金刚幕墙集团有限公司   王锦

摘要：拉索玻璃幕幸喜结构新颖，在观感视觉达到大通透大室内空间的玻璃幕墙效果，既可以满足采光通透效果、结构新颖、受力可靠又保证建筑绿色环保节能要求。

关键词：单向索玻璃幕墙   预应力  设计计算  

         1、引言

         随着我国玻璃幕墙的迅速发展及各种新型材料、新技术、新原理的开发，建筑师在建筑设计理念中希望建筑物能达到人与自然无间隔达到共同一体效果，在主观设计意识中有着通透新颖、视觉无障碍的玻璃幕墙，所以拉索幕墙既可以满足视觉效果、结构简单可靠又能扩大室内空间并保证建筑绿色环保节能要求。

         本文主要介绍单索玻璃幕墙设计方案选取及拉索连接支座采用后置锚栓计算需要综合考虑混凝土产生破坏的防护措施，以确保幕墙结构受力可靠，保证其正常使用。

         2、工程概况

         沈阳中海国际项目由二幢高层办公楼及二层裙楼组成的建筑物。本项目的西北面、东北面均采用拉索玻璃幕墙，其拉索幕墙面板均采用12mm+12A+12mm中空双钢化超白low-e玻璃。拉索立面玻璃分格为1500mm×3600mm；玻璃面板采用250系列的不锈钢驳接爪件进行六点支撑形式固定（如图一）。

         3、拉索幕墙系统构造设计及计算

         3.1玻璃面板设计计算

         本项目拉索点式幕墙玻璃面板采用6点支撑面板，玻璃所受的风荷载、重力荷载和地震作用等，全部通过玻璃开孔传递到驳接爪上，造成玻璃开孔处的局部应力最大，因此本项目驳接头采用球铰式驳接头内置球铰底座，此驳接头可以绕球心偏转±15度，连接的目的是为使驳接头能够吸收玻璃随风压产生的变形并在开孔位置采用驳接头自带的胶垫使得玻璃与驳接头不会产生硬性接触，减少变形应力，降低玻璃面板开孔位置的应力，降低玻璃开孔处的应力，从而提高点支式幕墙安全性的关键。采用球铰驳接头结构使玻璃的变形中心（即中性层）--玻璃的厚度中心与驳接头的转动中心一致，在同样荷载作用下玻璃变形的应力最低（如图一）。

         在玻璃面板荷载根据拉索位置于建筑最大标高位11.5米取值，结合《建筑结构荷载规范》GB50009-2012，给出计算围护结构风荷载计算公式进行外围护结构的效应组合荷载分别对玻璃的强度及挠度进行计算。

         根据《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003相关规定，进行幕墙构件承载力设计时作用分项系数应按：永久荷载、风荷载和地震荷载的分项系数γG、γw、γE分别为1.2、1.4和1.3；其风荷载组合值系数ψw应取1.0，地震作用的组合系数ψE应取0.5，所以在计算玻璃挠度时，其作用效应组合应：1×水平风荷载标准值+0.5×地震标准值在计算玻璃强度时，其作用效应组合应：1×1.4×水平风荷载设计值+0.5×1.3×地震设计值。

         玻璃面板采用有限元软件ANSYS建模计算，面板单元采用shell63单元，取单片玻璃计算强度，取等效厚度计算刚度，由于内外片玻璃一致，取最不利外片玻璃计算强度即可，荷载标准值经计算Wk=0.975KP，根据《建筑幕墙》规范要求Wk不应小于1KPa，所以Wk=1KPa取值，荷载设计值按W=1.4KPa取值，经计算面板应力、挠度结果如图二、图三。

         根据ANSYS有限元计算云线图得知面板最大应力为σmax=64.861MPa＜fg=67Mpa，满足要求

         根据ANSYS有限元计算云线图得知，面板最大挠度为df=12.799mm＜1500/60=25mm，满足要求！

         3.2拉索设计计算

         索属于柔性的张拉结构，在没有施加预应力之前是没有刚度，其结构属于非可靠稳定结构；只有索通过张拉绷紧通过施工赋予合适初始预应力后，才能承受外荷载的作用。单索玻璃幕墙的不锈钢索不仅承受风荷载、地震荷载、温度荷载还要承受玻璃自承荷载，因此本项目的索跨度为11.2m，所以通过结构计算确认索的直径为∅26mm不锈钢拉索，拉索幕墙采用传统点式驳接系统，驳接爪件通过不锈钢螺栓与不锈钢压块夹紧相连，利用不锈钢拉索与不锈钢压块的摩擦力承受荷载（如图四）。

         点式玻璃采用拉索作为主受力构件，在计算索受力时按竖向拉索直径26，有效截面面积为399.84，等效直径为22.57mm，单索施加的预应变为0.002，考虑最大温差摄氏度，温差线应变=1.8××60=1.08×，拉索弹性模量按E=1.3×，拉索在温度作用下预应力：

F==1.3××399.84×1.08×=56.14kN。

         拉索采用有限元软件ANSYS建模计算，索单元采用link10单元，拉索直径为26mm，预应变为0.002，具体计算参数值输入如下：

ET,1,LINK10 （单元类型）

R,1,399.84,0.002,   （截面面积，预应变）

MPTEMP,,,,,,,,  

MPTEMP,1,0  

MPDATA,EX,1,,130000 （弹性模量）

MPDATA,PRXY,1,,0.3  （泊松比）

水平标准值P=1.313×1.5×1.65=3.25KN

竖向荷载G=0.7×1.5×1.65=1.735KN

         3.2.1针对拉索结构的特殊性，按最不利情况的工况分别计算如下结果：

         根据ANSYS有限元计算云线图得知，

        拉索最大挠度为df=193.1mm＜11200mm/50=224mm满足要求！

        根据规范要求不锈钢绞线的抗拉强度设计值按极限承载力除1.8系数考虑所以，参考压制型不锈钢拉索破坏力为469.61KN，所以拉索最小破断力为：

189.953KN+56.14KN=246.09KN＜469.6/1.8=260.89KN，拉索满足设计要求！

         在施工过程中，温度的高低对拉索预紧力的大小不一，所以在安装时，必须要求测量施工中的温度决策当时的预紧力的大小。针对这一特殊要求，索张拉过程中应检测并复核拉力、实际伸长量和油缸伸出量，每级张拉时间不少于5min，并作好记录。记录内容应包括：日期、时间、环境温度、索预应力、索伸长量和结构位移的测量值并根据计算，在不同温度的情况下拉索的预拉力值进行张拉。

                拉索预应力随温度变化控制表(单位:KN)

         3.3拉索张拉施工控制

         拉索在安装时应根据整体结构对索的安装顺序和初始态索力的要求，并计算出每根拉索的安装索预应力和伸长量以确定索张拉预应力为主的原则。对结构重要部位宜进行索力和位移双控，在进行索预应力张拉前先将坚向索布设到位，采用专用工装将索拉直，并使用有拉力传感器的液压千斤顶进行张拉，索张拉应遵循分阶段、分级、对称、缓慢匀速、同步加载的原则进行张拉。索的张拉依次按25%、50%、75%、100%的预应力进行施工并记录张拉值，待完成持续48小时后再进行第二次测量对达不到预应力值的拉索进行补偿和调整，使每根拉索的预应力值满足设计要求,对每阶段预应力张拉值的误差控制在±5%，保证拉索成型并且不超过拉索的承载力。

         4结束语

         单向索玻璃幕墙具有通透性、结构简单新颖，但单向索需要承受外部所有荷载及玻璃自重并且单向索挠度较大，所以在设计计算时不仅需要考虑单向索的最小破断力之外，也更需要注意在施工过程中温度变化对单向索张拉预应力时的控达到单向索自身平衡体系，满足单向索幕墙的正常使用。

参考文献

《玻璃幕墙工程技术规范》        JGJ 102-2003             中国建筑工业出版社

《建筑幕墙》                    GB/T21086－2007

《建筑结构荷载规范》            GB50009-2012            中国建筑工业出版社

《钢结构设计规范》              GB50017-2003            中国计划出版社

《索结构技术规范》              JGJ 257-2012             中国建筑工业出版社