金成大廈采光頂平面雙向單層柔性網索結構采光頂設計
金成大廈采光頂幕墻工程的設計及施工
見《建筑結構》2009年7期
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一下為初稿
【摘 要】 金成大廈屋面采光頂雙向單層柔性網索結構幕墻設計，分析了預埋件的計算、雙向單層柔性網索結構計算、理論分析和施工方法，并通過有限元分析和施工位移控制進行了驗證。
【關鍵詞】雙向單層柔性網索幕墻、結構計算、施工位移控制
1， 工程概況
新建的金成大廈工程位于北京市金融街，建筑幕墻面積為27000㎡，由可拆卸通槽式鋁合金掛件石材幕墻、單元框式玻璃幕墻、單索幕墻（門頭部位）、鋁板幕墻和采光頂雙向單層柔性網索結構幕墻。其中在屋面中庭部位采用了雙向單層柔性網索點式玻璃幕墻，面積為420㎡，本工程的采光頂是國內外最大的采用雙向單層柔性網索結構幕墻工程。
2， 幕墻簡介
本工程7層～18層中心區域設有中庭（尺寸為15m×25m），在18層標高處設置玻璃采光頂，見附圖(1).采光頂采用平面雙向單層柔性索網支承（網索分格尺寸為1910㎜×1500㎜，見附圖1-1）。拉索分別采用φ28㎜（橫向）和φ24㎜（縱向）不銹鋼鋼索，采用1×61不銹鋼鉸線，初始張拉應力為250N/㎜2。
采光頂玻璃面板采用點支承中空玻璃10㎜(LOW-E)+12A+8㎜+1.14PVB+8㎜，玻璃由雙向單層索網豎向桿支承。
3， 平面雙向單層柔性索網控制目標
（1）承載力要求：單根索的最大設計索力不超過索體最小破斷力/1.8；
（2）變形要求：在（0.9×預應力+1.0×自重）變形狀態基礎上，后續相對變形限值按L/120控制，L為索網短向（橫向）的跨度；在吸風荷載作用下，索網不會出現上撓變形。
（3）索網節點的豎向位移要求：為保證整個玻璃頂面達到預設的建筑造型要求，索網節點的豎向變形值不等，根據索網（1.0預應力+1.0玻璃及連接件自重）作用下的變形以及玻璃面板的排水坡度5％確定網索與玻璃之間的支承桿件的長度。
4， 作用和作用組合
（1）基本作用情況
·玻璃面板及安裝附件自重：0.026×25.6+0.01＝0.6756 KN/ ㎡
·施工荷載取0.5 KN/㎡，雪荷載按50年一遇的雪壓計算，取0.4 KN/㎡，同時考慮半跨（長跨）不利布置。
·風荷載按50年一遇考慮，基本風壓取0.45 KN/㎡，風振系數取1.6，風壓高度變化系數按D類地面取1.02，風荷載體型系數：壓風時取0.2，吸風時取-0.6。所以，風荷載的標準值：壓風為0.1469 KN/㎡，吸風為-0.4406 KN/㎡。
· 溫度作用按升溫+300C，降溫為-150C，進行強度驗算時溫度作用的分項系數取1.2。
·地震作用。由于本工程索網采光頂自重較輕，地震作用工況不起控制作用。不進行地震作用的計算。
（2）作用組合
①承載力驗算時，作用組合工況
·工況1：1.0×預應力+1.2×自重+1.4×施工活載+1.4×0.4×壓風+1.2×0.7×降溫
·工況2：1.0×預應力+1.2×自重+1.4×施工活載+1.4×0.6×壓風+1.2×0.49×降溫
·工況3：1.0×預應力+1.2×自重+1.4×0.7×施工活載+1.4×0.4×壓風+1.2×降溫
·工況4：1.0×預應力+1.2×自重+1.4×半跨雪載+1.4×0.4×壓風+1.2×0.7×降溫
·工況5：1.0×預應力+1.2×自重+1.4×半跨雪載+1.4×0.6×壓風+1.2×0.49×降溫
·工況6：1.0×預應力+1.2×自重+1.4×0.7×半跨雪載+1.4×0.4×壓風+1.2×降溫
·工況7：采用工況1～工況6中的最不利工況，預應力系數調整為1.1。
②吸風荷載下承載力和變形驗算時，作用組合工況
·工況8：0.9×預應力+1.0×自重+1.4×吸風+1.4×0.7×升溫
·工況9：0.9×預應力+1.0×自重+1.4×0.6×吸風+1.4×升溫
③變形驗算時，作用組合工況
·工況10：0.9×預應力+1.0×自重+1.0×施工活載+0.4×壓風+0.7×升溫
·工況11：0.9×預應力+1.0×自重+1.0×施工活載+0.6×壓風+0.49×升溫
·工況12：0.9×預應力+1.0×自重+0.7×施工活載+0.4×壓風+1.0×升溫
·工況13：0.9×預應力+1.0×自重+1.0×半跨雪載+0.4×壓風+0.7×升溫
·工況14：0.9×預應力+1.0×自重+1.0×半跨雪載+0.6×壓風+0.49×升溫
·工況15：0.9×預應力+1.0×自重+0.7×半跨雪載+0.4×壓風+1.0×升溫
·工況16：0.9×預應力+1.0×自重+1.0×吸風+0.7×升溫
·工況17：0.9×預應力+1.0×自重+0.6×吸風+1.0×升溫
5， 計算分析結果
（1）考慮受主體結構在溫度作用下的變形對索網結構影響，對整體結構采用SAP2000結構軟件進行了溫度工況分析，發現主體結構在溫度作用下的變形對索網自身在溫度作用下的索力變化是有利的，所以不考慮周邊支承結構的變形影響。索網結構分析采用美國通用有限元分析軟件ANSYS。
（2）承載力驗算結果：通過有限元分析軟件ANSYS對工況1～工況7工況進行計算分析，工況7為最不利的。橫向（X向）索最大所力為229.054KN，小于橫向索的設計承載力484.0/1.8=268.9KN，滿足索的承載力要求；縱向（Y向）索的最大索力為135.8KN，小于縱向索的設計承載力363.55/1.8=202.0KN，滿足索的承載力要求。
工況7的橫向軸力云圖(單位為N)
工況7的縱向軸力云圖(單位為N)
（3）吸風荷載驗算結果：通過計算分析在（0.9×預應力+1.0×自重）的初態最大位移為237.905㎜（絕對值）。對工況8～工況9進行計算，工況8終態最大位移49.5㎜（絕對值），工況9終態最大位移166.176㎜（絕對值）。所以在最不利的吸風荷載作用下，索網的豎向位移都處于向下狀態，滿足預設變形要求。
0.9×預應力+1.0×自重工況下的豎向位移云圖(單位為mm)
工況9豎向位移云圖(單位為mm)
（4）變形驗算結果：通過對工況10～工況17計算分析，工況10相對于初始狀態（0.9×預應力+1.0×自重）的豎向相對變形最大，為117.8㎜，與跨度L比值為1/127,滿足預設的變形限值（1/120）要求；此時，索網總撓度為355.7，與跨度L比值為1/42。豎向位移數據見下圖
工況10的豎向位移云圖(單位為mm)
(5)預埋件驗算：根據最不利工況7的支座反力值的安全系數取2.0。進行預埋件計算。
6， 施工控制
(1)為了達到預設的建筑造型,也就是在初始狀態1.0×預應力+1.0×自重的豎向最大點的位移224.7mm。此結構為網狀結構,各支承桿長短不一,所以，通過有限元軟件模擬計算各節點的豎向位移,才能加工支承桿的長度。通過1.0x預應力+1.0x自重的工況計算可知如下數據；(a)節點編號,(b)節點豎向位移云圖，(c)節點豎向位移表
(a)節點編號
(b)節點豎向位移云圖(單位為mm)
(c)節點豎向位移表
節點編號 豎向位移 節點編號 豎向位移 節點編號 豎向位移
1 0.0000 2 -32.542 3 -54.397
4 -67.375 5 -74.298 6 -76.478
7 -74.298 8 -67.375 9 -54.397
10 -32.542 11 0.0000 12 0.0000
13 -54.170 14 -95.907 15 -122.84
16 -137.89 17 -142.73 18 -137.89
19 -122.84 20 -95.907 21 -54.170
22 0.0000 23 -155.56 24 -176.41
25 -183.21 26 -176.41 27 -155.56
28 -119.33 29 -65.631 30 0.0000
31 -65.631 32 -119.33 33 0.0000
34 -174.12 35 -198.60 36 -206.66
37 -198.60 38 -174.12 39 -132.29
40 -71.804 41 0.0000 42 -71.804
43 -132.29 44 0.0000 45 -183.98
46 -210.49 47 -219.25 48 -210.49
49 -183.98 50 -139.10 51 -75.004
52 0.0000 53 -75.004 54 -139.10
55 0.0000 56 -188.22 57 -215.62
58 -224.70 59 -215.62 60 -188.22
61 -142.02 62 -76.368 63 0.0000
64 -76.368 65 -142.02 66 0.0000
67 -188.22 68 -215.62 69 -224.70
70 -215.62 71 -188.22 72 -142.02
73 -76.368 74 0.0000 75 -76.368
76 -142.02 77 0.0000 78 -183.98
79 -210.49 80 -219.25 81 -210.49
82 -183.98 83 -139.10 84 -75.004
85 0.0000 86 -75.004 87 -139.10
88 0.0000 89 -174.12 90 -198.60
91 -206.66 92 -198.60 93 -174.12
94 -132.29 95 -71.804 96 0.0000
97 -71.804 98 -132.29 99 0.0000
100 -155.56 101 -176.41 102 -183.21
103 -176.41 104 -155.56 105 -119.33
106 -65.631 107 0.0000 108 -65.631
109 -119.33 110 0.0000 111 0.0000
112 -54.170 113 -95.907 114 -122.84
115 -137.89 116 -142.73 117 -137.89
118 -122.84 119 -95.907 120 -54.170
121 0.0000 122 -67.375 123 -74.298
124 -76.478 125 -74.298 126 -67.375
節點編號 豎向位移 節點編號 豎向位移 節點編號 豎向位移
127 -54.397 128 -32.542 128 -32.542
129 0.0000 130 -32.542 131 -54.397
132~150 0.0000
結論:最大豎向位移在節點58, 豎向位移為-224.70mm。根據各節點豎向位移與建筑造型可得各個支承桿的加工長度。
(2),考慮施工誤差和施工工藝,豎向支承桿件可加工成可調節件,調節尺寸為±50mm。主要調節采光頂坡度的平整度和安裝玻璃工藝。
(3),預應力的張拉應分批、分級、分時進行；φ28㎜索的預應力為110KN，φ24㎜索預應力為80 KN
(4)，張拉順序：先張拉橫向索,再張拉縱向索。由于直線索，長度不大,采用一端張拉的方法。
(5)，分三級張拉,第一天第一次張拉至預定張拉力的20%，第三天第二次張拉至預定張拉力的70%，第五天第三次張拉至預定張拉力的100%。第六、七天再測量索力,并和理論值進行比較,誤差控制在3%范圍內。直到測量索力穩定為止。
(6)，安裝玻璃時首先從中央開始向四周對稱施工,進行各個節點位移的測量與理論值進行校核，采用可調節支承桿件和駁接頭進行微調，使玻璃孔壁不受擠壓狀態和調節采光頂的平整度,
局部全景
局部節點
