淺談拉索(拉桿)與框架結(jié)構(gòu)復(fù)合體系在大型公建項(xiàng)目中的應(yīng)用

1、淺談拉索（桿）與框架結(jié)構(gòu)復(fù)合體系在大型公建項(xiàng)目中的應(yīng)用江蘇合發(fā)集團(tuán)有限責(zé)任公司周 東 劉長(zhǎng)龍 李亞明 【提 要】拉索（拉桿）與框架結(jié)構(gòu)復(fù)合體系是采用豎向拉索或拉桿支撐幕墻的豎向重力荷載，而由水平向的框架構(gòu)件承受幕墻水平荷載的一種結(jié)構(gòu)體系，其作為大跨度框架結(jié)構(gòu)幕墻形式的一種，具有良好的建筑立面裝飾效果，和較少的幕墻構(gòu)件遮擋，是大型公建項(xiàng)目大跨度框架幕墻的一種新型結(jié)構(gòu)體系。 【關(guān)鍵詞】大跨度 索桿結(jié)構(gòu) 橫向主受力一、前言拉索（拉桿）與框架結(jié)構(gòu)復(fù)合幕墻是屬于框架幕墻的一種形式，但其結(jié)構(gòu)受力形式有別于傳統(tǒng)的框架幕墻，本文結(jié)合幾個(gè)已完工的工程實(shí)例，立足于此系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)受力計(jì)算及各類型的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造分析研究，介

2、紹了此系統(tǒng)在大型公建項(xiàng)目中的適用情況及注意點(diǎn)，并分析了其相對(duì)于常規(guī)框架幕墻、點(diǎn)式幕墻所存在的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)，為以后類似工程提供一些工程經(jīng)驗(yàn)及設(shè)計(jì)思路。二、概述在大型公建項(xiàng)目（機(jī)場(chǎng)、會(huì)展類工程）中，如何更好地解決大空間、大跨度幕墻結(jié)構(gòu)受力體系問(wèn)題以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的建筑立面效果，一直是建筑師、幕墻設(shè)計(jì)師所共同努力的方向。而目前最常用的幕墻手法主要是以點(diǎn)支式玻璃幕墻為主，索桁架、桿桁架、單層索網(wǎng)、自平衡、肋駁接等各種類型的點(diǎn)式幕墻因其新穎的結(jié)構(gòu)造型、通透的視覺(jué)效果深得廣大建筑師的喜愛(ài)。而傳統(tǒng)框架式幕墻因其結(jié)構(gòu)體系受限，擺脫不了粗壯、密集的鋼結(jié)構(gòu)，漸漸的淡出了大型公建項(xiàng)目的舞臺(tái)。近年來(lái)，新興出現(xiàn)的拉索（桿）與框

3、架結(jié)構(gòu)復(fù)合體系，因其兼?zhèn)淇蚣苣粔Φ木€條感和點(diǎn)式幕墻的結(jié)構(gòu)通透性，吸引了諸多建筑師的目光，并在各類大型公建項(xiàng)目中嶄露頭角。拉索（桿）與框架結(jié)構(gòu)復(fù)合幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，主要由幕墻橫向構(gòu)件來(lái)承受大跨度幕墻的風(fēng)荷載和水平地震荷載，幕墻的自重荷載由豎向的拉索（桿）來(lái)承擔(dān)。而豎向的拉索（桿）可以隱藏于玻璃板塊的豎縫位置，減少結(jié)構(gòu)構(gòu)件的外露，達(dá)到良好的外視效果。三、系統(tǒng)適用因?yàn)槔鳎U）與框架結(jié)構(gòu)復(fù)合幕墻主要采用橫向構(gòu)件承受幕墻的水平荷載，所以，玻璃板塊受力模型通常為上下邊對(duì)邊簡(jiǎn)支板，故玻璃板塊宜采用橫向長(zhǎng)條型分格尺寸。圖1為北京首都機(jī)場(chǎng)T3航站樓EWS-1系統(tǒng)的典型局部立面，玻璃分格尺寸為3500mm（寬

4、）1800mm（高），玻璃采用12+1.9PVB+12+16A+15的中空鋼化夾膠LOW-E玻璃，鋁合金橫梁跨度為10.5m。圖1北京首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)T3航站樓局部立面圖2為福州海峽國(guó)際會(huì)展中心會(huì)議中心的典型局部立面，玻璃分格尺寸為3000mm（寬）2000mm（高），玻璃采用8+1.52PVB+9+12A+10的中空鋼化夾膠LOW-E玻璃，橫梁跨度為9m。圖2福州海峽國(guó)際會(huì)議展覽中心局部立面圖3為常州博物館的典型局部立面，玻璃分格尺寸為2200mm（寬）1200mm（高），玻璃采用8+12A+8的中空鋼化LOW-E玻璃，鋁合金橫梁跨度為6.6m。圖3常州博物館局部立面所以，拉索（桿）與框架結(jié)構(gòu)復(fù)

5、合幕墻適用于大跨度結(jié)構(gòu)、建筑立面強(qiáng)調(diào)橫向線條、板塊分格以橫向長(zhǎng)條形大分格為主的建筑類型。四、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)1、隱藏式拉索與橫梁連接節(jié)點(diǎn)-拉索 -鋼板連接件 -拉索緊固件 -鋁合金壓板 -EPDM膠條 -鋼橫梁 -鋁合金蓋板 圖4隱藏式拉索與橫梁連接節(jié)點(diǎn)面為了達(dá)到最優(yōu)的立面效果，設(shè)計(jì)通常將豎向吊索隱藏于玻璃板塊的豎向拼縫位置，鋼橫梁通過(guò)特制的緊固件與通長(zhǎng)拉索固定，所有的連接構(gòu)造在幕墻十字接縫處的內(nèi)部空間完成。拉索穿過(guò)鋼板連接件的孔位設(shè)計(jì)成大圓孔或長(zhǎng)圓孔，以減少橫梁在風(fēng)荷載作用下的變形位移對(duì)拉索受力產(chǎn)生的影響。因橫梁跨度通常都比較大，所以設(shè)計(jì)采用鋼橫梁作為主受力構(gòu)件，可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力性能，從而獲得更

6、小的桿件截面和更低的經(jīng)濟(jì)投入(圖4)。2、不銹鋼拉桿與橫梁連接節(jié)點(diǎn)-不銹鋼拉桿 -拉桿套管 -中空玻璃 -H型鋼橫梁 圖5外露式拉桿與橫梁連接節(jié)點(diǎn) -不銹鋼拉桿 -拉桿調(diào)節(jié)端 -鋁合金連接滑塊 -鋁合金橫梁 -拉桿固定端 圖6隱藏式拉桿與橫梁連接節(jié)點(diǎn)當(dāng)需要采用拉桿作為豎向承重構(gòu)件時(shí)，每個(gè)豎向玻璃分格處設(shè)置一根拉桿，并在拉桿與橫梁連接處設(shè)置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以調(diào)節(jié)安裝玻璃時(shí)拉桿承受自重荷載后的變形位移。若拉桿位于玻璃面內(nèi)側(cè)，則應(yīng)盡量靠近玻璃面設(shè)置拉桿，以減少玻璃自重對(duì)橫梁截面產(chǎn)生的扭矩因素(圖5、圖6)。因普通拉桿的連接端不同于拉索構(gòu)造，不能吸收風(fēng)荷載下橫梁的水平向位移，所以若采用拉桿連接構(gòu)造，拉桿頭的

7、連接宜采用萬(wàn)向鉸的構(gòu)造。且拉索的受力性能和經(jīng)濟(jì)性能要優(yōu)于拉桿，故本系統(tǒng)推薦優(yōu)先采用拉索作為豎向承重構(gòu)件。五、結(jié)構(gòu)分析1、模型建立本文采用福州海峽國(guó)際會(huì)議展覽中心標(biāo)準(zhǔn)立面大樣作為結(jié)構(gòu)分析典型立面，其相關(guān)計(jì)算參數(shù)如下（圖7）所示：A類地區(qū)；玻璃分格3m（寬）2m（高），橫梁跨度9m，幕墻高度22m，標(biāo)高22.00米，玻璃采用8+1.52PVB+8+12A+10的中空鋼化夾膠LOW-E玻璃，橫梁采用2601108mm Q235B矩形鋼管，豎索采用16（119）不銹鋼拉索；風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：Wk=1.926 KN/m2；單位分格玻璃自重荷載標(biāo)準(zhǔn)值：Gk1=4.23KN； 單位長(zhǎng)度（2m）鋼梁的自重荷載標(biāo)準(zhǔn)

8、值Gk2=1.39KN；（本模型為簡(jiǎn)化計(jì)算，未考慮地震荷載作用）圖7標(biāo)準(zhǔn)立面大樣2、玻璃板塊結(jié)構(gòu)分析玻璃分格為3m（寬）2m（高），采用對(duì)邊簡(jiǎn)支板有限元模型進(jìn)行分析，結(jié)果如下：圖8玻璃撓度變形圖df=32.5mm df lim= 2000/60=33.3mm，玻璃剛度滿足要求。圖9玻璃應(yīng)力云圖玻璃板塊的邊緣最大應(yīng)力為= 58.87N/mm2 g=67N/mm2（JGJ113-2009），玻璃強(qiáng)度滿足要求。3、鋼橫梁結(jié)構(gòu)分析鋼橫梁結(jié)構(gòu)分析采用SAP2000有限元軟件進(jìn)行分析，自重荷載及約束模型如圖8所示，水平風(fēng)荷載如圖9所示：圖8自重荷載圖9水平風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果，鋼橫梁在水平向最大位移為34.9m

9、m，豎直向最大位移為0.47mm，如圖10所示：圖10鋼橫梁變形圖鋼梁彎矩圖如圖11、圖12所示：圖11彎矩2-2圖12彎矩3-3鋼橫梁撓度校核，dfL/250：df =34.99000/250=36mm，橫梁剛度滿足要求。鋼橫梁強(qiáng)度校核：橫梁最不利截面位于跨中，應(yīng)力=151.6 N/mm2 a=205.0N/mm2橫梁強(qiáng)度滿足要求。4、不銹鋼拉索受力分析不銹鋼拉索承受玻璃和鋼梁的自重荷載，單層分格的自重荷載標(biāo)準(zhǔn)值Gk= Gk1+Gk2=5.62KN，自重荷載設(shè)計(jì)值G=1.35 Gk=7.59KN。單根拉索共承受10個(gè)分格的自重荷載設(shè)計(jì)值：G=75.9KN。拉索選擇16的不銹鋼拉索，其鋼索最小

10、破斷力標(biāo)準(zhǔn)值為175.48KN，鋼絲強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1320Mpa。鋼索斷面面積為152.81mm2。拉索最小破斷力設(shè)計(jì)值為175.48/1.8=97.49 KN，鋼絲強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1320/1.8=733.3Mpa。拉索強(qiáng)度校核：Fmax=75.9 KN 97.49KN；max=Fmax/A=75900/152.81=496.7Mpa 733.3Mpa，滿足要求。（注：JG/T200-2007規(guī)定119不銹鋼絞線強(qiáng)度折減系數(shù)為0.87，JG/T201-2007規(guī)定鋼索壓管接頭最小破斷力大于拉索的90%。）5、鋼橫梁起拱高度及施工分析因拉索在玻璃安裝過(guò)程中，受到玻璃自重荷載的影響會(huì)產(chǎn)生伸長(zhǎng)變形，為保

11、證安裝完成后的立面效果和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，鋼橫梁需進(jìn)行預(yù)起拱處理，以抵消鋼索的伸長(zhǎng)變形。拉索伸長(zhǎng)量可按下式計(jì)算：=(/E)L (式1)式中 拉索伸長(zhǎng)量（mm）； 拉索應(yīng)力（N/mm2）； E不銹鋼拉索彈性模量，可取1.30105（N/mm2）； L拉索單位長(zhǎng)度（mm）。 圖13拉索示意圖安裝第一層玻璃板塊時(shí)，節(jié)點(diǎn)1位移量：1=(1/E)L1；S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10112131415161718191101213151719111113115117119131316191121151181211241271413161101141181221261301341513161101151

12、2012513013514016131611011512112713313914517131611011512112813514214918131611011512112813614415219131611011512112813614515411013161101151211281361451551安裝第二層玻璃板塊時(shí)，節(jié)點(diǎn)2位移增加量：2= (1/E)2L1=21，同時(shí)節(jié)點(diǎn)1位移增加量為2/2=1，以此類推，節(jié)點(diǎn)位移可按下表所示： 表一（注：Sn代表安裝第n層玻璃板塊時(shí)，各節(jié)點(diǎn)的拉索伸長(zhǎng)量）：故，每層鋼梁在與拉索連接節(jié)點(diǎn)處的起拱高度可以按下式進(jìn)行計(jì)算： S=an-0.5a（a-1） 1 （

13、式二）式中 S鋼梁起拱高度（mm）； a拉索與鋼梁的連接節(jié)點(diǎn)編號(hào)（由上而下遞增）； n拉索與鋼梁的連接節(jié)點(diǎn)總數(shù)； 1安裝第一層玻璃板塊時(shí)的拉索伸長(zhǎng)量，可按（式一）進(jìn)行計(jì)算（mm）。由此，理論模型中鋼梁在與拉索連接節(jié)點(diǎn)處的起拱高度如表二所示：表二：鋼梁編號(hào)S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10鋼梁起拱高度（mm）5.710.815.319.222.625.527.729.430.631.1但是在實(shí)際工程施工中，鋼梁對(duì)玻璃自重荷載存在剛度貢獻(xiàn)，所以實(shí)際施工過(guò)程中，根據(jù)有限元模型分析，鋼梁在與拉索連接節(jié)點(diǎn)處的起拱高度應(yīng)按表三所示：表三：鋼梁編號(hào)S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10鋼梁起拱高

14、度（mm）3.46.49.011.213.014.515.716.617.217.4六、工程應(yīng)用1、北京首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)T3航站樓圖14：北京首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)T3航站樓人視效果圖北京首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)T3航站樓是北京08年奧運(yùn)會(huì)重點(diǎn)工程，其航站樓3A(T3A)和航站樓3B(T3B)立面幕墻EWS-1系統(tǒng)大面積采用了隱藏式拉索與鋁合金橫梁組合的結(jié)構(gòu)形式，總面積達(dá)11.5萬(wàn)平米。2、福州海峽國(guó)際會(huì)議展覽中心圖15：福州海峽國(guó)際會(huì)議展覽中心鳥瞰效果圖福州海峽國(guó)際會(huì)展中心位于福州市倉(cāng)山區(qū)城門鎮(zhèn)浦下洲，總用地面積：668949m，設(shè)計(jì)用地面積461715m，建筑面積386,420m，幕墻面積約為90000平方米，其中會(huì)議中心（W-C1）幕墻系統(tǒng)采用了隱藏式拉索與鋼橫梁結(jié)構(gòu)復(fù)合體系，面積約為6200平米。3、常州博物館圖16：常州博物館人視效果圖常州博物館位于常州市行政中心南側(cè)，總建筑面積約3.1萬(wàn)平米，其博物館及報(bào)告廳立面隱框玻璃幕墻采用了豎向外露式鋼拉桿與橫向鋼鋁結(jié)合框架梁的復(fù)合構(gòu)造，其面積約為3000平米。七、結(jié)語(yǔ)拉索（拉桿）與框架結(jié)構(gòu)復(fù)合體系改變了傳統(tǒng)框架幕墻豎向龍骨主受力的結(jié)構(gòu)形式，采用橫向桿件作為承受風(fēng)壓的主受力構(gòu)件，而自重由纖細(xì)的拉索或拉桿承受，可以有效減少公建項(xiàng)目中大空間、大跨度玻璃幕墻的框架遮擋，達(dá)