赵西安-高层建筑中的索网结构

第十九届全国高层建筑结构学术会议论文 2006年高层建筑中的索网结构赵西安（中国建筑科学研究院，北京100013）提 要 索网结构是最为简捷的玻璃面板支承钢结构体系。

由于钢索直径小，几乎没有遮挡，因而深受建筑师欢迎并在国内高层建筑中广泛应用。

索网结构属于有初拉力的柔性大挠度结构体系，设计要考虑几何非线性影响，受力较为复杂。

本文介绍了这种结构体系在高层建筑中的应用，索网结构的选型和布置以及索网的设计要点关键词 索网结构 非线性分析 大挠度1 概述1.1 索网结构由双向钢索所组成的柔性钢结构称为索网。

在高度较小的情况下，也可以只在竖向单方向布索，演变为单向拉索结构。

拉索是只承受拉力的单向受力构件，并且只在有初拉力时才能发挥其结构支承作用。

拉索固定在周边的刚性支承构件上，周边构件应能承受拉索拉力产生的作用。

在高层建筑中，索网多用于大空间中庭的玻璃幕墙和玻璃屋面（图1、图2）。

1.2 索网结构的特点1.2.1 拉索的挠度平直的拉索不可能产生法向反力，因此直索不能受法向荷载（如风力和地震力，透光屋面的重力荷载等）。

拉索只有在挠曲的情况下才能与法向荷载或作用平衡。

例如，当拉索承受跨中单个集中力P 时，其其平衡关系为：其中，N 为钢索的拉力，α为水平拉索的倾角，d 为中点挠度，l 为拉索的跨度。

由此可见，钢索拉力N 越大，挠度d 越大，则能承受的法向荷载P 越大。

当挠度d 趋近于0时，钢索拉力N 将趋于无限大。

因此，为使钢索拉力在合理范围内，拉索在工作状态下必须有较大的挠度d ，通常d 控制在跨度l 的1/60~1/40范围内。

所以说，索网结构是在大挠度状态下工作的。

1.2.2 拉索的伸长不锈钢索的极限强度σt 约为1100~1500N/mm 2,其弹性模量Ε约为 1.2×105~1.3×105N/mm 2,到达极限强度时其伸长率约为1%~1.2%。

对应的钢索挠度为（1/14~1/18）l . 赵西安，男，1940.7出生，研究员2sin 4d P N N l=α≈第十九届全国高层建筑结构学术会议论文2006年钢索的强度设计值取为600~830N/mm2,相应地，到达强度设计值时不锈钢索的挠度为（1/25~1/32）l，钢索的伸长小于1%，在允许范围内。

1.2.3 初拉力钢索在自然状态下是柔软的，难以形成稳定的结构，因此必须施加初拉力使其繃紧，才能具有抵抗法向荷载的能力。

初拉力不宜过大，通常在钢索的力的15%~25%范围内。

初拉力应能使钢索在高温工作仍有一定的剩余拉力，不会因拉索膨胀而松弛；另一方面也应考虑在低温时不会因拉索收缩而使拉力过大。

2 结构的选型和布置2.1 索网形状单层索网自然形状只能是平面（高斯曲率k x k y=0）或者双曲抛物面（高斯曲率k x k y＜0）。

要形成正高斯曲率的球面等其它形状，必须另外附加拉索。

2.2 索网的布置1.幕墙和透光屋面宜采用双向布索的单层索网。

幕墙竖向高度不大15m时，可以采用竖向单向拉索。

多跨索网可以连续布索以减少固定连接件数目。

2.拉索的间距不宜大于2m。

双向布索时，索网网格宜接近正方形。

网格面积不宜大于3.5m2；单向布索时，单块玻璃面积不宜大于3.5m2。

3.幕墙玻璃面板的自重只由竖索承受；在透光屋面上，玻璃自重由双向拉索承受。

当索网两个方向尺度接近时，法向荷载（风荷载，地震作用，透光屋面上的重力荷载）由双向拉索共同承受；当索网长短边尺度之比大于1.5时，法向荷载也可以考虑只由短向索承受，长向索只作为稳定索。

2.3 钢索端部的固定1.钢索端部应采用冷挤压锚具连接螺丝端杆，然后再固定在周边结构上。

螺丝端杆应有张拉和调节钢索拉力的功能。

2.固定钢拉索的主体结构或周边构件应能承受钢索的最大拉力，并且不产生过大的位移或变形。

3.在两座独立的建筑或在相邻塔楼之间布置索网时，连结两座建筑的钢索端部应有能适应两座建筑相对位移的连接装置。

3 索网的设计要点3.1 钢索用于索网的钢绞线直径不宜小于12mm。

钢绞线的单根钢丝直径不宜小于1.2mm。

拉索宜采用不锈钢绞线、高强钢绞线，可采用铝包钢绞线。

采用高强钢绞线时，其表面应作防腐层。

第十九届全国高层建筑结构学术会议论文 2006年钢索的总安全系数约为2.5。

钢索的受拉强度设计值应按其极限抗拉强度的标准值除以材料分项系数1.8，并按其等效截面面积换算后采用。

当已知钢绞线的极限抗拉承载力时，其抗拉承载力设计值应取该值除以系数1.8后采用。

此外，采用冷挤压锚具时，钢绞线的承载力还应考虑折减系数0.9。

3.2 端部锚具钢拉索不应进行焊接，其端部应采用冷挤压锚具，锚具应带法兰螺丝端杆，用扭力板手旋转法兰螺杆可以对拉索施加拉力、调整拉力。

锚具及端杆宜采用不锈钢制造，优先采用牌号为0Cr17Ni12M o 2(316)的奥氏体不锈钢。

3.3 与主体结构或周边构件的连接拉索通过螺丝端杆、连接垫板或预埋件连结到混凝土构件上；或者通过焊接将端杆连接到钢构件上和大门钢框上。

当需要在不同温度条件下保持拉索的恒定拉力时，可在端部附加定刚度的弹簧。

在两座独立的建筑或两座塔楼之间张拉索网时，连接两座建筑的水平拉索端部，应设置能适应两座建筑或两个塔楼相对水平位移的装置。

当相对位移较小时，这种装置可以采用多铰摇臂机构、滚轴机构或叠层橡胶支座；相对位移很大时还可以采用专门的弹簧机构。

索两端的最大相对位移，非抗震设计时可取连接标高处两座建筑在风荷载作用下的水平位移之和；抗震设计时可取该处地震作用下水平位移之和的三倍。

3.4 风荷载和地震作用1.风荷载可假定作用于索网各交叉点上，风荷载标准值可按下式计算：k z z s o w w =βμμ式中o w ——基本风压，按该地区50年一遇平均风压采用；s μ——风压体型系数，按《建筑结构荷载规范》GB50009采用，或进行风洞试验决定；z μ——风荷载高度系数，按《建筑结构荷载规范》GB50009采用；z β——风振系数，可由动力反应分析进行计算；也可以取不小于2.0的数值。

2.地震作用地震作用宜与主体结构一起进行动力分析决定。

在设计时，也可以按下式计算：EK E max k q G =βα式中： EK q ——垂直于索网方向的地震作用标准值；k G ——幕墙或透光屋面的单位面积重力荷载；第十九届全国高层建筑结构学术会议论文2006年α——地震影响系数最大值，水平方向地震作用按《建筑抗震设计规范》maxGB50011采用；竖向地震作用按水平地震作用60%考虑；β——动力放大系数，可取为5.0。

E3.5 分析方法索网是在大挠度下工作的，结构分析应考虑几何非线性影响。

索的端部支承条件由支承构造确定，可以是可动铰、不动铰、弹簧支座甚至是完全固定。

分析时应考虑初拉力和温度的作用。

内力分析宜采用通用有限元分析程序，如ANSYS、SAP、3D3S等。

4 工程应用4.1 大尺度的平面索网德国慕尼黑凯宾斯基酒店，在两座高层客房楼之间的屋面下，布置了尺度为40m×30m （高）的两片索网，围成一个酒店大堂（图3、图4）。

网索分格为1.5m×1.5m，室内非常通透（图5）。

钢索直径为19mm，竖向索上端固定在钢板屋面拱上，下端通过铸钢件固定在钢筋混凝土地梁上。

在最大瞬时风力作用下，最大挠度为跨度的1/35，达到±900mm。

北京中关村文化商厦中庭，索网达70m×27m（图8、图9）。

采用夹板式支承玻璃（图10、图11）。

4.2 多跨组合索网北京中国青年旅行社大厦（图12、图13）中庭由6片大小不同的索网竖向排列而成，索网尺寸分别为9m×20m、7.9m×20m和14.5m×20m（三片）。

天津泰达市民中心大三角锥高度达130m，复盖了一座14层的酒店（图14）。

三角锥在80m以下部分，由单层索网玻璃幕墙包封，每片索网的分格为9.4m×9.4m。

钢索间距为2.35m×2.35m（图15、图16）。

4.3 带端部弹簧装置的索网在强烈地震区两座独立建筑物之间布置索网时，为防止地震中建筑物变形过大而将钢索拉断，端部往往设置大位移弹簧装置。

图17为用于北京土城移动电信局和北京国家网络中心的弹簧装置。

钢索在无外力时初拉力为150kN，在设计荷载下最大拉力为410kN。

在正常工作条件下，由保险钢杆（最大拉力410kN）直接传递钢索拉力。

在强烈地震下，保险钢杆拉断，由设计受力410kN的弹簧传递拉力，保持恒定数值，使钢索安全工作。

图18~图20为北京土城移动电信局的索网，从图21可见水平索端部的弹簧装置，图21和图22是国家网络中心类似的索网结构。

这两座建筑的索网分格为1.5m×1.5m，最大挠度控制为1/50。

4.4 非平面索网第十九届全国高层建筑结构学术会议论文2006年图24为目前世界上最大的索网结构——北京新保利大厦。

索网尺寸为90m×65m（宽），由两根φ240mm的主索划分为三块，形成棱镜形表面（图25）。

主索由150根和199根钢铰线组成，最大初拉力达12000kN和15000kN，上端固定在剪力墙上，下端固定在悬臂的七层建筑上。

次索网格为1.5m×1.5m，水平索由剪力墙和主索固定，竖向索分别由上、下水平桁架固定。

北京长安中心大厦中庭采用了两片正高斯曲率的球面索网（图26），为此专门布置了四片水平布置的双索桁架（图27）。

每片索网高度为36.6m，宽度为24m，钢索间距约为1.7m×1.7m。

第十九届全国高层建筑结构学术会议论文2006年图1 单层双向索网图2 单层索网室内观图3 慕尼黑凯宾斯基酒店30m×40m索网图4 索网近观图5 高通透的酒店大堂图6 夹板外侧图7 夹板内侧图8 北京中关村文化商厦27m×70m索网图9 索网室内侧仰视图10 索网内侧图11 水平索和竖向索在交点处用钢板夹具固定图12 北京中青旅大厦图13 竖向连续6片布置的索网图14 天津泰达市民中心130m高三角锥图15 索网布置图16 9.4m×9.4m索网区格图17 端部弹簧装置图18 北京土城移动通讯局18m×24m索网图19 索网外观图20 索网结构布置图21 端部弹簧装置（黑色棱柱体）图22 国家网络中心21m×24m、17m×24m索网图23 21m×24m索网布置图24 北京新保利大厦65m×90m三棱面索网图25 主索和次索布置图26 北京长安中心大厦双球形索网图27 球面索网的主要结构。