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曲面索结构玻璃幕墙承载性能的探讨（三）

——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。

    α_max—水平地震作用影响系数最大值， 构件截面及连接计算中，当地震设计烈度为6、7、8度时，根据不同的设计基本地震加速度分别，取0.04、0.08（0.12）、0.16（0.24）。
    βE—地震作用动力放大系数，可取5.0。
    Gk—幕墙结构计算部分及其附属部分的自重标准值之和。
    对于非竖直玻璃幕墙，如玻璃幕顶端、斜墙等，除上述基本荷载外，尚应根据实际情况，考虑其他恒载和活载（雪等），其取值见《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001），同时需满足《建筑抗震设计规范》的要求 。
    4、钢索的选型与索桁架预应力的形成钢索的设计要符合现行标准《建筑用不锈钢绞线》JG/T200-2007，《建筑幕墙用钢索压管接头》JG/T 201-2007。

    4.1 钢索预张拉处理
    钢索选型、制作与加工过程中在确保隐式单索体系钢索受力性能的基础上还要考虑其防腐因素，所以在制作过程中要有严格的加工工艺控制。玻璃幕墙用钢索由于性能及防腐的要求通常选用1×19或1×37的奥氏体或奥氏体加铁素体不锈钢铰线，其弹性模量E=1.2~1.7×105 N/mm²。它受力均匀，能充分发挥经多次冷拉硬化的高强不锈钢钢丝材料的抗拉强度。若使用高强度铝包钢铰线，以有效的减少钢铰线的外径以更好的适应隐索构造的空间要求。
    预应力索桁架结构玻璃幕墙使用的钢索在施加预拉力之后成为独立工作的体系，工作状态是处于持续永久受力状态。为保证钢须进行预张拉处理。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。如图4.1所示，预张拉的拉力取用钢索破断力的50%，经3次反复张拉历时1.5小时。

 图4.1 松弛新索预张拉处理

    对于面积为A、长度为L的松驰新索，在拉力N作用下伸长ΔL，如果定义应力为σ=N/A，应变=ΔL/L，则应力-应变关系为：
    第一特征段，随着应力不大的增加中，应变迅速增加，其中大部分是永久应变。在第二阶段，应力应变变化相对均匀，这一分阶段的σ及ε近似认为是常数，永久应变εP变化不大。第三阶段是永久应变的迅速增加的特征的，应力缓慢增加至索的破坏强度。实际索弹性模量被定义为第二阶段曲线切线模量的平均值。
    索的反复加载效应是指张紧索和部分张紧索。将松弛新索均匀张拉至选定的拉力后，再均匀卸载，这时索体存在的残余永久变形。在以后2～n次加卸载后，每次残余永久变形为εP2…εPn。随着加卸载次数的增加，σ-ε曲线将趋于直线。索的残余永久应变为εP＝∑εPi，如果一根索在反复加卸载若干次后已消除了大部分残余应变，再次加载并卸载后只有较小的残余应变。当εP<0.1×10^-3，这样的索可称为张紧索。张紧索在一定的加载范围内可视为线弹性的，其弹性模量一般比松弛新索高20%～30%，实验表明，一般松弛新索经10次循环加卸载后就可消除大部分残余应变。
    如果一根索在反复加卸载若干次后只能消除部分残余应变，这样的索称为部分张紧索。当索被用于工程结构后，未消除的残余应变将会因材料蠕变效应慢慢得到消除，但这将使索产生松弛。
    钢索在实际生产过程中的预张拉工艺目前大致有两种方法：
    工艺1：在索的最大破断力40%～60%间反复张拉5次，然后持续10分钟；
    工艺2：在索的最大破断力的50%～55%，持续张拉1～2小时；美国资料：钢丝绳取55%，钢绞线取50%，维持0.5～2小时；前苏联取最大破断力的65%，历时0.5小时。

    4.2 不锈钢绞线强度设计值
    不锈钢绞线最小破断拉力的计算方法按《建筑用不锈钢绞线》JG/T200-2007计算最小破断拉力，公式如下：
    F_m=（K·S·σ_b）/1000          (4.1)
式中：F_m—不锈钢绞线最小破断拉力（kN）；
      K—不锈钢绞线强度折减系数，其中1×7和1×19结构绞线K值为0.87，1×37和1×61结构绞线K值为0.86；
      S — 不锈钢绞线公称金属截面积（mm²）；
      σ_b—不锈钢丝公称抗拉强度（Mpa）；
      (当需方要求时可采用整绳破断拉力试验方法。)
    不锈钢绞线强度设计值＝不锈钢绞线最小破断拉力（F_m）×轧制系数（0.9）/安全系（K）。钢索强度设计值需考虑材料安全度，在破断应力的基础上除以材料安全系数K=1.8。不 锈钢丝强度要求，高强度级≥1512Mpa，中强度级≥1163Mpa，根据供需双方协议，也可采用其他强度级别的不锈钢丝。

    4.3 钢索的下料
    钢索的下料长度是否精确对索桁架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。任何材料在长期荷载效应作用下都会产生蠕变，索也不例外，虽然关于索的蠕变研究已进行了很长的时间，但至今仍很难确定索蠕变的程度，如果线材是以正规规范的方法绞合并具有合适的绞合长度，而索是施加过预应力的张紧索，考虑到钢丝同时处于冷拉状态。因此工程设计中可以忽略索正常工作寿命内的蠕变效应。

    说明：
    1、钢索下料压制长度（L）值的确定： 
    L0＝理论拉紧长度（L0）－调节余量（±H）-张拉伸长量（K＝L／1000）－结构长度（P＝273×2）
    2、L0的长度是经过预拉张后的钢索长 度。
    所有类型的索都有其疲劳寿命，超过疲劳寿命后索内线材将全开始疲劳断裂，疲劳寿命取决于索内的应力幅值和工作条件。对绕轴卷动弯曲的索，其疲劳是由拉伸应力和弯曲应力组合作用引起的。而工程结构中的索，主要承受拉应力，只有脉动风效应会使索中产生幅度应力。        
    按《建筑幕墙用钢索压管接头》JG/T201-2007的要求，接头应在承受不少于7.5万次钢索最小破断拉力的15%～30%的脉动冲击荷载后，仍满足最小破坏拉力大于钢索最小破断拉力的90%的要求。

    4.4 索结构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、材料性能和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。
    对索结构需进行以下检测与试验：
   （1）钢索结构承载静力试验（按加载按设计值的1.5倍取值）；
   （2）钢索破断力试验；
   （3）索套管接头压制后进行破断力试验；
   （4）结构与玻璃连接机构的承载力试
   （5）材料的化学分析、物理性能试验。

    4.5 施加预应力
    为确保幕墙的性能，钢索的预应力值应准确，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。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，张拉步骤：
    （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等设备按最终预应力值的30%进行第一级张拉。顺序是从中部向两端逐条对称张拉。此后对索的分布尺寸进行一次复合测量，工程中常采用张力测量仪测量。将中部锁紧机构按尺寸安装到位，要求只进行初始连接不锁紧。         
    （2）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按最终预应力值的70%进行第二级张拉。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部节点以及边缘支承结构。
    （3）当确定各节点和边部支承结构无异常情况后，按最终预应力值进行第三级张拉之后进行尺寸精度测量调整，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。（见图4.4）

图4.4 施加预应力曲线图

    在施加预应力过程中必须注意以下几个方面：
    （1）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。
    （2）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。
    （3）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。
    （4）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。
    （5）索桁架加工的误差应符合(表4.4)要求：

    6、结束语
    钢索结构支承点支式玻璃幕墙,在近年来愈来愈多的使用在现代建筑中，从双层索系到单层索网、从平面到曲面玻璃幕墙。使得原本规矩、粗笨的结构也活跃起来，全透明的玻璃支撑在索结构上，道道纤细的钢索发散在空中，精美、华丽的连接件点缀其间，给人留下深刻印象，也极大的满足了建筑师对建筑立面通透性的追求。与其它柔性结构相比，它显得更
加简洁、纯净。

参 考 文 献
[1] 《建筑用不锈钢绞线》，中华人民共和行业标准, JG/T200-2007
[2] 《建筑幕墙用钢索压管接头》，中华人民共和行业标准,  JG/T 201-2007
[3] 徐慷，隐式单索夹持式玻璃建筑承载性能分析与试验研究，2006
[4] 王德勤，索结构玻璃幕墙用索桁架的构造与设计，《中国建筑装饰装修》,2005
[5] 王德勤，索结构玻璃幕墙用钢绞线结构形式及材料选用之探讨，《建筑技术》，2003(9)

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作者：王德勤

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