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    曲面索结构玻璃幕墙承载性能的探讨（一）

    ——寿光文化中心索结构幕墙


    发布时间：2010-08-24





    作者：王德勤


    【摘  要】：本文从寿光市文化中心预应力索桁架结构点式玻璃幕墙的实际工程入手，对支承结构的设计、构造技术进行了讨论。对索结构点式玻璃幕墙的承载能力进行分析，特别是对于索结构点支式玻璃幕墙的预应力形成及部分重要节点处理方案和设计方法作了分析。
    【关键词】：索结构点式玻璃幕墙，点支式支承，节点设计，预应力，钢索预张拉处理。


        1、引言
        随着科学技术和工业生产的发展，许多有利于幕墙发展的新思想、新技术、新材料和新工艺被开发出来，并成功应用到幕墙设计和制造上，解决了长期妨碍幕墙发展的许多问题，从而使幕墙在近年来获得飞速的发展，在建筑上得到了广泛的应用。
        作为不断发展中的前沿建筑技术，索结构是一种活跃的结构类型。工程师充分发挥钢材抗拉性能好的特性，利用包括钢棒、扁钢、高强度冷拉钢丝编织而成的钢索等材料，布置出空间张拉结构体系。而人们根据不同的需要，将钢索摆放出个性鲜明的造型，在不同空间形态下表现出迥异的结构特点。
        点支式玻璃连接技术因安全可靠的连接构造，广泛应用于大跨度建筑空间。其支承体系可灵活布置，并朝着大尺度、轻型化的方向发展。已从刚架、桁架、网架、玻璃肋等刚性支承体系，发展到目前大量使用的基于预应力张拉技术的柔性支承体系。柔性结构体系与点支式玻璃结合使用，将二者轻盈、通透的共性发挥到极致，使建筑内外空间自然和谐的融为一体。钢索结构，在没有施加预应力前没有刚度，结构形状也不确定，必须施加预应力后才能承受荷载。是极具发展潜力的建筑结构体系。

    图1.1 寿光市文化中心夜景鸟瞰图

    图1.2 寿光市文化中心东北向平视照片

     

        1.1 寿光市文化中心工程概况：
        寿光地处山东半岛北部，渤海莱州湾南畔，潍坊地区西南，总面积2180平方公里，辖17处镇，人口108万，自然条件优越，资源物产丰富，农业优势突出，多次筹办“世界蔬菜博览会”以巨大的经济潜力和良好的投资环境引起了海内外各界的广泛重视。
        寿光市文化中心位于寿光市新城区，是寿光市政府财政拨款筹建的重点工程、形象工程。该工程由同济大学建筑设计研究院设计，幕墙工程面积大约38500m2，建筑主体长轴约133.2m，短轴约103.3m，最高点高度约为25m，本工程共分为三个施工区域。这三个施工区域既相互独立而又相互连接。

    图 1.1  寿光市文化中心分区图

     

        大体划分情况如下：
        寿光市文化中心分区图：Ⅰ区椭球体幕墙系统、椭球体与主楼连接部分；Ⅱ区锅炉房幕墙系统，主体Y12-Y17轴幕墙系统；Ⅲ区其余主体部分幕墙系统。
        在Ⅰ区按工程项目内容分为：椭球体幕墙系统、椭球体与主体圆形玻璃连廊系统、鱼腹拉索点式玻璃幕墙系统、点式玻璃采光顶幕墙系统、入口大厅铝板挑檐幕墙系统、铝合金装饰格栅、背栓式叠型石材幕墙系统、横向条形石材及玻璃幕墙系统等近十项内容。
        本文重点研究的是Ⅰ区鱼腹式索桁架点支式玻璃幕墙系统的承载能力。该段工程施工难度大，技术含量高，造型新颖、独特。

     

        2、预应力索桁架体系的分布情况与结构形式
        2.1 三个立面索桁架体系的分布情况
        在椭球体与主楼连接部分的共享空间内，主要采用了三种形式的鱼腹式索桁架结构点式玻璃幕墙系统：对称布索预应力鱼腹式索桁架结构点式玻璃幕墙系统、非对称布索预应力鱼腹式索桁架结构点式玻璃幕墙系统、预应力自平衡索桁架结构点式玻璃幕墙系统，如图2.1。

     

    图2.1  索结构玻璃幕墙三维分布图

     

         2.1.1 如图2.1中的A立面，是建筑的偏东的立面，为预应力自平衡索桁架结构点式玻璃幕墙。为解决A立面玻璃幕墙在受荷载时转角立柱的稳定性，设置了预应力自平衡索桁架结构作为A立面玻璃幕墙支承系统。(如图2.1-1)

    图2.1-1 A立面，自平衡索桁架结构点式玻璃幕墙索结构图

        2.1.2  B立面，是建筑的东北立面，为弧形曲面索桁架结构点式玻璃幕墙。根据幕墙平面图上幕墙曲面的曲度和位置情况，采用对腹式索桁架变化失高，变化定位支点角度的办法，实现设计要求的玻璃幕墙曲面度。(如图2.1-2)

    图2.1-2 B立面，非对称布索弧形曲面点式玻璃幕墙索结构图

     

        2.1.3  C立面，是建筑的北立面为平面索桁架结构点式玻璃幕墙。(如图2.1-3)

    图2.1-3 C立面，平面索桁架结构点式玻璃幕墙索桁架结构图

     

        2.2 主要构造及技术分析
        2.2.1 弧形索桁架结构点式玻璃幕墙的中部节点在椭球体与主楼连接部分的共享空间内，主要采用了三种形式的鱼腹式索桁架结构点式玻璃幕墙系统：对称布索预应力鱼腹式索桁架结构点式玻璃幕墙系统、非对称布索预应力鱼腹式索桁架结构点式玻璃幕墙系统、预应力自平衡索桁架结构点式玻璃幕墙系统。
        由于索桁架分布位置不同，索桁架的长度尺寸和桁架的失高有很大变化。
        根据幕墙平面图上幕墙曲面的曲度和位置情况，采用对腹式索桁架变化失高，变化定位支点角度的办法，实现设计要求的玻璃幕墙曲面度。(如图2.1-4\5)

    图2.1-4 索桁架结构点式玻璃幕墙总平面图

     

     

    图2.1-5  B、C立面索桁架结构剖视图

     

         这些索桁架支承是与垂直于地面的22根直径为600mm的钢立柱结合在一起的。所以在玻璃幕墙的中部节点中除有大量的索与玻璃立面的连接件，还有的就是钢立柱与玻璃立面的连接，钢立柱与索桁架之间的连接。(如图2.2.1-1)

    图2.2.1-1 钢立柱与玻璃立面的连接节点图

     

        2.2.2 玻璃连接件构造
        玻璃连接机构是保证索结构玻璃幕墙使用性能的关键点，必须达到以下条件：有足够的强度支承玻璃自重和受荷载产生的压力；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；直接有效的将玻璃板面上的荷载转递到支承结构上。(如图2.2.2-1、图2.2.2-2)

     

        夹板式连接件是在一个索结构玻璃幕墙单元中部起固定支承和连接作用的节点。中部节点主要由锁紧机构和连接玻璃机构两部分组成。在节点处设置锁紧机构起锁紧、定位、连接的作用。 连接玻璃机构在与玻璃接触的位置布置环形橡胶垫片，垫片常用4mm厚，弹性模量E＝5.0×103 N/mm ，泊松比取0.45。允许跨度方向玻璃之间转动，转动夹角通常控制在2°范围内。

     

     

     

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    作者：王德勤

     

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