长春机场点支承玻璃幕墙设计与施工

长春龙家堡机场点支承玻璃幕墙设计与施工晁晓刚刘长龙江苏合发集团有限责任公司[摘要]本文介绍了长春龙家堡机场航站楼点支式玻璃幕墙结构设计及施工，分析了幕墙结构体系与主体结构的关系，阐述了断热冷桥不锈钢夹板这一新的玻璃支承型式，并通过实验进行了验证。[关键词]幕墙结构、预应力索桁架，结构实验。DESIGNANDCONSTRUCTIONOFTHEPOINT-SUPPORTINGCLASSCURTAINWALLINTHELONGJIABAOOFCHANGCHUNAIRPORTCHAOXIAOGANGLIUCHANGLONGJIANGSUHOOVERCOOLGROUPCO.,LTD[Summary]ThearticleintroducesthestructuraldesignofSpider-fittingglasscurtainwalloftheChangchunLongjiabaoairportandanalysestherelationsbetweentheglasscurtainwallsystemsandthemainstruetures.Meanwhile,thearticlealsopresentsthenewstructualformofcabletrussandtestifiesitbystructualexperiments。[Keyword]curtainwall,cabletruss,structuretest.随着近年我国经济的快速发展、东北老工业基地经济的振兴,吉林省长春市老机场已经不能满足经济日益发展的需求，长春市政府决定修建新机场---长春龙家堡机场。1.工程概况新建的长春龙家堡机场位于吉林省长春市东北、九台市的放牛沟镇与龙家堡镇交汇处，距长春市中心约21公里，占地面积4200余亩,航站楼总建筑面积约40000平方米，由主航站楼、指廊两部分组成(如图1)。长春龙家堡机场航站楼地面主体结构采用混凝土结构，屋顶部分采用90m跨度钢结构，建筑高度27.025米,长311米,宽90米。机场地上二层，一层为旅客到港层，二层为旅客离港层，同时具备办公、餐饮、商场图1长春机场外立面效果等功能。2.幕墙概况根据建筑设计要求,整个机场航站楼的空侧、陆侧及主航站楼山墙局部大面积采用点驳接玻璃幕墙图2长春机场陆侧幕墙效果图3陆侧幕墙内视效果作为外围护结构。根据点驳接玻璃幕墙结构支撑体系的不同,本工程点驳接玻璃幕墙的设计分为陆侧(含两侧山墙)和空侧两部分。陆侧及两侧山墙玻璃幕墙支撑结构采用钢结构拉索体系,幕墙高度约15.00米(如图2)。幕墙抗风柱间距4200米,水平采用不锈钢索桁架作为幕墙的抗风支撑体系,在玻璃竖向分格缝处设置竖向不锈钢拉索,用来承担玻璃和结构的自重。玻璃分格尺寸2100mm×1500mm,采用12+12A+10钢化中空Low-E玻璃,玻璃与索桁架间的连接采用不锈钢矩形夹板形式(如图3及4)。①-幕墙抗风柱②-幕墙玻璃③-不锈钢撑杆④-主体钢结构⑤-水平钢架⑥-承重索⑦-索桁架图4标准轴线间索网结构体系示意图空侧玻璃幕墙支撑采用方管钢桁架结构体系(如图5)，与混凝土梁及主体钢结构采用铰接形式。玻璃分格尺寸有1600mm×1500mm及2467mm×1500mm两种规格,采用12+12A+10钢化中空Low-E玻璃，平板拼弧，玻璃与方管钢桁架间的连接采用不锈钢夹矩形板形式。图5长春机场空侧幕墙内视效果3.幕墙介绍3.1幕墙设计荷载a.风荷载及地面粗糙度：基本风压Wo=0.65kN/m²,地面粗糙度：B类；77775433332111122.2197.500180002100210021002100210021002100210015001500150015001500150015001500215001500150015004653222.2197.50015001500150015001500150012191219b.雪荷载：基本雪压：S=0.35kN/m²；c.地震荷载：抗震设防烈度为8度；d.气温：年平均气温为4.8°C，极端最高气温为35.6°C，极端最底气温为-36.7°C。3.2幕墙传力途经陆侧及两侧山墙：水平风荷载及自重荷载由玻璃面板通过不锈钢矩形夹板传给水平索桁架，再通过竖向幕墙抗风柱分别传递给楼板及屋盖。玻璃及幕墙结构重量通过吊索传给抗风柱上部水平钢架，然后由水平钢架通过幕墙抗风柱传给楼面。空侧幕墙：水平风荷载由玻璃面板通过不锈钢矩形夹板传给方管钢桁架，再通过方管钢桁架分别传递给楼板及主体钢结构。3.3不锈钢断冷桥夹板设计长春在我国属于严寒地区，冬季极端最低气温将近零下40度，幕墙设计节能要求高。在设计中，为保证整个幕墙体系的热工性能，玻璃采用传热系数K1.7W/m².K的Low-E中空玻璃，不锈钢矩形夹板采取了断热冷桥设计，减少热传导和热传递，提高保温隔热性能，防止冷凝水和结露现象的发生(如图6)。不锈钢矩形夹板由内夹板、外夹板、固定螺栓、断热隔条、图6矩形夹板三维示意图断热垫片、断热封板、不锈钢装饰封板、玻璃垫块、U形橡胶条等组成(如图7)。其优点为：a.该系统中空玻璃不需要打孔，避免中空玻璃在建筑幕墙工程使用中支承孔漏气和孔边应力集中的缺点,提高中空玻璃的耐久年限；b.在不锈钢内夹板和外夹板之间用一根“工”字形尼龙66断热隔条隔开，解决了内外不锈钢夹板直接接触产生的室内外热量对流问题，达到断冷保温作用；c.玻璃安装上以后,不锈钢内夹板和外夹板采用4个M8螺栓固定,保证整个夹板系统安装完成后受力稳定、安全，解决了不锈钢内夹板托板不能太厚，而使内外夹板配合面窄的问题；d.内外夹板用M8螺栓固定时，在螺杆上有一个尼龙66断热隔套、在螺栓头端面外夹板端面之间增加一个尼龙66断热片，避免螺栓和外夹板的直接接触，彻底解决内外夹板的断热问题；e.不锈钢外夹板采用4个M8螺栓固定好以后，在外夹板的凹槽中安装一个尼龙66断热封板，将螺栓和断热垫片完全封闭在断热封板中，使整个系统的保温性能更加优良可靠；f.最后，在外夹板的外侧从边部插入一个不锈钢装饰封板，将系统的内部隐藏在不锈钢封板里面，使夹板的室内外效果全①-内夹板②-外夹板③-断热封板部为不锈钢材质，保证外饰面的统一、美观。④-装饰盖板⑤-断热隔条⑥-连接螺拴⑦-玻璃矩形夹板的断冷隔热设计有效地解决了点支式幕墙在高寒图7矩形夹板构造图地区的断冷、在炎热地区的隔热问题，特别适合于我国严寒和高温地区的建筑外围护结构。3.4陆侧幕墙拉索桁架设计陆侧玻璃幕墙支撑采用钢结构拉索体系(如图8)。陆侧U形混凝土结构柱尺寸为1.2*1.2m，结构柱间距为18m，柱间净跨为16.8m，跨中竖向布置3榀圆管平行弦桁架，设计高度15m，间距为4.2m；横向在幕墙顶部标高22.219高度和中间标高15.000m高度部位布置两榀圆管平行弦桁架，幕墙钢结构底部及边部铰接于混凝土结构柱上，顶部铰接在屋架钢结构上（顶部竖向可伸缩位移），和屋面系统结构相对独立，避免屋面变形后载荷传给幕墙系统。幕墙支撑体系除自身已稳定的钢桁架外，水平布置2-ø12不锈钢拉索，承受幕墙系统的风压和地震载荷(如图9)；竖向在悬空支撑杆前端沿玻璃竖6543721缝布置一道ø12竖向承重稳定索，上端固定在幕墙水平桁架上，下端固定在混凝土结构梁上，保证幕墙支撑结构体系成为一个完整且和主体相对独立的系统。18m单元跨中安装80（8X10）块2.1×1.5m的中空玻璃，玻璃采用12+12A+10钢化中空Low-E玻璃，玻璃的支承采用不锈钢矩形夹板。图8陆侧幕墙标准跨三维结构示意图图9陆侧标准索系三维示意图3.5空侧幕墙设计空侧玻璃幕墙支撑采用方管钢桁架结构体系(如图10)。主体结构弧形三角桁架由3段圆弧相切而成，整体跨度为90m。在9m间距的主体弧形三角桁架之间，幕墙主支撑水平布置2榀拱形圆管三角桁架，用于安装幕墙竖向次支撑桁架，幕墙拱形圆管三角桁架铰接在主体弧形三角桁架上。主体弧形三角桁架之间，竖向次支撑桁架采用矩形钢管平行弦桁架，次桁架布置间距为2.467m，桁架跨度约18m，桁架上下和主体结构采用铰支座、销轴系统连接，保证幕墙系统和主体结构成为一个有机的整体,又保证两者有一定的相对独立性，避免应力集中；主体弧形三角桁架上，安装有一个方钢管,解决主体弧形三角桁架上玻璃图10空侧结构标准单元三维示意图图11空侧幕墙结构连接示意图的安装问题(如图11)。幕墙桁架沿弧线而上，从立面上保证了幕墙分格的错落有致，充分保证立面分格和主体支撑结构的统一。幕墙玻璃采用12+12A+10钢化中空Low-E玻璃，玻璃标准分格为2.467×1.5m和1.6×1.5m，玻璃的支承采用不锈钢断冷隔热矩形夹板形式。3.5幕墙支撑结构连接设计陆侧幕墙顶部连接采用可伸缩设计(如图12)，竖向幕墙抗风柱采用圆孔铰接在混凝土楼面上，顶部水平钢桁架前后弦杆采用圆孔铰板连接形式铰接在幕墙抗风柱顶部,水平钢桁架前弦杆采用腰形孔通过铰接板的形式与主体钢屋架三角桁架下弦管连接,从而保证幕墙支撑体系只给钢屋架传递水平荷载，不传递竖向荷载,幕墙前端竖向ø12不锈钢7654321承重拉索顶部固定在水平桁架前端部位,顶部玻璃及到屋面底①-幕墙抗风柱②-水平钢架③-幕墙玻璃部部分的水平荷载直接由水平桁架承担通过幕墙抗风柱传递④-风琴板⑤-铰板⑥-主体钢构⑦-矩形夹板给主体钢结构。同时，由于玻璃为脆性材料，在幕墙玻璃顶图12陆侧幕墙顶部连接示意图部采用了风琴板密封屏，用以防止主体钢屋盖及幕墙抗风柱变形导致玻璃破损的现象发生。空侧幕墙钢桁架连接同样采用铰接设计，水平三角形钢桁架采用铰接形式与主体钢架连接,竖向圆弧形钢架底端采用圆孔铰接在混凝土楼面上,顶端采用腰形孔通过铰接板的形式与水平三角形钢桁架上弦管连接,保证幕墙桁架有位移能力，消除温度等荷载产生的附加应力，保证钢桁架和幕墙玻璃的安全。3.6幕墙伸缩缝构造设计长春属于严寒地区，年温差大，主体结构的温度位移量较大，设计中，在主体结构及屋架伸缩缝位置处，幕墙面板材料全部断开，采用专门设计的铝型材卡住玻璃，玻璃在铝型材槽口内可伸缩位移，避免因主体建筑伸缩导致该部位玻璃损坏，幕墙玻璃在槽口内可伸缩位移量为±50mm(如图13)。①-主体钢构②-矩形夹板③-铝型材④-幕墙玻璃4．索网结构体系静力计算分析图13幕墙变形缝构造示意图4.1基本参数取值a.玻璃配置为钢化中空low-e玻璃，12+12A+10，自重0.563Kpa，弹性模量E=0.72×105N/mm2;b.水平索桁架采用的φ12不锈钢拉索。弹性模量E=1.20×105N/mm2，抗拉强度σb为1300Mpa，拉力设计值49.17KN,设计安全系数取2.5~3.0。4.2索网体系空间计算4.2.1结构计算模型在索网体系计算中，选取一标准轴线单元进行空间有限元分析，模型尺寸为18m×15m,计算模型如图14。在计算中其边界条件假定为：中间幕墙抗风柱和竖向承重索下端铰接,约束三个方向线位移；幕墙抗风柱顶端仅约束幕墙平面外位移；水平索桁架两端与主体结构边界连接条件考虑为铰接,约束三个方向的线位移,考虑主体结构边界连接条件具备足够的刚性。在每个节点处，水平索桁架及幕墙抗风柱受集中荷载作用，荷载标准值为5.95KN。图14索网体系计算模型4322114.2.2构件截面由计算结果得出,幕墙抗风柱采用无缝钢管。不锈钢φ12拉索采用1×19单股绳，主要杆件截面见下表一：名称前弦杆后弦杆垂直腹杆斜腹杆水平索承重索截面φ121×8φ121×8φ96×5φ96×5φ12-1×19φ12-1×194.2.3预张力的施加索结构施加初张力的基本原则主要考虑受力的水平索桁架在最不利荷载组合作用下，索桁架中每根拉索不允许出现压应力。为保证索结构在正常使用期间不出现松驰现象，一般预留5%~10%的初张力作为拉力储备。但初张力也不宜过大，否则会对索桁架中间压杆造成不利影响。4.2.4构件强度及变形分析根据对图12结构计算模型，用ANSYS软件作空间整体有限元分析结果如下：a.最不利荷载