浅谈拉索(拉杆)与框架结构复合体系在大型公建项目中的应用

浅谈拉索（杆）与框架结构复合体系在大型公建项目中的应用江苏合发集团有限责任公司周东刘长龙李亚明【提要】拉索（拉杆）与框架结构复合体系是采用竖向拉索或拉杆支撑幕墙的竖向重力荷载，而由水平向的框架构件承受幕墙水平荷载的一种结构体系，其作为大跨度框架结构幕墙形式的一种，具有良好的建筑立面装饰效果，和较少的幕墙构件遮挡，是大型公建项目大跨度框架幕墙的一种新型结构体系。【关键词】大跨度索杆结构横向主受力一、前言拉索（拉杆）与框架结构复合幕墙是属于框架幕墙的一种形式，但其结构受力形式有别于传统的框架幕墙，本文结合几个已完工的工程实例，立足于此系统的结构受力计算及各类型的节点构造分析研究，介绍了此系统在大型公建项目中的适用情况及注意点，并分析了其相对于常规框架幕墙、点式幕墙所存在的特点及优点，为以后类似工程提供一些工程经验及设计思路。二、概述在大型公建项目（机场、会展类工程）中，如何更好地解决大空间、大跨度幕墙结构受力体系问题以实现最优的建筑立面效果，一直是建筑师、幕墙设计师所共同努力的方向。而目前最常用的幕墙手法主要是以点支式玻璃幕墙为主，索桁架、杆桁架、单层索网、自平衡、肋驳接等各种类型的点式幕墙因其新颖的结构造型、通透的视觉效果深得广大建筑师的喜爱。而传统框架式幕墙因其结构体系受限，摆脱不了粗壮、密集的钢结构，渐渐的淡出了大型公建项目的舞台。近年来，新兴出现的拉索（杆）与框架结构复合体系，因其兼备框架幕墙的线条感和点式幕墙的结构通透性，吸引了诸多建筑师的目光，并在各类大型公建项目中崭露头角。拉索（杆）与框架结构复合幕墙的结构设计原则，主要由幕墙横向构件来承受大跨度幕墙的风荷载和水平地震荷载，幕墙的自重荷载由竖向的拉索（杆）来承担。而竖向的拉索（杆）可以隐藏于玻璃板块的竖缝位置，减少结构构件的外露，达到良好的外视效果。三、系统适用因为拉索（杆）与框架结构复合幕墙主要采用横向构件承受幕墙的水平荷载，所以，玻璃板块受力模型通常为上下边对边简支板，故玻璃板块宜采用横向长条型分格尺寸。图1为北京首都机场T3航站楼EWS-1系统的典型局部立面，玻璃分格尺寸为3500mm（宽）×1800mm（高），玻璃采用12+1.9PVB+12+16A+15的中空钢化夹胶LOW-E玻璃，铝合金横梁跨度为10.5m。图1北京首都国际机场T3航站楼局部立面图2为福州海峡国际会展中心会议中心的典型局部立面，玻璃分格尺寸为3000mm（宽）×2000mm（高），玻璃采用8+1.52PVB+9+12A+10的中空钢化夹胶LOW-E玻璃，横梁跨度为9m。图2福州海峡国际会议展览中心局部立面图3为常州博物馆的典型局部立面，玻璃分格尺寸为2200mm（宽）×1200mm（高），玻璃采用8+12A+8的中空钢化LOW-E玻璃，铝合金横梁跨度为6.6m。图3常州博物馆局部立面所以，拉索（杆）与框架结构复合幕墙适用于大跨度结构、建筑立面强调横向线条、板块分格以横向长条形大分格为主的建筑类型。四、节点构造设计1、隐藏式拉索与横梁连接节点1234567①--拉索②--钢板连接件③--拉索紧固件④--铝合金压板⑤--EPDM胶条⑥--钢横梁⑦--铝合金盖板图4隐藏式拉索与横梁连接节点面为了达到最优的立面效果，设计通常将竖向吊索隐藏于玻璃板块的竖向拼缝位置，钢横梁通过特制的紧固件与通长拉索固定，所有的连接构造在幕墙十字接缝处的内部空间完成。拉索穿过钢板连接件的孔位设计成大圆孔或长圆孔，以减少横梁在风荷载作用下的变形位移对拉索受力产生的影响。因横梁跨度通常都比较大，所以设计采用钢横梁作为主受力构件，可以优化结构受力性能，从而获得更小的杆件截面和更低的经济投入(图4)。2、不锈钢拉杆与横梁连接节点1234①--不锈钢拉杆②--拉杆套管③--中空玻璃④--H型钢横梁图5外露式拉杆与横梁连接节点12345①--不锈钢拉杆②--拉杆调节端③--铝合金连接滑块④--铝合金横梁⑤--拉杆固定端图6隐藏式拉杆与横梁连接节点当需要采用拉杆作为竖向承重构件时，每个竖向玻璃分格处设置一根拉杆，并在拉杆与横梁连接处设置调节机构，以调节安装玻璃时拉杆承受自重荷载后的变形位移。若拉杆位于玻璃面内侧，则应尽量靠近玻璃面设置拉杆，以减少玻璃自重对横梁截面产生的扭矩因素(图5、图6)。因普通拉杆的连接端不同于拉索构造，不能吸收风荷载下横梁的水平向位移，所以若采用拉杆连接构造，拉杆头的连接宜采用万向铰的构造。且拉索的受力性能和经济性能要优于拉杆，故本系统推荐优先采用拉索作为竖向承重构件。五、结构分析1、模型建立本文采用福州海峡国际会议展览中心标准立面大样作为结构分析典型立面，其相关计算参数如下（图7）所示：A类地区；玻璃分格3m（宽）×2m（高），横梁跨度9m，幕墙高度22m，标高22.00米，玻璃采用8+1.52PVB+8+12A+10的中空钢化夹胶LOW-E玻璃，横梁采用260×110×8mmQ235B矩形钢管，竖索采用Φ16（1×19）不锈钢拉索；风荷载标准值：Wk=1.926KN/m2；单位分格玻璃自重荷载标准值：Gk1=4.23KN；单位长度（2m）钢梁的自重荷载标准值Gk2=1.39KN；（本模型为简化计算，未考虑地震荷载作用）图7标准立面大样2、玻璃板块结构分析玻璃分格为3m（宽）×2m（高），采用对边简支板有限元模型进行分析，结果如下：图8玻璃挠度变形图df=32.5mmdflim=2000/60=33.3mm，玻璃刚度满足要求。图9玻璃应力云图玻璃板块的边缘最大应力为σ=58.87N/mm2ｆg=67N/mm2（JGJ113-2009），玻璃强度满足要求。3、钢横梁结构分析钢横梁结构分析采用SAP2000有限元软件进行分析，自重荷载及约束模型如图8所示，水平风荷载如图9所示：图8自重荷载图9水平风荷载计算结果，钢横梁在水平向最大位移为34.9mm，竖直向最大位移为0.47mm，如图10所示：图10钢横梁变形图钢梁弯矩图如图11、图12所示：图11弯矩2-2图12弯矩3-3钢横梁挠度校核，df≤L/250：df=34.9≤9000/250=36mm，横梁刚度满足要求。钢横梁强度校核：横梁最不利截面位于跨中，应力σ=151.6N/mm2ｆa=205.0N/mm2横梁强度满足要求。4、不锈钢拉索受力分析不锈钢拉索承受玻璃和钢梁的自重荷载，单层分格的自重荷载标准值Gk=Gk1+Gk2=5.62KN，自重荷载设计值G=1.35×Gk=7.59KN。单根拉索共承受10个分格的自重荷载设计值：G=75.9KN。拉索选择φ16的不锈钢拉索，其钢索最小破断力标准值为175.48KN，钢丝强度标准值为1320Mpa。钢索断面面积为152.81mm2。拉索最小破断力设计值为175.48/1.8=97.49KN，钢丝强度设计值为1320/1.8=733.3Mpa。拉索强度校核：Fmax=75.9KN97.49KN；σmax=Fmax/A=75900/152.81=496.7Mpa733.3Mpa，满足要求。（注：JG/T200-2007规定1×19不锈钢绞线强度折减系数为0.87，JG/T201-2007规定钢索压管接头最小破断力大于拉索的90%。）5、钢横梁起拱高度及施工分析因拉索在玻璃安装过程中，受到玻璃自重荷载的影响会产生伸长变形，为保证安装完成后的立面效果和结构稳定，钢横梁需进行预起拱处理，以抵消钢索的伸长变形。拉索伸长量可按下式计算：Δ=(σ/E)×L(式1)式中Δ——拉索伸长量（mm）；σ——拉索应力（N/mm2）；E——不锈钢拉索弹性模量，可取1.30×105（N/mm2）；L——拉索单位长度（mm）。图13拉索示意图安装第一层玻璃板块时，节点1位移量：Δ1=(σ1/E)×L1；安装第二层玻璃板块时，节点2位移增加量：Δ2=(σ1/E)×2L1=2×Δ1，同时节点1位移增加量为Δ2/2=Δ1，以此类推，节点位移可按下表所示：表一（注：Sn代表安装第n层玻璃板块时，各节点的拉索伸长量）：故，每层钢梁在与拉索连接节点处的起拱高度可以按下式进行计算：S=[a×n-0.5×a×（a-1）]×Δ1（式二）式中S——钢梁起拱高度（mm）；a——拉索与钢梁的连接节点编号（由上而下递增）；n——拉索与钢梁的连接节点总数；Δ1——安装第一层玻璃板块时的拉索伸长量，可按（式一）进行计算（mm）。由此，理论模型中钢梁在与拉索连接节点处的起拱高度如表二所示：表二：钢梁编号S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10钢梁起拱高度（mm）5.710.815.319.222.625.527.729.430.631.1但是在实际工程施工中，钢梁对玻璃自重荷载存在刚度贡献，所以实际施工过程中，根据有限元模型分析，钢梁在与拉索连接节点处的起拱高度应按表三所示：表三：钢梁编号S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10钢梁起拱高度（mm）3.46.49.011.213.014.515.716.617.217.4S1S2S3S4S5S6S7S8S9S101Δ12×Δ13×Δ14×Δ15×Δ16×Δ17×Δ18×Δ19×Δ110×Δ12Δ13×Δ15×Δ17×Δ19×Δ111×Δ113×Δ115×Δ117×Δ119×Δ13Δ13×Δ16×Δ19×Δ112×Δ115×Δ118×Δ121×Δ124×Δ127×Δ14Δ13×Δ16×Δ110×Δ114×Δ118×Δ122×Δ126×Δ130×Δ134×Δ15Δ13×Δ16×Δ110×Δ115×Δ120×Δ125×Δ130×Δ135×Δ140×Δ16Δ13×Δ16×Δ110×Δ115×Δ121×Δ127×Δ133×Δ139×Δ145×Δ17Δ13×Δ16×Δ110×Δ115×Δ121×Δ128×Δ135×Δ142×Δ149×Δ18Δ13×Δ16×Δ110×Δ115×Δ121×Δ128×Δ136×Δ144×Δ152×Δ19Δ13×Δ16×Δ110×Δ115×Δ121×Δ128×Δ136×Δ145×Δ154×Δ110Δ13×Δ16×Δ110×Δ115×Δ121×Δ128×Δ136×Δ145×Δ155×Δ1六、工程应用1、北京首都国际机场T3航站楼图14：北京首都国际机场T3航站楼人视效果图北京首都国际机场T3航站楼是北京08年奥运会重点工程，其航站楼3A(T3A)和航站楼3B(T3B)立面幕墙EWS-1系统大面积采用了隐藏式拉索与铝合金横梁组合的结构形式，总面积达11.5万平米。2、福州海峡国际会议展览中心图15：福州海峡国际会议展览中心鸟瞰效果图福州海峡国际会展中心位于福州市仓山区城门镇浦下洲，总用地面积：668949m²，设计用地面积461715m²，建筑面积386,420m²，幕墙面积约为90000平方米，其中会议中心（W-C1）幕墙系统采用了隐藏式拉索与钢横梁结构复合体系，面积约为6200平米。3、常州博物馆图16：常州博物馆人视效果图常州博物馆位于常州市行政中心南侧，总建筑面积约3.1万平米，其博物馆及报告厅立面隐框玻璃幕墙采用了竖向外露式钢拉杆与横向钢铝结合框架梁的复合构造，其面积约为3000平米。七、结语拉索（拉杆）与框架结构复合体系改变了传统框架幕墙竖向龙骨主受力的结构形式，采用横向杆件作为承受风压的主受力构件，而自重由纤细的拉索或拉杆承受，可以有效减少公建项目中大空间、大跨度玻璃幕墙的框架遮挡，达到良好的视觉效果和水平线条感。同时，横向杆件形式除了普通的型钢、铝型材等，还可以采用玻璃肋、钢板肋等更具立面装饰效果的构件，兼顾了结构支撑、装饰、遮阳等多重功能。参考文献：1．《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-20032．《建筑结构荷载规范》GB50009—2001(06版)3．《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113-20094．《玻璃幕墙设计与施工》编著：罗忆、张芹、刘忠伟5．《福州海峡国际会展中心会议中心玻璃幕墙设计》编著：刘越生、游易楚、刘长龙6．《弹性悬索的非线性分析》编著：吕之华、吕令毅