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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进行受力分析与施工过程介绍，以期对以后类似工程设计施工提供借鉴。
[关键词] ： 幕墙；单层索网；预应力；张拉过程；
[Abstract]: Monolayer cable net glass curtain wall is a popular wider in recent years in the form of a curtain wall, and its supporting structure composed of flexible steel cable. Required due to the stiffness of the cable net with prestressed, compared with the traditional curtain wall structure are complex, and construction more difficult. In this paper, a typical single cable curtain wall engineering, stress analysis and construction process to provide a reference for the design and construction of future similar projects.
[Key words]: walls; monolayer cable net; prestressed; tension during the
中图分类号 :J527.3文献标识码： A 文章编号：
1. 引言
玻璃幕墙相比传统的建筑外墙具有造型简洁、通透、现代感强等特点，能体现建筑时代气息，因此幕墙尤其是玻璃幕墙倍受建筑师的青睐。单层平面索网支承式玻璃幕墙是近年来在国内外应用较为广泛的一种新型幕墙结构，具有建筑造型美观、构件轻巧纤细、视觉通透性好等优点, 因而特别适用于大型公共建筑中。此类幕墙在构造上主要由预应力拉索、连接爪件（接驳爪或其他形式的夹具）、玻璃面板三部分组成，玻璃的四个角点通过爪件和索连接，玻璃和玻璃之间采用硅酮密封胶连接。
图1. 单层索网幕墙效果 图2. 索网节点
与传统的单层曲面索网结构相比，单层索网体系是由两向正交的钢索构成的平面或负高斯曲面受力体系。其中单层索网结构不具有平面外刚度，只有当产生平面外位移时才能抵抗平面外荷载的作用；而且，随着荷载的增加，结构变形越大，抵抗荷载的能力越强，表现出较明显的几何非线性特征。
随着玻璃幕墙在我国的不断实践和技术发展，设计和施工安装技术也逐渐趋于系统化、规范化。本文通过某办公楼中庭玻璃幕墙设计施工过程介绍，分析了玻璃幕墙的设计、施工重点，以期提供有益的借鉴。
2. 工程概况
该工程幕墙位于主入口中庭部分。为形成通透的效果，在门厅立面设置单层索网玻璃幕墙。该片幕墙整体高10米，宽17.5m，由水平向索和竖向索正交布置，构成2.0*1.75m的索网格。 左右两端均连接在主结构柱上；竖向拉索跨度10m，上端可靠连接在主结构顶部，下端连接在门框钢结构上。
图3 构件布置图 图4. 结构三维有限元模型
根据本工程特点，幕墙构件选材如下：
幕墙玻璃面板采用8+16Ar+8mm中空钢化玻璃，玻璃最大分格2000×1750mm；
3.荷载条件
（1）幕墙自重
0.024*25.6*2*1.75=2.15KN（转化为节点荷载）
（2）风荷载
根据建筑结构荷载规范《GB50009-2001》（2006年版）查得结构所在地地面粗糙度为B类，风荷载标准值 为0.55kPa； 根据公式 可算得，幕墙风压荷载标准值：
4.结构计算模型与参数选取
单层平面索网体系是柔性张拉结构，必须通过施加预拉力赋予其一定的形状才能承受面外荷载。作用于玻璃幕墙上的平面外荷载通过玻璃的连接机构转化成作用在索网结构节点上的集中荷载P，只要在索网中有足够的预拉力N和相对挠度f，就可以满足力学的平衡条件。所以预拉力N的大小与相对挠度容许值[f]是两个关键参数。本工程幕墙设计计算参数如下：
（1）水平拉索与两端主体结构柱、竖索与顶部结构梁及底部设为铰接，约束三个方向线位移；
（2）水平与竖向拉索边界条件考虑足够刚性，索网不受主体结构变形的影响；
（3）索网总尺寸为17.5m×10m，网格尺寸为1.75mm×2000mm。
（4）幕墙索选型参数见表1：
表1 幕墙索网选型参数
（5）结构最大变形控制取跨度的1/50。
5.结构分析计算
根据上节所列条件，利用有限元ANSYS软件，对本工程幕墙索网结构建立空间有限元模型（图4）。初拉力以初应变形式施加，如图5、6所示：
图5. 索网初拉力云图 图6. 索网初应变云图
对该模型施加幕墙自重与风荷载进行受力分析，结构索网受力如图7~9所示：
图7. 索网内力云图（N） 图8. 索网应力云图
根据ANSYS有限元计算结果可知：
竖向索最大拉力出现在中部45号单元处，为104.4KN，最大拉應力为459.3N/mm2；
水平索最大拉力出现在22号单元处，为64.3KN，最大拉应力为236.0N/mm2
索网工作状态所受最大拉力为索体极限荷载的104.4/269=0.39倍，索构件满足要求。
结构在初拉力与外荷载共同作用下受力变形图如图10所示：
图9. 索网应变云图 图10. 索网变形图
从变形图可以看出，结构在初拉力+自重+风荷载作用下最大变形点位于节点27处，为195.7mm<10000/50=200mm。结构在外荷载作用下变形满规范要求。
6. 索网施工过程
单层索网是一种柔性结构体系，拉索在自然状态下非稳定结构，必须施加预拉力使其张紧，才能具有抵抗法向荷载的能力。因此确定正确合理的预应力施工张拉方案（张拉顺序、横索分段张拉分析、张拉方法、张拉过程中预应力值的测控、温度的控制以及钢结构在张拉期间的变形检测），正确完成索结构的安装是本工程单索幕墙施工的重点。
图11. 拉索张紧器 图12. 拉索测力仪
因索网需施加的预拉力较大，一次张拉很难到位。本工程预应力索张拉分三级进行： 第一级张拉预拉力 30%，第二级张拉到预拉力 70%，第三级张拉到预拉力的 100%，具体各步操作过程如下：
（1）将钢索布设到位，采用专用工装将索与腹杆连接，并使用有拉力传感器的液压千斤顶进行第一级张拉（最终预应力值的 30%）。对索的分布尺寸进行一次复合测量，将中部锁紧机构按尺寸安装到位（只进行初始连接不锁紧）。
（2）经调整达到索内力基本平衡，中部节点空间定位尺寸基本到位后进行第二级张拉（最终预应力值的 70%）。张拉全部到位后按各节点定位尺寸将索的锁紧机构和玻璃连接机构调整到位并进行初期锁紧和初期固定，保持24小时后检查各边部节点和中部节点以及边缘支承结构的变形情况。
（3）如无异常情况，方可进行第三级张拉（拉到最终预应力值）。张拉完毕后进行尺寸精度测量调整，锁紧各节点的连接机构。待72小时后再进行一次尺寸复合采用高精度的索内力测定仪对索内应力进行检测，确认内力均衡后方可进行下一道安装工序。
7. 结论
本文对一个典型的单索幕墙工程进行受力分析与施工过程进行了介绍，此类幕墙结构的设计难点主要由以下几点：
（1）幕墙索的预拉力确定是单层索网幕墙设计的一个难点，取值时既应考虑温差、预应力损失等因素确保索网始终处于张紧状态，又要考虑在外荷载作用下具有足够的刚度满足幕墙节点变形限值要求。
（2）单层索网是一种柔性结构体系，需通过施加预拉力使其张紧。因此张拉工程中，应合理划分张拉步骤，控制每个张拉步的受力变形实测值与理论计算值得吻合程度，制定合理的预应力施工方案，保证张拉施工到位。
参考文献
[1] 《玻璃幕墙工程技术规范》，JGJ102-2003
[2]《建筑结构荷载规范》(2006年版) ，GB 50009-2001
[3] 《钢结构设计规范》，GB50017-2003
[4]点支式幕墙配件产品目录，坚朗公司
[关键词] ： 幕墙；单层索网；预应力；张拉过程；
[Abstract]: Monolayer cable net glass curtain wall is a popular wider in recent years in the form of a curtain wall, and its supporting structure composed of flexible steel cable. Required due to the stiffness of the cable net with prestressed, compared with the traditional curtain wall structure are complex, and construction more difficult. In this paper, a typical single cable curtain wall engineering, stress analysis and construction process to provide a reference for the design and construction of future similar projects.
[Key words]: walls; monolayer cable net; prestressed; tension during the
中图分类号 :J527.3文献标识码： A 文章编号：
1. 引言
玻璃幕墙相比传统的建筑外墙具有造型简洁、通透、现代感强等特点，能体现建筑时代气息，因此幕墙尤其是玻璃幕墙倍受建筑师的青睐。单层平面索网支承式玻璃幕墙是近年来在国内外应用较为广泛的一种新型幕墙结构，具有建筑造型美观、构件轻巧纤细、视觉通透性好等优点, 因而特别适用于大型公共建筑中。此类幕墙在构造上主要由预应力拉索、连接爪件（接驳爪或其他形式的夹具）、玻璃面板三部分组成，玻璃的四个角点通过爪件和索连接，玻璃和玻璃之间采用硅酮密封胶连接。
图1. 单层索网幕墙效果 图2. 索网节点
与传统的单层曲面索网结构相比，单层索网体系是由两向正交的钢索构成的平面或负高斯曲面受力体系。其中单层索网结构不具有平面外刚度，只有当产生平面外位移时才能抵抗平面外荷载的作用；而且，随着荷载的增加，结构变形越大，抵抗荷载的能力越强，表现出较明显的几何非线性特征。
随着玻璃幕墙在我国的不断实践和技术发展，设计和施工安装技术也逐渐趋于系统化、规范化。本文通过某办公楼中庭玻璃幕墙设计施工过程介绍，分析了玻璃幕墙的设计、施工重点，以期提供有益的借鉴。
2. 工程概况
该工程幕墙位于主入口中庭部分。为形成通透的效果，在门厅立面设置单层索网玻璃幕墙。该片幕墙整体高10米，宽17.5m，由水平向索和竖向索正交布置，构成2.0*1.75m的索网格。 左右两端均连接在主结构柱上；竖向拉索跨度10m，上端可靠连接在主结构顶部，下端连接在门框钢结构上。
图3 构件布置图 图4. 结构三维有限元模型
根据本工程特点，幕墙构件选材如下：
幕墙玻璃面板采用8+16Ar+8mm中空钢化玻璃，玻璃最大分格2000×1750mm；
3.荷载条件
（1）幕墙自重
0.024*25.6*2*1.75=2.15KN（转化为节点荷载）
（2）风荷载
根据建筑结构荷载规范《GB50009-2001》（2006年版）查得结构所在地地面粗糙度为B类，风荷载标准值 为0.55kPa； 根据公式 可算得，幕墙风压荷载标准值：
4.结构计算模型与参数选取
单层平面索网体系是柔性张拉结构，必须通过施加预拉力赋予其一定的形状才能承受面外荷载。作用于玻璃幕墙上的平面外荷载通过玻璃的连接机构转化成作用在索网结构节点上的集中荷载P，只要在索网中有足够的预拉力N和相对挠度f，就可以满足力学的平衡条件。所以预拉力N的大小与相对挠度容许值[f]是两个关键参数。本工程幕墙设计计算参数如下：
（1）水平拉索与两端主体结构柱、竖索与顶部结构梁及底部设为铰接，约束三个方向线位移；
（2）水平与竖向拉索边界条件考虑足够刚性，索网不受主体结构变形的影响；
（3）索网总尺寸为17.5m×10m，网格尺寸为1.75mm×2000mm。
（4）幕墙索选型参数见表1：
表1 幕墙索网选型参数
（5）结构最大变形控制取跨度的1/50。
5.结构分析计算
根据上节所列条件，利用有限元ANSYS软件，对本工程幕墙索网结构建立空间有限元模型（图4）。初拉力以初应变形式施加，如图5、6所示：
图5. 索网初拉力云图 图6. 索网初应变云图
对该模型施加幕墙自重与风荷载进行受力分析，结构索网受力如图7~9所示：
图7. 索网内力云图（N） 图8. 索网应力云图
根据ANSYS有限元计算结果可知：
竖向索最大拉力出现在中部45号单元处，为104.4KN，最大拉應力为459.3N/mm2；
水平索最大拉力出现在22号单元处，为64.3KN，最大拉应力为236.0N/mm2
索网工作状态所受最大拉力为索体极限荷载的104.4/269=0.39倍，索构件满足要求。
结构在初拉力与外荷载共同作用下受力变形图如图10所示：
图9. 索网应变云图 图10. 索网变形图
从变形图可以看出，结构在初拉力+自重+风荷载作用下最大变形点位于节点27处，为195.7mm<10000/50=200mm。结构在外荷载作用下变形满规范要求。
6. 索网施工过程
单层索网是一种柔性结构体系，拉索在自然状态下非稳定结构，必须施加预拉力使其张紧，才能具有抵抗法向荷载的能力。因此确定正确合理的预应力施工张拉方案（张拉顺序、横索分段张拉分析、张拉方法、张拉过程中预应力值的测控、温度的控制以及钢结构在张拉期间的变形检测），正确完成索结构的安装是本工程单索幕墙施工的重点。
图11. 拉索张紧器 图12. 拉索测力仪
因索网需施加的预拉力较大，一次张拉很难到位。本工程预应力索张拉分三级进行： 第一级张拉预拉力 30%，第二级张拉到预拉力 70%，第三级张拉到预拉力的 100%，具体各步操作过程如下：
（1）将钢索布设到位，采用专用工装将索与腹杆连接，并使用有拉力传感器的液压千斤顶进行第一级张拉（最终预应力值的 30%）。对索的分布尺寸进行一次复合测量，将中部锁紧机构按尺寸安装到位（只进行初始连接不锁紧）。
（2）经调整达到索内力基本平衡，中部节点空间定位尺寸基本到位后进行第二级张拉（最终预应力值的 70%）。张拉全部到位后按各节点定位尺寸将索的锁紧机构和玻璃连接机构调整到位并进行初期锁紧和初期固定，保持24小时后检查各边部节点和中部节点以及边缘支承结构的变形情况。
（3）如无异常情况，方可进行第三级张拉（拉到最终预应力值）。张拉完毕后进行尺寸精度测量调整，锁紧各节点的连接机构。待72小时后再进行一次尺寸复合采用高精度的索内力测定仪对索内应力进行检测，确认内力均衡后方可进行下一道安装工序。
7. 结论
本文对一个典型的单索幕墙工程进行受力分析与施工过程进行了介绍，此类幕墙结构的设计难点主要由以下几点：
（1）幕墙索的预拉力确定是单层索网幕墙设计的一个难点，取值时既应考虑温差、预应力损失等因素确保索网始终处于张紧状态，又要考虑在外荷载作用下具有足够的刚度满足幕墙节点变形限值要求。
（2）单层索网是一种柔性结构体系，需通过施加预拉力使其张紧。因此张拉工程中，应合理划分张拉步骤，控制每个张拉步的受力变形实测值与理论计算值得吻合程度，制定合理的预应力施工方案，保证张拉施工到位。
参考文献
[1] 《玻璃幕墙工程技术规范》，JGJ102-2003
[2]《建筑结构荷载规范》(2006年版) ，GB 50009-2001
[3] 《钢结构设计规范》，GB50017-2003
[4]点支式幕墙配件产品目录，坚朗公司