某总部大楼索网及其连接结构设计.docx

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1、某总部大楼索网及其连接结构设计摘要：对某总部大楼索网及其支撑结构进行设计，分析索网及其连接结构的设计和施工方法。对单索设计中应注意的要点进行介绍，按相关连接强于杆件的原则设计节点，同时对拉索索头提出新的要求。所设计相关节点满足受力要求，施工可行。关键词：索网结构；钢结构；幕墙结构；结构设计某总部大楼位于杭州市西湖区，两栋大楼的东立面入口玻璃幕墙的支撑均采用相同的单层横竖向索网结构。单层索网结构幕墙是一种新颖的暮墙支承结构，其构造形式简单，拉索的利用效率高，玻璃幕墙的形式轻盈、通透。本文结合工程实际情况，对单层索网及其支撑结构进行设计，分析横竖索网及其连接结构的设计和施工方法，并针对钢筋混凝土结

2、构以外的钢架、索网设计提出相适应的节点设计形式。1支撑结构设计哈尔滨国际会议展览体育中心、德国慕尼黑机场酒店、德国柏林SONY中心、德国外交部大楼、重庆江北国际机场指廊、北京中关村第三极、北京新保利大厦等是单层索网结构作为支撑结构典型的工程项目。文献1-5介绍了索网结构的受力性能及设计和施工方法。本工程的设计参数：工程地面粗糙度类别为B类，场地类别为H类,抗震设防烈度为6度，工程地区的基本风压为w0=0.45kNm2,风振系数BZ取2.0,风载体型系数UsMX1.2,风压高度变化系数UZ按GB500092012建筑结构荷载规范取值。温度按升温40和降温20C考虑。1.1 索网及连接结构布置某总

3、部大楼东立面幕墙为直立面，索和支撑钢架的布置形式如图1所示，其支承结构采用单层横竖向索网结构。索结构网格尺寸为3.9m1.4m,竖向支撑钢结构之间净距离为37.93m,扣除端部连接耳板部分长度，竖索计算长度为37.67m；横向支撑钢结构之间净距离为22.80m,扣除端部连接耳板部分长度，横索计算长度为22.44moa一平面；b立面；c一剖面。1横向支撑；2一竖向支撑；3水平撑杆；4混凝土梁;5一上挑梁；6一上支撑柱；7索网；8一下支撑柱；9一下挑梁。图1索网及其支撑结构考虑拉索根部反力很大，为分散和转变力的传递方式，拉索左右端和上下端设计了图1所示的支架。水平两端挑梁和斜撑每层设置，截面分别为

4、焊接矩形口30040030X30和口2503502020(扁放)。上端挑梁间距为1.4m,截面为焊接矩形口450义250义303(),钢柱与挑梁平面之间设置斜撑，截面为焊接矩形3502501616,挑梁端部平面外用1根次梁连接，截面为焊接矩形4003003030o1.2 拉索及预应力拉索预应力由周边结构承担，故预应力要考虑主体结构的承载能力。因本工程土建主体结构能承受的横向力大、竖向力小，索网结构中横索选用直径40mm的1义91热铸型不锈钢拉索，金属截面积945.07mm2；竖索选用直径28InIn的1X61压制型不锈钢拉索，金属截面积463.71mm2o为减小索的计算长度，进而减小索端反力，

5、本工程在钢筋混凝土柱上竖向隔层设置限制索平面外位移的支座，支撑撑杆为8根670不锈钢圆管。类似索网结构在土建主体结构不受拉索支座反力限制下，可以不设置撑杆。钢梁材质为Q345B,拉索选用316型不锈钢拉索。索结构拉索的材料分项系数取18,预应力荷载分项系数取12。针对本工程实际情况，分别建立索和钢架的受力模型进行计算，索的反力计算完成后反向施加到钢架上。计算时应考虑拉索的几何非线性情况，横竖拉索定义为只拉单元并施加预估的预应力，根据拉索变形反复调整预应力大小。反复试算后横索的预拉力取为330kN,竖索的预拉力取为150kNo1.3 索网变形控制控制索网的变形来保证幕墙玻璃的安全，索网变形过大会

6、对幕墙造成不利的影响；反之，索网结构变形控制过严，随着预拉力的增大，对索边界的连接结构要求也会更高，索本身材料也会浪费。索网没有变形是不能抵抗外来横向水平荷载的，只有产生变形，在力的平衡下才能承担横向水平荷载，因此应合理选择索的挠度与预应力的关系。在建的索网支承结构工程幕墙单索的挠度多以150（1为拉索跨度）来控制，而JGJ2572012索结构技术规程6中规定不宜大于1/45。增加撑杆虽然可减小玻璃的绝对最大变形，但相对变形也受到影响，此时索网绝对最大变形相对无撑杆索网应控制更严。横向风荷载在外荷载多种组合中起控制作用。在最不利标准组合“恒荷载+风荷载+升温”作用下索网变形如图2所示，拉索最大

7、位移Un1aX接近221.6mm,最大位移发生在第2排撑杆和第3排撑杆之间拉索中部处，Umax1=221.6/11465=152max111=155.6/7800=1/50,其中Umax1为竖向最短距离内的最大变形，11为中部竖向撑杆之间的距离。Umax212=167.5/8400=1/50.1max2为横向最短距离内的最大变形，12为中部横向撑杆之间的距离。以上绝对位移虽然大，但实际上玻璃相对位移并不大，玻璃完全能适应所设计的相对变形，位移均满足要求。在组合“1.2恒+1.4风+1.0降温”下横向拉索最大支座拉力514kN,竖向拉索最大支座拉力258kN,拉索最大应力比达到0.88。0.00

8、024.61849,23673,854I98.472I123,091鬻147,7091172.327196,945221.563图2索网变形mm1.4 支撑钢架设计把拉索支座反力施加到横向和竖向支承钢架上计算钢架结构，计算后水平钢架悬挑端最大变形为0.9mm,钢斜撑最大应力比为0.32。竖向上端钢架悬挑端最大变形为7.3mm,钢支撑柱最大应力比为0.44。竖向下端钢架悬挑端最大变形为17mm,钢斜撑最大应力比为0.24。钢架端部位移都很小，且拉索预应力施加完成后，钢架大部分变形已经完成，钢架后续变形对拉索影响很小。2节点连接设计2.1 埋件节点设计拉索结构设计的难点在于埋件与端部节点连接设计。

9、本工程最大支座反力出现在横向支撑结构的斜撑杆根部，该支撑杆埋件位于600mm800mm混凝土柱、600mm宽纵向混凝土梁和300In1n宽横向混凝土梁交汇处，其内钢筋十分密集，不利于埋件放置和混凝土浇筑，综合考虑以上因素，为尽可能方便施工，设计了如图3所示的埋件节点。埋板采用30ms厚345B钢板，锚筋采用直径25mm的HRB400带肋钢筋，埋板与锚筋连接要求采用等强度穿孔塞焊。为保证焊接质量，要求埋件焊接做等强度拉伸试验，试验要求拉力达到钢筋屈服时焊缝没有任何破坏。中部和上排锚筋插入混凝土楼板和300mm宽混凝土梁内，其他锚筋对穿600mm宽混凝土梁后与左右两块背板焊接。考虑后穿纵向梁钢筋穿

10、入方便，把抗剪键分成两个，中间留有空隙。每排钢筋在放置埋件后方便施焊的位置焊接一列横向钢筋。1一前锚板；2背板；3抗剪键；4深入梁板内钢筋；5横向钢筋。图3横向支撑结构斜撑埋件节点2.2 横索与支撑连接节点设计横向拉索与横向支撑连接节点如图4所示。挑梁对应斜撑位置内部设置30mm隔板，采用电渣焊形式。目前很多拉索厂家提供的拉索都是双耳板索头，设计钢结构耳板只能1块或者3块，根据建筑效果要求采用1块耳板，经计算和考虑索头开口(70Dim)选取单耳板厚度65mm,孔径参照厂家提供的配套销轴(66mm)MX69mm,考虑索头槽口深度取端部净距87.5mmo分别计算挤压和抗冲切强度，在取安全系数接近2

11、的情况下,均满足要求。索头槽口深度决定钢结构连接耳板的端部净距，槽口太浅,耳板端部净距过小，一般计算很难满足或者在满足的情况下安全储备太少。所以订货时要求厂家40拉索参数f1和f均不小于130mm来保证槽口深度,其中f1和f分别为拉索固定端和调节端销轴中心到槽口底部距离。1拉索；2一隔板；3斜撑；4一挑梁；5拉索连接耳板；6一钢销。图4横索与横向支撑连接节点2.3 竖索与支撑连接节点设计竖向拉索上端与竖向支撑连接节点如图5所示。拉索连接耳板插入挑梁内，端部和侧面与挑梁上下面焊接，此部分可在工厂完成。挑梁对应次梁位置内部设置30mm隔板，采用电渣焊形式，因与插入挑梁内的钢结构连接耳板相撞，故错开

12、一定距离。单耳板经计算和考虑索头开口(34mm)选取单耳板厚度32mm,孔径参照厂家提供的配套销轴(36mm)取38mm,考虑索头槽口深度取端部净距56mm0分别计算挤压和抗冲切强度，在取要求厂家28拉索参数f1和f均不小于80mm来保证槽口深度。1拉索连接耳板；2一隔板；3一挑梁；4一次梁；5拉索。图5竖索与竖向支撑连接节点2.4 挑梁支柱节点设计图1所示的上端支撑结构挑梁内对应支撑圆柱处设置20mm隔板，采用电渣焊形式来保证集中力的传递。拉索上端支撑圆柱处因钢柱轴力很大，钢柱上下端除铳平顶紧顶板、埋板外，钢柱内侧设置十字钢板，顶紧内部顶板、埋板，使钢挑梁压力均匀传递给钢柱，钢柱把压力再均匀

13、传递给钢筋混凝土梁。2.5 拉索与玻璃连接节点设计玻璃夹具与横竖索的连接节点如图6所示,横向索在后,竖向索在前，通过驳接件连在一起。驳接件长度设计在考虑玻璃面板不与拉索端部的钢图6横纵索与玻璃连接节点3结构施工本工程因索网和支撑钢架分别计算，计算钢架时把索支座反力施加到钢架上，钢架端部会有一定的变形，施工时在钢架悬挑端部反向施加一定的预变形。本工程的施工难点是横向支撑结构斜撑埋件的放置，该处位于混凝土梁柱交接处，钢筋密集，并且埋件有抗剪键，埋件很难放进去。结合工程实际情况，采取如下施工顺序：先架立混凝土柱钢筋，之后放入预埋件再穿入300mm宽混凝土梁钢筋，钢筋如遇到埋件钢筋或者抗剪键现场与之焊

14、接，混凝土柱对应600ITUn宽混凝土梁方向外侧设置牛腿，把600mm宽混凝土梁钢筋从牛腿侧穿过混凝土柱子伸入600mm宽混凝土梁内，端部弯钩锚在牛腿内。张拉工具采用带拉力传感器的液压千斤顶，为保证测量值的准确性,张拉设备应在使用前进行标定。索网施工预拉值的最终确定要根据施工时的气温变化调整索预拉力。拉索加载时每级荷载的张拉顺序为按先中间，后左右两边；先横索后竖索进行。在进行横竖索张拉前，先将拉索安装到位，然后用扭矩扳手先将其拉直，使拉索的预拉力在10kN左右。每阶段张拉预拉力值误差应控制在5%以内。第一级张拉到总预应力值的25%左右，达到预定值后测量拉索支撑主体结构的变形情况，验证测量结果与

15、分步施工计算结果是否吻合。吻合后依照同样张拉和测量方法进行第二级50趴第三级75%、第四级105%的张拉和校验。第三、四级的张拉、测量和校验后应分别在24h和72h后进行第2次测量，对预拉值发生变化的拉索进行调整。4结论D索挠度和预应力大小紧密相关，为保证幕墙玻璃的安全性，应该严格控制拉索变形。2）单索结构中拉索的预拉力很大，应根据横竖向支撑混凝土结构承受情况选取横竖索大小来设计。3）本文设计节点满足受力要求，施工可行。4)单索幕墙中索端拉力主要与幕墙变形控制比例有关，一些已建工程一般取150,JGJ2572012规定不宜小于1/45,此值还应结合人的感观、玻璃的绝对和相对变形要求、实际工程条件等多种因素选取。参考文献1龚沁华，张谦，李硕.单索支承点支式玻璃幕墙玻-索联合工作的受力分析J钢结构，2008,23(1):1-5.2彭安宁.双向双索网幕墙施工质量控制要点J.建筑科学，2008(7):67-71.3王德勤.