浅析预应力索系在幕墙设计中的应用

何志良

摘要详细介绍了某工程椭球幕墙的设计过程，对材料选用、结构计算以及主要节点做了系统的分析。与国内以往对球类幕墙的设计不同之处是采用了钢构件支撑，将预应力索系应用到球体中，刚柔结合使球体结构造型简洁并具有很强的力度感，视觉流畅，为以后同类幕墙的设计提供参考。

关键词 预应力索 椭球壳体玻璃幕墙

中图分类号：TU528文献标识码： A 文章编号：

1 工程概况

该工程为广州某保健医院大楼，由采光的部分椭球体和其后的玻璃幕墙组成部分椭球体，几何模型为一完整的椭球体被其后面竖直玻璃幕墙面和水平地面切割而成，椭球体的三个轴长度分别为22.3、22.3、18 m。部分椭球体顶部距离地面的高度为15.9 m，两个方向的宽度分别为22.3 m和14.36 m。外形及尺寸如图1、图2所示。

2 结构体系

2.1结构形式

椭球体结构的网格形式为肋环形，椭球体和竖直幕墙连接处为一椭圆刚性构件，截面为φ50×12钢管。椭球体钢结构经线方向为H型钢和双层预应力悬索体系间隔布置，纬线方向为H型钢和钢管、横向稳定索混合布置。门框刚架采用300 mm×10 mm和400 mm×10 mm的方钢管。

2.2结构传力途径

玻璃重力的传递路径为：玻璃→不锈钢驳接系统→不锈钢爪件→双层预应力悬索体系→钢结构→基础。

水平外力(风荷载、地震作用、温度效应)的传递路径为：玻璃→不锈钢驳接系统→不锈钢爪件→双层预应力悬索体系→钢结构→基础及主体结构。

3材料的选用

3.1玻璃

球体玻璃采用(10+12A+10+1.52pvb+8)mm钢化Low—E夹胶中空玻璃，玻璃分格由上下向中间逐渐增大，最大分格为等腰梯形，尺寸：上底2.363mm、下底2.400mm、高2.282mm。由于椭球体玻璃属于采光顶，考虑到钢化玻璃可能发生“自爆”现象，采用钢化夹胶玻璃，其特点是可将破碎后碎片粘在聚乙烯醇缩丁醛薄膜上面，属安全玻璃，还有防爆、防弹、防紫外线、隔音等特点。椭球体上半部分玻璃夹胶面向室内，椭球体下半部分玻璃夹胶面向室外。

3.2钢结构及表面处理

H型钢材质为Q345，其余为Q235。钢材表面进行喷砂除锈，除锈等级为Sa2．5级，表面粗糙度为Rz45～80／μm，刷环氧富锌底漆两道(80μm)，涂超薄型防火涂料后进行氟碳喷涂，既确保钢结构防火功能又保证其耐候性和美观效果。

3.3预应力拉索

拉索选用防腐性能高的SU316，材质为16Mol2Ni，不锈钢索φ14，19股钢绞线，等效弹性模量为1.29×105 MPa。竖向抗风承重选用φ14双层预应力悬索结构体系作为支撑，横向稳定索为φ10拉索。

4结构设计分析

4.1基本参数取值与计算假定

球面部分的玻璃厚度为28 mm，竖直幕墙部分的玻璃厚度为20mm，考虑球面部分恒荷载较大，为0.768 kN／m2，其荷载分项系数取1.35；活荷载为0.5 kN／m2，荷载分项系数取1.4。

考虑球的体型和其大部分结构面积被上部楼层覆盖，雪荷载较小，因此没有考虑雪荷载。本工程位于广州，抗震设防烈度为6度，地震作用较小，因而没有考虑地震荷载。风荷载取基本风压50年一遇，为0.55 kN／m2，地面粗糙度为B类。结构的风载体型系数参照《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2001)近似取值，在正风压下的体型系数取为1.0，在不对称风荷载作用下，结构的正风压体型系数取为0.8，负风压取为0.6，体型系数见图3。风荷载的方向为垂直于玻璃表面。根据以往经验,结构的风振系数取为1.3。

计算假定：索之间的交叉节点为无摩擦的理想铰接节点。索单元取直线单元，仅受节点荷载作用。索在受拉时材料处于线弹性阶段，符合虎克定律。施加一定的预应力，忽略该段内索自重垂度，因此索可按2节点单元处理。

4.2荷载组合工况

考虑以下五种荷载组合工况：

①恒荷载+活荷载；

②恒荷载+风荷载+0.7活荷载；

③恒荷载+活荷载+0.6风荷载；

④恒荷载+活荷载+0.6不对称风荷载；

⑤恒荷载+不对称风荷载+0.7活荷载。

4.3结构分析

预应力索属于柔性结构，其支撑刚度是通过预应力的施加而形成的。用于固定悬空杆的悬索体系必须考虑合理的应力值，才能保证在玻璃安装后在风荷载和自重荷载作用下结构变形在允许范围内。根据经验，竖向前后索预张力值为30 kN，水平稳定索预张力值为12 kN。对拉索施加预应力，形成索球，用ANSYS有限元通用程序对结构进行空间结构分析，得到最大挠度的标准值，见表1。上述5种工况中，钢结构最大应力出现的单元相同；椭球体结构位移最大值出现位置相同。从表1还可知：不对称风荷载对于钢结构的位移和内力影响较对称风荷载大；对钢结构内力，与不对称风荷载相比,“恒荷载+活荷载”是控制荷载；对钢结构位移，不对称风荷载影响最大，为控制荷载。

控制工况下杆件内力计算结果见表2。上述工况中，钢结构最大弯曲应力出现的单元相同；最大轴向应力出现的单元相同。从弯曲应力和轴向应力的分布看出，预应力索球结构受力有别于普通单层球面网壳结构。普通球面网壳结构以轴力为主，该椭球体结构内力以弯曲应力为主。

通过对5种工况的计算结果比较可知，不对称风荷载对于钢结构的最大位移和最大内力影响较对称风荷载大；对于钢结构内力，与不对称风荷载相比，“恒荷载+活荷载”是控制荷载。出现上述现象的主要原因在于主体结构对于椭球体结构只提供顺风方向的支承，在横风向不提供支承，因此结构横风向刚度较弱，位移较大。但是由于“恒荷载+活荷载”的竖向荷载对于结构的内力影响较大，因此，在工况④下钢结构内力最大。

4.4结构稳定性分析

采用结构荷载一位移非线性全过程分析的方法，对该椭球结构的稳定性能进行了研究，确定结构的极限承载能力。经过弹性分析和弹塑性分析得出结论：结构的破坏过程为先出现塑性铰，随塑性铰数目的不断增加，接着出现机构，结构无法继续承受荷载，结构失效，表现为强度破坏。对于本结构在设计荷载下不存在整体失稳问题。

5主要节点构造设计

5.1不锈钢驳接爪的设计

椭圆球体的球面由平板玻璃拼接而成,球体由下到上,剖面上分格长度相同，玻璃与玻璃之间夹角随着椭圆曲率的不同不断变化，变化范围在163°～168°之间，这就要求不锈钢驳接爪两爪之间的夹角也随之变化，考虑不锈钢驳接系统具有10°左右的调节余量，剖面方向两爪的夹角定为15°；平面上每一层分格数相等，玻璃与玻璃之间夹角为165°，平面方向两爪的夹角定为15°，如图4所示。另外，由于有部分预应力索靠驳接爪承压，压索位置有索槽，该部分驳接爪为非标准件，需重新开模，经精确铸造成型后再精加工而成。

5.2不锈钢驳接爪、工字钢和索以及不锈钢驳接爪、悬空杆和索的连接设计

设计原则是为了在预应力调整完毕后将预应力索锁紧，防止索的滑移，以增加预应力索系的安全性。主要考虑两个螺栓的最大应力值，螺栓螺纹的承载力，压紧后的摩擦系数要足够大。最后采用了串压原则，如图5所示。

5.3幕墙整体结构和主体结构干涉节点处理

由于主体混凝土结构只能承受水平荷载，不能承受竖向荷载，在最不利荷载作用下，其竖向的变形达到40mm，因此要求幕墙结构在满足牢固连接于主体建筑物上的同时，还必须满足主体结构的位移要求。为防止主体结构变形对幕墙结构的影响，在幕墙与主体结构连接部位采用了双向联杆铰接机构，当主体混凝土发生变形时，此结构完全满足位移要求并能可靠传递水平力。同时，由于玻璃为脆性材料，在幕墙顶部采用了热塑性弹性密封屏(Santo—prene)，用于防止主体混凝土及幕墙钢结构变形导致玻璃破损现象的发生。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。