家将当前建筑的趋势总结为“光、薄、透“,现代建筑师们在进行建筑设计过程中把与人自然的交流,人们的视觉效果已经放到了一个非常重要的位置。建筑师们给玻璃幕墙的设计和制作者们提出了一个又一个新的课题,使玻璃幕墙越来越向着大空间、大通透、高性能的方向发展!玻璃幕墙的发展到今天已有几十种形式。从有框到无框,从吊挂式到点支承,各种支撑结构形式的玻璃幕墙供建筑师们选择,而最能体现大空间大通透的玻璃幕墙应属近年来在幕墙业兴起的索杆结构点驳接玻璃幕墙。
    本文介绍的单层悬索结构体系点支式玻璃幕墙又是一种全新的幕墙支撑结构体系,它的受力索工作状态是双向受力与双层索杆体系的单向受力相比,构造简单,索的工作效率大大提高,幕墙的体形更加薄、透、轻盈。
    1.单索结构幕墙的概念与工作原理
    单索结构玻璃幕墙是悬索结构点支式玻璃幕墙中的一种类型,其幕墙玻璃的支承结构为单层平面索网结构,它可以是一个单索网结构单元组成的,也可以由多个单索网结构组成的玻璃幕墙,大大节省了支撑结构所用的空间,对于玻璃幕墙支撑结构来说,是一种全新的受力体系。
    1.1单索网结构的工作原理
    分析单索支撑结构的工作原理也就是要了解单索网平面抵抗风荷载作用时的工作状态,了解单索网结构作为玻璃幕墙的支撑结构使索网的变形与预应力的关系。索内应力的大小索网平面在抵抗风荷载时各节点的适应能力。
    在玻璃幕墙平面受外部荷载后通过玻璃的连接机构将外部荷载转化成节点荷载P,节点荷载P作用在索网结构上,只要在索网中有足够的预应力N0和挠度F,就可以满足力学的平衡条件。当P为某一确定值时,挠度F和预应力N0成反比。即预应力N0值越大,挠度F就越小。F=P/N0。因此挠度F和预应力N0是单层平面索网的两个关键参数,必须经过试验和计算分析后才能确定。
    2、单索结构玻璃幕墙重要节点的设计
    由于单索的索网结构是靠跨中弯曲变形来支承风荷载的,所以对钢索的要求和节点的适应变形能力要求及高。理论上只要有风,钢索就要产生变形,每个索上节点就必须承担相应的工作来达到整体幕墙的性能。
    玻璃连接机构是保证单索幕墙使用性能的关键点,其形状和连接方式有多种,但都必须达到以下条件:A、有足够的强度支承玻璃自重和受荷载产生的压力。B、要有足够的适应变形能力不至于在玻璃受荷载变形时产生过大的应力点或面。C、直接有效的将玻璃板面上的荷载转递到支承结构上.
    在调节轴端的设计时应考虑在变形时的适应能力,防止在钢索与索压头结合处产生弯曲,调节端的作用是调节索内应力。施工过程中一般是在调节端施加预应力进行索内应力的调整,在使用维修维护过程中用调节端来调节各条索的内力平衡,这就要求此节点不但在安装过程可调整索内应力使用过程中也必须可调整,才能满足幕墙的使用性能。
    3、单索结构玻璃幕墙的施工要点
    3.1对钢索的要求
    由于索结构玻璃幕墙有结构外露的特点,在索的选型、制作与加工过程中在确保索受力性能的基础上还要考虑其外形、防腐,表面美观等因素,所以在索的制作过程中要有严格的加工工艺控制。
    A、索结构玻璃幕墙所使用的钢索的工作状态是处于持续永久受力状态,为保证钢索稳定工作性能,对每条钢索在使用前都必须进行预张拉处理目的是消除索内非弹性变形因素,使其在工作状态中应力与应变呈线性关系,在弹性变形状态下工作。
    预张拉的拉力取用钢索破断力的50%,经3次反复张拉历时1.5h。
    B、钢索的下料长度是否精确对索的施工安装和预应力形成有很大的影响,经实践证明采用拉应力状态下料对保证下料尺寸精度有很大的帮助,也就在下料前对钢索施加一定的轴向拉应力使钢索拉直后进行切割,下料时必须注意经预张拉处理后的索才可以按图纸尺寸要求长度下料,同时注意在同一工程使用的同一直径索在进行拉应力状态下料时,拉力应保持一致。
    3.2施工前的试验与检测
    索结构玻璃幕墙的性能指标是由结构构造和材料性能,安装精度等多方面因素所决定的,所以在施工前应按实际使用的材料及安装方案进行各项性能的检测,确保达到设计要求。
    对索结构幕墙必须进行检测与试验:A幕墙性能检测:抗风压性能、水密性、气密性、地震位移。B索结构承载静力试验(按设计值的1.5倍)。C钢索破断力试验:索套管接头压制后进行破断力试验。D结构与玻璃连接机构的承载力试验。G材料的化学分析、物理性能试验。
    3.3施加预应力
    单层悬索体系的挠度和预应力成正比,为确保幕墙的性能在幕墙受最大荷载时挠度不易大于L/50,这就决定了其钢索的预应力值较双层悬索体系的预应力大很多,预应力越大施工中预应力施加的难度就越大,因此在设计时就应考虑到施工顺序和预应力施加方案。施工人员严格按规定的步骤进行施工,防止出现由于施加预应力强起的支承结构严重超载的现象。
    我们根据深圳市市民中心大型平面索网采光天棚(50m×32m)的施工经验和广州国际会展中心、宁波机场几十项索结构点支式玻璃的方案,结合哈尔滨国际会展体育中心单索结构玻璃幕墙的1:1单元静力荷载试验结果制定单索结构玻璃幕墙的索内预应力施加方案预应力分三个阶段进行施加。
    (1)在进行索预应力张拉前先将坚向索布设到位,采用专用工装将索拉直,并使用有拉力传感器的液压千斤顶进行第一级张拉(施加预应力(按最终预应力值的20%)。顺序是从中部向两端逐条张拉。当全部竖向索的第一级张拉完成后安装机横向索并逐要进行第一级张拉到位,此后对索的分布尺寸进行一次复合测量,将中部锁紧机构按尺寸安装到位(只进行初始连接不锁紧)。
    经调整达到索内力基本平衡,中部节点空间定位尺寸基本到位后进行第二级张拉(施加到最终预应力值的80%)。顺序与第一次张拉一致。张拉全部到位后按各节点总定位尺寸将索的锁紧机构和玻璃连接机构调整到位并进行初期锁紧和初期固定,持24小时后检查各边部节点和中部节点以及边缘支承结构。
    当确定各节点和边部支承结构无异常情况后,进行第三级张拉(拉到最终预应力值)之后进行尺寸精度测量调整(消除横、竖索的相互干扰)锁紧各节点的连接机构。待76小时后再进行一次尺寸复合采用高精度的索内力测定仪对索内应力进行检测,确认内力均衡后方可进行下一道安装工序。 
    (2)在施加预应力过程中必须注意以下几个方面:
    A、施工时预应力的确定要按施工过程中的气温变化调整预应力,设计人员要给施工人员提供合拢温度与预应力值对照表确保索内应力在温度变化过程中的均衡状态和安全性。
    B、在节点定位时应考虑到钢索的长度是随着拉应力的增力面伸长,不论是在一端施加预应力还是在两端同时施加预应力都要按索的弹性模量E和索的金属有效面积A计算出伸长量来保证节点定位的准确度,减少调整量.
    C、张拉设备的拉力传感器和索内应力测定仪在使用前应进行标定,保证测出应力指标的可靠性。
    D、在施加预应力的过程中要同时观查边部支承结构的变形情况和稳定性,看是否符合设计要求,发现异常情况要及时处理。
    3.4现场配重检测与玻璃安装
    1、配重检测在预应力施加后,玻璃安装之前应取一个单元对索网结构进行配重检测,用配重的方法类似在玻璃安装后玻璃的自重对索网结构的影响,确保玻璃安装后节点尺寸和变形在设计允许的范围内。
    (1)配重物尽可能的安装在玻璃重力线上,配重的重量应为玻璃重力荷载的1.2倍。 
     G配重=G玻璃×1.1
    (2)配重应逐级进行,当配重全部施加结束24小时后,对节点位置进行尺寸精度测量,配重的节点位移量不应大于2mm,同时对索内力进行检测,并详细记录各节点的索内应力情况,和边缘节点的变形量,并在配重物卸载后测量变形复位情况。确保在设计允许范围内。
    2、在配重检测结束后方可进行玻璃安装,玻璃安装和打胶处理可按常规的点支式玻璃幕墙安装方案进行,为减少由于玻璃自重对竖向索内应力影响宜采取由下向上的安装顺序。 来源:网友上传- 二级结构专业

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