单层索网玻璃幕墙拉索探析

单层索网玻璃幕墙拉索探析

发表时间：2016-08-08T14:31:31.873Z 来源：《基层建设》2016年11期作者：林云

[导读] 单层索网玻璃幕墙是近年来流行较广的一种幕墙形式，其支撑结构由柔性钢索组成。

深圳金粤幕墙装饰工程有限公司

摘要：单层索网玻璃幕墙是近年来流行较广的一种幕墙形式，其支撑结构由柔性钢索组成。由于索网的刚度需通过施加预应力获得，其与传统幕墙结构相比具有受力复杂，施工难度较高等特点。本文通过对一个典型的单索幕墙工程休息厅单层索网拉索预应力分析过程作详细描述，以期对以后类似工程设计施工提供借鉴。

关键词：单层索网玻璃幕墙；拉索；预应力

XX拟建项目占地面积约6.7万m ，总建筑面积约7.8万m ，建筑高度为51.35m，是一栋大型多功能艺术表演文化中心。休息厅由钢桁架屋盖、折角异形柱、平面桁架柱及单层索网玻璃幕墙构成。单层索网玻璃幕墙由竖向索、横向索和玻璃面板构成。单层索网玻璃幕墙面内设有平面桁架柱，相邻面的折角处设有异形柱，横向索在折角异形柱处断开。该休息厅有六个单层索网玻璃幕墙面，高17m；贵宾休息厅有三个单层索网玻璃幕墙面，高9.2m。

现场实拍照片

本项目中单层索网玻璃幕墙不仅是建筑效果体现的关键部位，更是幕墙施工中技术难度最大的分项。与传统结构相比，索网结构的设计、计算理论较有着较大的差别，施工工艺也绝非传统的施工技术能够解决。首先，传统结构计算都是假定在一定的几何形状基础上的，而索网结构的初始形态和初始预应力分布是一对相互影响的未知量，这就产生了两个不确定量。也就是说既要形成假设的初始几何，又要满足初始假设的预应力分布，这用传统的结构力学方法是难以完成的，只能采用迭代法，通过几何形状和预应力分布的逼近来实现；其次，由于索网结构成形阶段很强的非线性反应使得索网结构预应力张拉的施工过程极为繁琐，需要持续的人为监控，以期保证结构成形后的工作状态能够达到和预期设计的吻合。为此在拉索幕墙施工过程中，采用ANSYS通用有限元分析软件对拉索施工过程分析，以作为施工过程中的安全性、选择合理的拉索施工方案、确定拉索施工参数的依据。

下文就通过对休息厅单层索网拉索预应力分析过程作详细描述，以便对类似工程的施工具有一定参考意义。

1、拉索预应力施工分析

1.分析模型

1.1分析软件

采用ANSYS通用有限元分析软件。

1.2分析模型构成

模型包含顶部钢桁架屋盖和异型格构柱，以及纵横向的索网。该阶段的有限元模型如下图所示：

休息厅索网模型

1.3节点连接形式和边界条件

1.3.1节点连接形式：

1.3.2边界条件：钢桁架内侧为一竖直圆弧形的剪力墙，两端钢结构均与剪力墙连接，因此此处约束全部自由度，钢柱与地面的连接采用铰接支座，限制三向位移，纵索与地面的连接采三向铰支。

1.4单元类型

根据不同构件的端节点连接形式和受力特点，选择合适的单元类型。

1.5分析方法

采用几何非线性和材料非线性分析，牛顿-拉斐逊迭代求解，考虑应力刚化效应。

2.拉索等效预张力的找力分析

拉索等效预张力的找力分析分为两个层次：一是确定等效于张力的分布模式；二是确定该分布模式下的等效预张力值。本工程在各索上施加等效预张力，结构在结构自重作用和拉索等效于张力共同作用下达到平衡状态。通过找力分析，确定各拉索上所需施加的等效于张力，使得结构在平衡状态下，各拉索的索力达到目标设计值。

根据设计要求，索网在自重和等效预张力的共同作用下，使索网内力达到目标索力。找力分析结果如下表所示：找力分析结果

3.施工过程中结构变形与索力变化

3.1施工过程中索力变化

休息厅索网按照张拉顺序分为14个批次，先张拉纵索，后张拉横索。拉索张拉过程中索力变化如下表所示：索力变化表

3．2、拉索张拉过程中钢桁架与钢柱应力与变形

由于拉索数量众多，钢结构的变形必须要考虑，考虑到钢结构跨中变形比较大，在A、B…F六个区段的钢结构跨中部分取一点，其竖向位移与张拉批次的关系如下：

拉索张拉过程中钢桁架和钢柱的等效应力变化如下图：

3.3、拉索张拉过程中结构内力与变形云图 1.拉索未张拉

2.纵索张拉完成

3.横索张拉完成

4、结论

从上面分析结果图中可见：

1）考虑到索张拉与钢结构之间的相互影响，对张拉顺序采取了一定的控制。总体上满足对称张拉的要求，对于竖索从两边向中间张拉，对于横索先张拉上下的，再施工中间的。在竖横索全部施工完成后，拉索达到目标索力。

2）整个张拉过程中，拉索张拉引起的钢结构竖向位移变化很小。从六个区段选取的钢桁架上的6个点的位移变化图可以看出，最大位移控制在4.5mm内，对索的张拉影响很小。

3）在整个拉索张拉施工过程中，钢桁架和立柱的等效应力水平均不高，局部出现应力集中，钢桁架最大达到271.67MPa，立柱达到195.55MPa，范围非常小，且均在钢材弹性范围之内。

4）第一批次张拉时，索力未达到目标索力，但可以看出，随着后续批次的张拉，各拉索索力逐渐达到目标值。