金成大厦采光顶平面双向单层柔性网索结构采光顶设计

金成大厦采光顶幕墙工程的设计及施工

见《建筑结构》2009年7期

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一下为初稿
【摘 要】 金成大厦屋面采光顶双向单层柔性网索结构幕墙设计，分析了预埋件的计算、双向单层柔性网索结构计算、理论分析和施工方法，并通过有限元分析和施工位移控制进行了验证。
【关键词】双向单层柔性网索幕墙、结构计算、施工位移控制
1， 工程概况
新建的金成大厦工程位于北京市金融街，建筑幕墙面积为27000㎡，由可拆卸通槽式铝合金挂件石材幕墙、单元框式玻璃幕墙、单索幕墙（门头部位）、铝板幕墙和采光顶双向单层柔性网索结构幕墙。其中在屋面中庭部位采用了双向单层柔性网索点式玻璃幕墙，面积为420㎡，本工程的采光顶是国内外最大的采用双向单层柔性网索结构幕墙工程。
2， 幕墙简介
本工程7层～18层中心区域设有中庭（尺寸为15m×25m），在18层标高处设置玻璃采光顶，见附图(1).采光顶采用平面双向单层柔性索网支承（网索分格尺寸为1910㎜×1500㎜，见附图1-1）。拉索分别采用φ28㎜（横向）和φ24㎜（纵向）不锈钢钢索，采用1×61不锈钢铰线，初始张拉应力为250N/㎜2。
采光顶玻璃面板采用点支承中空玻璃10㎜(LOW-E)+12A+8㎜+1.14PVB+8㎜，玻璃由双向单层索网竖向杆支承。

3， 平面双向单层柔性索网控制目标
（1）承载力要求：单根索的最大设计索力不超过索体最小破断力/1.8；
（2）变形要求：在（0.9×预应力+1.0×自重）变形状态基础上，后续相对变形限值按L/120控制，L为索网短向（横向）的跨度；在吸风荷载作用下，索网不会出现上挠变形。
（3）索网节点的竖向位移要求：为保证整个玻璃顶面达到预设的建筑造型要求，索网节点的竖向变形值不等，根据索网（1.0预应力+1.0玻璃及连接件自重）作用下的变形以及玻璃面板的排水坡度5％确定网索与玻璃之间的支承杆件的长度。
4， 作用和作用组合
（1）基本作用情况
·玻璃面板及安装附件自重：0.026×25.6+0.01＝0.6756 KN/ ㎡
·施工荷载取0.5 KN/㎡，雪荷载按50年一遇的雪压计算，取0.4 KN/㎡，同时考虑半跨（长跨）不利布置。
·风荷载按50年一遇考虑，基本风压取0.45 KN/㎡，风振系数取1.6，风压高度变化系数按D类地面取1.02，风荷载体型系数：压风时取0.2，吸风时取-0.6。所以，风荷载的标准值：压风为0.1469 KN/㎡，吸风为-0.4406 KN/㎡。
· 温度作用按升温+300C，降温为-150C，进行强度验算时温度作用的分项系数取1.2。
·地震作用。由于本工程索网采光顶自重较轻，地震作用工况不起控制作用。不进行地震作用的计算。
（2）作用组合
①承载力验算时，作用组合工况
·工况1：1.0×预应力+1.2×自重+1.4×施工活载+1.4×0.4×压风+1.2×0.7×降温
·工况2：1.0×预应力+1.2×自重+1.4×施工活载+1.4×0.6×压风+1.2×0.49×降温
·工况3：1.0×预应力+1.2×自重+1.4×0.7×施工活载+1.4×0.4×压风+1.2×降温
·工况4：1.0×预应力+1.2×自重+1.4×半跨雪载+1.4×0.4×压风+1.2×0.7×降温
·工况5：1.0×预应力+1.2×自重+1.4×半跨雪载+1.4×0.6×压风+1.2×0.49×降温
·工况6：1.0×预应力+1.2×自重+1.4×0.7×半跨雪载+1.4×0.4×压风+1.2×降温
·工况7：采用工况1～工况6中的最不利工况，预应力系数调整为1.1。
②吸风荷载下承载力和变形验算时，作用组合工况
·工况8：0.9×预应力+1.0×自重+1.4×吸风+1.4×0.7×升温
·工况9：0.9×预应力+1.0×自重+1.4×0.6×吸风+1.4×升温
③变形验算时，作用组合工况
·工况10：0.9×预应力+1.0×自重+1.0×施工活载+0.4×压风+0.7×升温
·工况11：0.9×预应力+1.0×自重+1.0×施工活载+0.6×压风+0.49×升温
·工况12：0.9×预应力+1.0×自重+0.7×施工活载+0.4×压风+1.0×升温
·工况13：0.9×预应力+1.0×自重+1.0×半跨雪载+0.4×压风+0.7×升温
·工况14：0.9×预应力+1.0×自重+1.0×半跨雪载+0.6×压风+0.49×升温
·工况15：0.9×预应力+1.0×自重+0.7×半跨雪载+0.4×压风+1.0×升温
·工况16：0.9×预应力+1.0×自重+1.0×吸风+0.7×升温
·工况17：0.9×预应力+1.0×自重+0.6×吸风+1.0×升温
5， 计算分析结果
（1）考虑受主体结构在温度作用下的变形对索网结构影响，对整体结构采用SAP2000结构软件进行了温度工况分析，发现主体结构在温度作用下的变形对索网自身在温度作用下的索力变化是有利的，所以不考虑周边支承结构的变形影响。索网结构分析采用美国通用有限元分析软件ANSYS。
（2）承载力验算结果：通过有限元分析软件ANSYS对工况1～工况7工况进行计算分析，工况7为最不利的。横向（X向）索最大所力为229.054KN，小于横向索的设计承载力484.0/1.8=268.9KN，满足索的承载力要求；纵向（Y向）索的最大索力为135.8KN，小于纵向索的设计承载力363.55/1.8=202.0KN，满足索的承载力要求。
工况7的横向轴力云图(单位为N)


工况7的纵向轴力云图(单位为N)


（3）吸风荷载验算结果：通过计算分析在（0.9×预应力+1.0×自重）的初态最大位移为237.905㎜（绝对值）。对工况8～工况9进行计算，工况8终态最大位移49.5㎜（绝对值），工况9终态最大位移166.176㎜（绝对值）。所以在最不利的吸风荷载作用下，索网的竖向位移都处于向下状态，满足预设变形要求。
0.9×预应力+1.0×自重工况下的竖向位移云图(单位为mm)


工况9竖向位移云图(单位为mm)


（4）变形验算结果：通过对工况10～工况17计算分析，工况10相对于初始状态（0.9×预应力+1.0×自重）的竖向相对变形最大，为117.8㎜，与跨度L比值为1/127,满足预设的变形限值（1/120）要求；此时，索网总挠度为355.7，与跨度L比值为1/42。竖向位移数据见下图
工况10的竖向位移云图(单位为mm)

(5)预埋件验算：根据最不利工况7的支座反力值的安全系数取2.0。进行预埋件计算。

6， 施工控制
(1)为了达到预设的建筑造型,也就是在初始状态1.0×预应力+1.0×自重的竖向最大点的位移224.7mm。此结构为网状结构,各支承杆长短不一,所以，通过有限元软件模拟计算各节点的竖向位移,才能加工支承杆的长度。通过1.0x预应力+1.0x自重的工况计算可知如下数据；(a)节点编号,(b)节点竖向位移云图，(c)节点竖向位移表
(a)节点编号
(b)节点竖向位移云图(单位为mm)
(c)节点竖向位移表
节点编号 竖向位移 节点编号 竖向位移 节点编号 竖向位移
1 0.0000 2 -32.542 3 -54.397
4 -67.375 5 -74.298 6 -76.478
7 -74.298 8 -67.375 9 -54.397
10 -32.542 11 0.0000 12 0.0000
13 -54.170 14 -95.907 15 -122.84
16 -137.89 17 -142.73 18 -137.89
19 -122.84 20 -95.907 21 -54.170
22 0.0000 23 -155.56 24 -176.41
25 -183.21 26 -176.41 27 -155.56
28 -119.33 29 -65.631 30 0.0000
31 -65.631 32 -119.33 33 0.0000
34 -174.12 35 -198.60 36 -206.66
37 -198.60 38 -174.12 39 -132.29
40 -71.804 41 0.0000 42 -71.804
43 -132.29 44 0.0000 45 -183.98
46 -210.49 47 -219.25 48 -210.49
49 -183.98 50 -139.10 51 -75.004
52 0.0000 53 -75.004 54 -139.10
55 0.0000 56 -188.22 57 -215.62
58 -224.70 59 -215.62 60 -188.22
61 -142.02 62 -76.368 63 0.0000
64 -76.368 65 -142.02 66 0.0000
67 -188.22 68 -215.62 69 -224.70
70 -215.62 71 -188.22 72 -142.02
73 -76.368 74 0.0000 75 -76.368
76 -142.02 77 0.0000 78 -183.98
79 -210.49 80 -219.25 81 -210.49
82 -183.98 83 -139.10 84 -75.004
85 0.0000 86 -75.004 87 -139.10
88 0.0000 89 -174.12 90 -198.60
91 -206.66 92 -198.60 93 -174.12
94 -132.29 95 -71.804 96 0.0000
97 -71.804 98 -132.29 99 0.0000
100 -155.56 101 -176.41 102 -183.21
103 -176.41 104 -155.56 105 -119.33
106 -65.631 107 0.0000 108 -65.631
109 -119.33 110 0.0000 111 0.0000
112 -54.170 113 -95.907 114 -122.84
115 -137.89 116 -142.73 117 -137.89
118 -122.84 119 -95.907 120 -54.170
121 0.0000 122 -67.375 123 -74.298
124 -76.478 125 -74.298 126 -67.375
节点编号 竖向位移 节点编号 竖向位移 节点编号 竖向位移

127 -54.397 128 -32.542 128 -32.542
129 0.0000 130 -32.542 131 -54.397
132~150 0.0000

结论:最大竖向位移在节点58, 竖向位移为-224.70mm。根据各节点竖向位移与建筑造型可得各个支承杆的加工长度。
(2),考虑施工误差和施工工艺,竖向支承杆件可加工成可调节件,调节尺寸为±50mm。主要调节采光顶坡度的平整度和安装玻璃工艺。
(3),预应力的张拉应分批、分级、分时进行；φ28㎜索的预应力为110KN，φ24㎜索预应力为80 KN
(4)，张拉顺序：先张拉横向索,再张拉纵向索。由于直线索，长度不大,采用一端张拉的方法。
(5)，分三级张拉,第一天第一次张拉至预定张拉力的20%，第三天第二次张拉至预定张拉力的70%，第五天第三次张拉至预定张拉力的100%。第六、七天再测量索力,并和理论值进行比较,误差控制在3%范围内。直到测量索力稳定为止。
(6)，安装玻璃时首先从中央开始向四周对称施工,进行各个节点位移的测量与理论值进行校核，采用可调节支承杆件和驳接头进行微调，使玻璃孔壁不受挤压状态和调节采光顶的平整度,
局部全景

局部节点