梁柱承载式自平衡单层拉索幕墙设计

赵志刚

(锐建工程咨询有限公司 福建厦门 361004)

0 引言

提到自平衡拉索幕墙，大家通常想到的是鱼腹式拉索幕墙，拉索和钢撑杆形成鱼腹式结构，外侧弧形拉索的张力通过中间的钢撑杆进行自平衡，实现主体结构不用承担拉索较大的张力初衷，从而减少砼结构截面尺寸降低工程造价，实现观赏性和实用性的相统一。但鱼腹式结构自身组成截面较大，在美观和通透性方面略有瑕疵。因此，在本案(厦门某工程项目)的建筑效果评审中，鱼腹式自平衡拉索幕墙的方案被业主放弃，转而采用现在较流行的单拉索点式玻璃幕墙，作为该工程主入口的主要形象展示。

单拉索点式幕墙，由于没有稳定索及其后的钢结构，在美观和通透性上非常出色，但相应的拉索预张力也较大。因此，为了减少主体结构截面，要求工程设计人员避免将拉索较大的张力作用在砼结构上。

笔者在承接到此设计任务后，在仔细研究了该项目的建筑立面后，发现全玻幕墙并不是一整块连续的，而是被石材装饰柱遮挡住分为3部分。因此，决定采用梁柱承载式自平衡单层索网体系，将钢梁和钢柱隐藏到立面不通透的石材幕墙后，将拉索张拉在上下2根钢箱梁间，位于立面的通透部分。钢箱梁之间根据石材造型柱的位置，间距支撑钢箱柱。拉索、箱梁、箱柱在平面内形成自平衡体系，使拉索的张拉力转化为结构自身的内力，但不会传递到砼结构上。整个结构上承担的风载、地震力、玻璃自重的荷载，通过与钢箱梁连接的连接件传递到砼结构上。

1 工程概况

该工程位于厦门市区，如图1所示，玻璃最大分格为2350×1417mm，拉索最大跨度为8950mm。荷载信息如下：

图1 拉索幕墙立面图

(1) 恒载(不包括钢结构自重)

拉索幕墙采用单层索网结构，面层采用厚15mm钢玻璃；

玻璃自重：0.015×25.6=0.384kN/m2，考虑不锈钢爪件等因素，取自重放大1.2倍：0.384×1.2=0.46kN/m2。

(2)活载：0kN/m2

(3)风荷载标准值

基本风压W0=0.8kN/m2；

风振系数取βz取1.2，依据《索结构技术规程》5.4.3条规定，对于形状简单的中小跨度索结构，风振系数可取为：单索1.2～1.5[1]。因为该工程索跨度为8950mm、5600mm，跨度较小，故取值1.2。

拉索幕墙最大高度10m，根据结构设计说明，该工程地面粗糙度为B类，查《建筑结构荷载规范》，取风压高度变化系数μz=1.0。

经计算，该拉索幕墙处于墙面区，体型系数μs取为1.0，考虑到封闭建筑物内部压力，最终体型系数取μs=1.0+0.2=1.2；

风荷载标准值：Wk=1.2×1.2×1.0×0.8=1.152kN/m2。

(4)地震作用

根据土建结构设计总说明，工程所在地区的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g，设计地震分组为第二组，场地类别为二类，设计特征周期为0.4S。地震作用由软件自动加载计算。

(5)温度作用

计算中考虑温差极限值为-15℃～30℃。

2 采用SAP2000软件进行分析计算

采用三维通用结构分析软件SAP2000 Ultimate C15.2.1进行非线性计算分析，整体模型和计算简图如图2～图3所示。

图2 整体模型

图3 计算简图

3 拉索选用及参数

拉索结构上采用316不锈钢拉索，外表面做galfan-coaed处理，相关技术参数如表1所示[2]。

表1 钢索选用参数表

4 荷载输入

(1)钢索初始预拉力值设定

拉索的初始预拉力和顶、底二根箱梁的截面尺寸存在相关性，当钢梁截面不变时，初始预拉力越大，钢梁的挠度也越大，非线性迭代计算往往不收敛。因此，初始预拉力和钢梁截面要经过反复试算才能予以确认，采用尽可能小的预拉力和钢梁截面，达到合理的拉索变形量为宜，不能一味增大预拉力。经过试算，最终按钢索直径及预拉力布置表确定钢索初始预拉力，预拉力比最小破断力在20%左右为宜，如表2所示。

表2 钢索直径及预拉力布置表

图4 初始预拉力布置图

(2)风荷载

玻璃所受风荷载采用虚面导荷载。入口大门风荷载转为线荷载作用在相应杆件上，石材装饰柱作用在单独的钢桁架上，不参与拉索结构计算。对入口自动感应门所受的风载，将所有风载转成线荷载(1.94kN/m)直接加到入口大门门头钢梁上。

(3)玻璃自重

根据不锈钢驳接爪的实际受力情况，将玻璃面板的荷载转成节点荷载，因为驳接爪与拉索间距较小，故忽略玻璃面板的自重附加弯矩。对自动感应门位置玻璃及配件自重，转化成竖向自重线荷载(1.38kN/m)加到入口大门门头钢梁上。

(4)温度作用

由于钢索受温度变化影响较大，因此拉索结构必须考虑温度变形的影响。该项目拉索的主要受力方向是竖向，因此在定义温度作用时只定义竖向的拉索和钢构件。对水平方向，在设计支座构造时，对部分支座在水平X方向(平行玻璃的方向)予以释放，以便让钢梁在水平方向不受约束自由伸缩，因此水平向钢构件不定义温度荷载。温度作用按以下方式加载：①索及梁间撑杆温上升30度；②索及梁间撑杆温降低15度。

5 工况及荷载组合

因为索结构变形较大，因此不能按通常的线性结构进行分析计算，应考虑拉索大位移情况下进行非线性计算。

5.1 工况

依次按实际荷载加载情况逐一加载，预拉力→自重→风载→温升(降)→地震作用的顺序进行加载。

(1)预应力工况

预拉力为不锈钢索在受到其他工况前预先进行张拉时的张力，如图5所示。

图5 加预应力工况

(2)恒载工况

不锈钢拉索张拉完成后，在拉索上安装不锈钢点爪及玻璃产生的自重工况，如图6所示。

图6 加恒载工况

(3)风载工况

“荷载工况名称”填入：风载；“从上次非线性工况终点继续”选择：恒载；“荷载类型”选择：风载，玻璃安装完成后，风荷载对玻璃的作用工况参照图6。

(4)温升工况

当环境温度比不锈钢索张拉完成时的温度更高时，索松弛时的工况参照图6。

(5)温降工况

当环境温度比不锈钢索张拉完成时的温度更低时，索张紧时的工况参照图6。

(6)施工与风荷载相同方向的平面外Y向地震反应谱工况，如图7所示。

图7 Y向地震作用

5.2 荷载组合

分为强度计算用组合，变形计算用组合，具体如下：

组合1-9(Comb1-Comb9)为强度计算用非线性组合：

Comb1(1.2恒+1.4风)；

Comb2(1.2恒+1.4温升)；

Comb3(1.2恒+1.4温降)；

Comb4(1.2恒+1.4风+1.4×0.6温升)；

Comb5(1.2恒+1.4风+1.4×0.6温降)；

Comb6(1.2恒+1.4温升+1.4×0.6风)；

Comb7(1.2恒+1.4温降+1.4×0.6风)；

Comb8(1.2恒+1.3地震)；

Comb9(1.2恒+1.3地震+1.4×0.2风)；

组合10-11(Comb10-Comb11)为挠度计算用非线性组合：

Comb10(1.0恒+1.0风+1.0×0.6温升)；

Comb11(1.0恒+1.0风+1.0×0.6温降)。

由于单层索网结构是典型的几何非线性结构，《建筑结构荷载规范》规定的基本组合表达式不适用于这种结构承载能力极限状态的计算，否则会使其总安全系数降低[3]。因此非线性计算时，不能采用叠加原理，不能类同与线性结构一样在荷载组合中进行简单叠加，需要变通。在SAP2000中将以上Comb1～Comb11组合定义为非线性荷载工况，按非线性工况进行加载计算，如图8所示。

图8 非线性组合一

6 不锈钢索最大拉力和位移

6.1 不锈钢索最大拉力

SAP2000软件计算后可知，在组合5(1.2恒+1.4风+1.4×0.6温降)作用下，不锈钢索拉力最大，Cable_24不锈钢索最大拉力为126.44kN，Cable_20不锈钢索最大拉力为76.27kN，如表3所示。

表3 不锈钢索在组合力下的强度校核表

6.2 不锈钢索最大位移

软件计算后可知，在Comb10(1.0恒+1.0风+1.0×0.6温升)作用下，不锈钢索位移量最大，Cable_24不锈钢索最大Y向位移为144.2mm，Cable_20不锈钢索最大Y向位移为90.2mm，如表4所示。

表4 不锈钢索在组合力下的位移校核表 mm

7 钢梁强度、挠度校核

上下2根钢箱梁截面选用箱850×450×20×30，其强度如图9所示。钢框架强度校核云图(应力比不超过0.5)。

钢梁在Comb11(1.0恒+1.0风+1.0×0.6温降)下跨中最大挠度(为5.7mm≤8750/500=17.5mm)。

图9 钢梁、钢柱应力云图

8 注意事项

8.1 设计时应注意事项

在承载能力极限状态下，对结构不利时预应力分项系数应取1.2[4]。相关书籍中也有预应力结构中预应力的分项系数按恒载考虑[5]。该项目中预应力对结构不利，在承载能力极限计算时，预拉力分项应取为1.2，再进行后续工况加载。

钢框架中的压杆承担较大的压应力，尽量采用纯铰接的结构型式避免产生附加弯矩，选用较大的截面刚度避免发生压杆失稳的情况。

8.2 预拉方法及施工过程中注意事项

众所周知，预拉力就是拉索幕墙的灵魂，所以预拉力的施加对于拉索幕墙极为重要。结合该工程拉索幕墙特点，为使该工程达到设计质量要求，现总结技术要点如下。

8.2.1施工仿真计算分析

拉索幕墙边界变形和拉索内力之间相互影响，需利用有限元计算软件如SAP2000进行施工仿真模拟计算。通过模拟计算，给出每根拉索每级张拉力值，为实际张拉时的张拉力值的确定提供理论依据；给出每张拉一步结构的变形及应力分布，为张拉过程中的变形监测及索力监测提供理论依据；根据计算出来的张拉力大小，选择合适的张拉机具，并设计合理的张拉工装；从而保证预应力张拉质量和过程安全。

8.2.2预应力张拉过程

幕墙索结构的张拉成形过程，主要就是确定预应力过程的次序、步骤、采用的机械设备、每次预应力过程的张拉量值，同时控制结构的形状变化，该工程通过对称分级的方法，完成张拉成形过程。

张拉的总体思路：在每一个独立的结构单元范围内同步对称张拉，2根拉索同时张拉，每根拉索调节端单端张拉。张拉分3级，第1级张拉到设计初拉力的50%，第2级张拉到设计初拉力的75%，第3级张拉到设计初拉力的105%。

为区分不同拉索，需对拉索进行编号，整个拉索幕墙以钢柱为分界线，分成3个区域，编号按“从左往右”的原则进行。总体张拉顺序如图10所示。

图10 拉索编号及张拉顺序

8.2.3施工监控

幕墙索结构的成形过程中，在每一阶段预应力过程中，结构都经历一个自适应的过程，结构会经过自平衡而使内力重分布，形状也随之改变，所以预应力过程的监控十分重要。该工程施工过程中，采用拉索张拉力控制为主，同时监测结构变形为辅助控制方法，以确保结构施工期安全，保证结构的张拉完成初始状态与原设计相符。

施工阶段索力监测可以通过油压传感器进行监测。对变形的监测采用全站仪，监测索网边界构件的变形，监测点布置在每段钢梁跨中位置。

在每级张拉结束，测量钢结构的变形。在张拉过程中将测量的变形与计算的理论变形进行比较，如果差别较大(超过20%且超过5mm)时停止张拉，找到原因并确定解决方案后再继续张拉。

9 结论

通过结构内力自平衡的设计方法，可以在不使砼结构承担较大作用力的情况下设计出较美观、通透的拉索幕墙方案。对非线性计算，不能类同与线性结构一样在荷载组合中进行简单的叠加。SAP2000非线性工况定义与组合定义相结合，能分析出不同工况和组合下的结构内力和变形情况，非常方便直观。

参考文献

[1] JGJ257-2012 索结构技术规程[S].2012.

[2] 坚朗点支承玻璃幕墙配件典型产品目录[Z].2016.

[3] 陈昌宏，黄莺.SAP2000在幕墙钢结构中的设计与应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[4] JGJ257-2012 索结构技术规程[S].2012.

[5] 张其林.建筑索结构设计计算与实例精选[M].北京：中国建筑工业出版社，2009..