高層建筑中單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工研究

楊凡

(中國城市建設(shè)研究院有限公司,北京100120)

單層索網(wǎng)幕墻用于高層建筑的施工,主要是因為這種結(jié)構(gòu)具有良好的視覺滲透性,并且整個組件薄而簡單。因此,將該結(jié)構(gòu)應(yīng)用于一些高層建筑取得了良好的效果。單層索網(wǎng)狀幕墻結(jié)構(gòu)主要由一些柔性索網(wǎng)組成。同時,可以施加良好的預(yù)應(yīng)力以形成良好的剛性結(jié)構(gòu),力過程在索網(wǎng)中逐漸變形,有效地實現(xiàn)機械平衡,并提高了剛性和承載能力。可以看出,在目前的高層建筑施工過程中,一些高層建筑在施工過程中必須采用單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu),以提高高層建筑的整體質(zhì)量。

1 索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)形式

在當(dāng)前的高層建筑施工過程中,單層索網(wǎng)幕墻根據(jù)索網(wǎng)布局可分為兩層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)和單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)。單向索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)主要依靠玻璃來提供穩(wěn)定的支撐,因此玻璃索網(wǎng)相互支撐以形成非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),而雙向(三向)索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)主要形成一件。兩種不同方向(三個方向)的式結(jié)構(gòu)。

另外,根據(jù)另一相應(yīng)的外索布,整個索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)可分為兩種:扁平索網(wǎng)和非扁平索網(wǎng)?？梢愿鶕?jù)周邊之間的不同情況將集成的索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)與輔助索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)連接。整體式索網(wǎng)狀幕墻結(jié)構(gòu)通過鋼纜直接連接到主體,每個組件都可以直接支撐相應(yīng)的纜線。連接的獨立索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)將索網(wǎng)與主體結(jié)構(gòu)分開。根據(jù)其主要部件的功能,在索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)中形成了一個平衡的系統(tǒng),見圖1。

圖1 單層幕墻結(jié)構(gòu)

2 高層中單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計情況

在目前許多建筑物的施工過程中,可以看出,大多數(shù)高層建筑物采用單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu),更普遍的是,主體是凹進的,或者在兩個主要結(jié)構(gòu)之間可以建立良好的連接關(guān)系。使整個建筑獲得良好的效果。因此,在未來的高層建筑施工過程中,有必要設(shè)計與幕墻結(jié)構(gòu)相結(jié)合的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。例如,下面將詳細(xì)分析應(yīng)力硬化和幾何非線性。

2.1 邊界條件

當(dāng)前的高層建筑設(shè)計表明,單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)是常用的,但是有必要在設(shè)計位置將兩個不同的主體結(jié)構(gòu)或單個主體以凹形連接起來,從而提高了建筑質(zhì)量。由于索網(wǎng)結(jié)構(gòu)在施工過程中需要應(yīng)用水平和垂直索網(wǎng),因此可以有效抵抗預(yù)應(yīng)力,并繼續(xù)抵抗幕墻結(jié)構(gòu)的外力,邊界結(jié)構(gòu)不受大索力的影響。因此,可以在主體結(jié)構(gòu)的建造過程中獲得更好的平衡。在這種設(shè)計模式下,如果不可能有效地形成抵抗傾斜張力的自平衡系統(tǒng),則設(shè)計人員必須通過邊界結(jié)構(gòu)不斷提高結(jié)構(gòu)剛度。

例如,某高層建筑物的主立面使用了寬約40.5m,高約53m的索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)。設(shè)計采用一體式索網(wǎng)結(jié)構(gòu),橫向索網(wǎng)的兩端固定在結(jié)構(gòu)的兩側(cè),主鋼筋混凝土柱可以獲得良好的固定效果。因此,有必要在計算過程中充分考慮鋼柱的弊端。難以有效地承受索網(wǎng)的結(jié)構(gòu)索網(wǎng)強度。這時,有必要在鐵柱的兩側(cè)增加地板桁架。上部錨索可以完全固定在鋼桁架上,下部通過錨索和門框與地下梁板固定,詳見圖2。

圖2 索網(wǎng)邊界條件

2.2 荷載作用

單層索網(wǎng)幕墻最重要的部分是負(fù)載效應(yīng),即風(fēng)荷載?？梢詮臏?zhǔn)確的風(fēng)荷載獲得相應(yīng)的結(jié)構(gòu)計算。同時,可以成功地找到結(jié)合良好設(shè)計的風(fēng)洞測試模式,以降低整個索網(wǎng)結(jié)構(gòu)必須承受的壓力,即柔性結(jié)構(gòu)。因此,使用常用的剛性壓力測量模型很難精確地控制仿真的靈活性。因此,在風(fēng)洞測試中添加球彈性模型可以有效地監(jiān)視載荷。這也是關(guān)鍵負(fù)載,在設(shè)計過程中必須充分考慮這一點,因為索網(wǎng)的影響會在溫度的影響下逐漸增加。

2.3 索網(wǎng)布置

在高層建筑的建造過程中,必須充分保證整個幕墻玻璃的實際安全性。控制采用單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu),索網(wǎng)間距控制在2m 以內(nèi)。通常,拉鏈之間的距離約為1.2～1.5m。對于雙向鋪設(shè)索網(wǎng),方形索網(wǎng)網(wǎng)格更為合適。但是,在施工過程中,單向網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)的豎向索網(wǎng)不僅必須承受一定的載荷,而且還要承受豎向載荷的作用力。因此,在單向索網(wǎng)狀幕墻中,需要控制一定的高度。換句話說,它不應(yīng)該太高。在雙向垂直索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)中,水平和垂直索網(wǎng)可以相互支撐并發(fā)揮特定作用,水平和垂直索網(wǎng)可以很好地承受水平載荷。

2.4 內(nèi)力及初始應(yīng)力

垂直索網(wǎng)不僅可以支撐整個幕墻的重量,而且還可以完美地確保側(cè)面索網(wǎng)的強度穩(wěn)定。如果在使用過程中交叉索網(wǎng)損壞,也可以防止整個幕墻掉落。在屋頂雙向索網(wǎng)幕墻的結(jié)構(gòu)中,長寬比也必須得到很好的控制。換句話說,兩者之間的差距不應(yīng)太大。水平索網(wǎng)和垂直索網(wǎng)都必須能夠同時承受垂直負(fù)載。當(dāng)長寬比大于1.5 時,短索網(wǎng)可以有效地承受垂直負(fù)載,而長索網(wǎng)則只需穩(wěn)定下來。高層建筑中的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)靈活。施加初始預(yù)張力后,整個結(jié)構(gòu)可以更好地承受正常載荷。如果在施工過程中僅施加一個預(yù)應(yīng)力,它將無法很好地承受水平力。外部載荷的逐漸增加給邊界結(jié)構(gòu)增加了負(fù)擔(dān),這在設(shè)計過程中違反了經(jīng)濟合理性原則。在良好的預(yù)應(yīng)力下,常用的控制方法約為索網(wǎng)斷裂張力的15 至30。同樣,在控制索網(wǎng)內(nèi)部力的過程中,直接方向是選擇索網(wǎng)直徑。在施工過程中,按照《索網(wǎng)結(jié)構(gòu)技術(shù)》的相關(guān)要求,整條索網(wǎng)的安全系數(shù)應(yīng)不大于2.5。

2.5 變形

在主要受風(fēng)荷載影響的單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)中,邊界位置出現(xiàn)一定的變形曲線,切向斜率逐漸增大。而且,接觸變形位置中間位置附近的變形表面的切線的斜率較小,如圖3 所示。

圖3 單層索網(wǎng)變形結(jié)構(gòu)

因此,玻璃面板在周邊附近的四點變形比較大,在幕墻面板的設(shè)計過程中必須加強,并且在連接結(jié)構(gòu)上必須采取幾種措施以減少不良的變形。另外,為了確保幕墻的安全性,有必要通過單層索網(wǎng)的結(jié)構(gòu)分析來確定面板的變形范圍。變形太大會影響幕墻玻璃的安全性。如果嚴(yán)格控制變形,索網(wǎng)的張力也會增加。因此,必須不斷提高單層索網(wǎng)的邊界剛度。從以上分析可以看出,索網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要控制以下關(guān)鍵點:最大索網(wǎng)力不應(yīng)超過最低溫度下的索網(wǎng)力值。在最高溫度下無法放松。

3 索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)

在高層建筑建造過程中,索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)與以前的形式共存并相互影響。特別是在高層建筑物中的索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)的建造存在困難,并且存在技術(shù)困難,需要建筑人員集中精力處理。

3.1 索張拉伸較大

在施工過程中,索網(wǎng)網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)的高層建筑被豎向和水平方向的索網(wǎng)拉伸,其伸長率隨著張力的增加而增加。因此,在通常情況下,對索網(wǎng)進行必要的調(diào)整很難滿足其配置要求,并且某些特殊的張緊技術(shù)可以很好地解決該問題。

3.2 變形影響

由于高層建筑使用單層索網(wǎng)狀幕墻結(jié)構(gòu),因此它們通常具有在頂部共享桁架的日光屋頂。此時,桁架在張緊過程中逐漸變形,桁架的變形逐漸導(dǎo)致纜索力分布的變化,下部纜索受到門廳和遮篷梁的影響。例如,在變形的情況下,內(nèi)力的影響變得非常敏感,其它載荷導(dǎo)致內(nèi)力的重新分布,因此在施工過程中必須格外小心。

4 結(jié)論

從以上分析可以看出,單層索網(wǎng)幕墻的結(jié)構(gòu)是根據(jù)索網(wǎng)的幾何形狀、索布布置和邊界條件的各種差異進行具體分類的。索網(wǎng)的表面主要由預(yù)應(yīng)力決定,它由兩部分組成:索網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和幾何非線性特性:應(yīng)力產(chǎn)生器,大位移和小變形。這些用于高層建筑。索網(wǎng)的布局和預(yù)應(yīng)力都與以前的結(jié)構(gòu)有很大不同。因此,施工人員需要根據(jù)這些情況制定合理的施工計劃,以不斷提高高層建筑施工的整體質(zhì)量。