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≈

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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。

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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；