隐形索结构玻璃幕墙

1、【王德勤】隐形索结构玻璃幕墙摘要：隐形索结构玻璃幕墙就是一种从单向单索结构玻璃幕墙中引伸出来的新型玻璃幕墙形式，满足了在玻璃建筑中视觉上无结构的需求。本文介绍了该体系的基本概念及应用现状，并结合实际工程分析闸述其主要构造技术、结构特点及设计要点。隐形索结构玻璃幕墙是一种具有广阔前景的新型实用建筑幕墙支承体系。 关键词：点支式玻璃幕墙；预应力单索结构；钢纹线；单向单索结构；随着我国在幕墙技术的发展，索结构作为支承体系的玻璃幕墙得到了广泛的应有。在现在建筑中，鱼腹式双层索系玻璃幕墙、自平衡素彬架等玻璃幕墙、单层索网玻璃幕墙、单向单索结构玻璃幕墙等柔性支承体系的玻璃墙已不再凤毛麟角。对于建筑师和幕墙

2、工程师来说，索结构支承体系的玻璃幕墙已经成为常见的幕墙形式。同时在新的国家标准和工程技术规范中已对索结构幕墙有了严格、详细的技术规定。对于幕墙企业来说对此类幕墙的设计与施工技术也己日趋成熟。由于幕墙技术的不断发展，更新的幕墙形式逐渐不断的涌现出来。本文所介绍的隐形索结构玻璃幕墙就是一种从单向单索结构玻璃幕墙中引伸出来的新型玻璃幕墙形式。1隐形索结构玻璃幕墙支承体系长期以来人们一直期待"视觉上无结构”的玻璃建筑。隐形索结构支承体系是在单向单索结构的基础上采用了特殊构造措施，即利用了玻璃面板的厚度，将钢索隐藏在玻璃竖向胶缝的中问，不论从室内还是室外，都看不见任何结构构件，从而达到视觉上无

3、结构的目的。好像是玻璃飘浮在”空中。隐形索结构体系具备柔性结构的一切特征，受力状态和传力途径类似单向单索体系。体系在没有施加预应力前没有刚度，且形状不确定，必须施加足够的预应力后才能承受荷载，是典型的小应变大变形结构。拉索的应力与位移的关系是非线性的。隐形索结构体系玻璃幕墙的最大挠度与跨度之比不宜大于1/50.2隐形索结构的工作原理分析单索支撑结构的工作原理也就是要了解单索玻璃幕墙抵抗风荷载作用时的工作状态。了解单索结构作为玻璃幕墙的支撑结构时，索的变形与预应力的关系。索体应力的大小、单索玻璃幕墙平面在抵抗风荷载时各节点的适应能力。（如图1）在玻璃幕墙平面受外部荷载后通过玻璃的连接机构将外部荷

4、载转化成节点荷载P，节点荷载P作用在索结构上，只要在索体中有足够的预应力NO和挠度F，就可以满足力学的平衡条件。当P为某一确定值时，挠度F和预应力NO成反比。即预应力NO值越大，挠度F就越小。F=P/NO。因此挠度F和预应力NO是单层平面索网的两个关键参数，必须经过计算分析后才能确定。3隐形索结构玻璃幕墙设计当幕墙竖向跨度不大时，可在单层索网的基础上简化成单向单索结构。通常将钢索沿竖向玻璃缝布置，由竖向布置的钢索独立承受全部荷载，使玻璃建筑显得通透、轻盈。与单层索网相比，取消稳定索不但能充分发挥钢索抗拉性能，最大程度降低用钢量，而且还取消了昂贵的钢索间的连接构造及稳定索与建筑主体的锚固装置。必

5、须考虑水平方向玻璃面板自身平面内刚度，以满足体系抗侧要求。一般控制单向单索幕墙的竖向单跨不超过10米，当连续跨度较大时还需从构造上加设保护装置。设计方法普遍采用将单索结构离散化的节点位移法，将单索结构离散为有限单元，形成单元刚度矩阵后构成总体坐标系下的结构总刚度矩阵，根据节点的平衡方程和各单元的物理方程得到节点位移，建立有限元基本方程进行求解。计算的基本假设为:(1)索是理想柔性的，只能受拉而不能受压，也不能抗弯;(2)索的受拉工作符合虎克定律;(3)荷载均作用在节点上，因此各索段均呈直线形。该假定也意味着忽略索自重在的影响，当索内预应力远大于自重引起的张力时这一假定是符合实际的。设计的重点是

6、构造设计，精确的模拟计算模型的各种假定和恰当的释放或约束节点自由度。构造设计还必须考虑到来自温度、地震、支座位移等不利因素及材料疲劳、松弛和自身动力响应等特性。对于预应力单索结构的分析一般分为三个状态，即初始几何态、预应力态和荷载态，在分析力学模型的推导除了根据弹性力学的基本原理还需要考虑以下因素:(1)非线性和初始应力预应力单索结构的分析模型必须基于非线性分析理论，必须表示出预应力对刚度的贡献。初始应力对刚度的贡献体现在几何刚度矩阵中。(2)大位移和小应变预应力单索结构的分析力学模型须满足大位移和小应变假定，描述索结构各个阶段的几何形态成为分析的关键。(3)索单元为只拉单元索系作为一种柔性支

7、承体系，理论上只能承受拉力，不能承受弯矩和剪力。一般在力学模型中不考虑索段的松弛。以上是在预应力单索结构分析应该考虑的因素也是点支式玻璃建筑单索结构的理论分析基础.适用于隐式单索夹待式幕墙支承体系。4拉索的组成及索体材料拉索应由索体及两端的锚具组成。拉索索体可采用钢丝束、钢纹线或钢拉杆。拉索两端锚具的构造应由建筑外观、索体类型、索力、施工安装、索力调整、换索等多种因素确定。钢纹线索体选用应满足下列要求:(1)钢纹线的质量、性能应符合现行行业标准高强度低松驰预应力热镀锌钢纹线YB/T 152、镀锌钢纹线YB/T 5004的规定。不锈钢绞线的质量、性能应符合现行行业标准建筑用不锈钢绞线JG/T 2

8、00的规定;钢绞线的极限抗拉强度可分别采用1570,1720、1770、1850、1960Mpa等级别。钢纹线可分别采用镀锌钢绞线、高强度低松驰预应力热镀锌钢纹线、不锈钢钢纹线，并可采用表1的索体截面形式。(2)钢拉杆素体选用应满足下列要求:钢拉杆的质量、性能应符合现行国家标准钢拉杆GB/T 20934的规定;钢拉杆杆体的屈服强度可分别采用345、460、550、650 MPa等级别。索体材料的弹性模量宜由实验方法决定，在未进行实验的情况下，索体材料施加预应力后的弹性，模量可参照表取值：索体材料的线膨胀系数值宜由试验方法确定。(3)玻璃幕墙拉索压接锚具的设计、制作、验收应符合现行行业标准建筑幕

9、墙用钢索压管接头JG/T 201的规定。5隐形索结构玻璃幕墙节点构造隐形索结构得以应用的关键是要满足隐藏钢索的空间要求。以完全加载预应力作为初始状态，对钢索在使用中受平面外荷载作用下的平面外位移进行分析。受玻璃传来均布风力影响，钢索相邻连接节点位于同一抛物线上，节间近似为直线段，并以连接件为折点产生微小转角。若连接件满足设计刚度限值，则钢索在连接件位置的转角与玻璃转动基本协调。(1)仅就节间单元而言，平板玻璃受弯后产生一定挠度，在玻璃边缘形成弧线，带动密封胶及套管一起弯曲变形。因此在构造设计时必须使套管空腔在弯曲方向上留有足够的间隙，使弯曲变形后的套管尽可能避免与钢素接触，满足隐式单索结构设计

10、基本假定。其中需要特别说明，钢索与密封胶在力学性能上存在根本区别，若直接接触，在外力作用下二者变形无法协调，极端情况下可能导致密封胶撕裂。套管可以避免密封胶与钢索不光洁的表面接触，在隐式单索结构中起关键作用，还为钢索在外力作用下的自由变形提供良好外部条件。(如图3)对于隐形索结构玻璃幕墙而言，其钢索直径与玻璃厚度、内力极值、单跨大小有关，还与密封胶的位移性能有关。常规建筑幕墙选用玻璃的最大厚度为10+12A+10mm，总计32mm。此时钢索直径不宜超过20mm，若幕墙单跨较大，则建议采用高强钢索以减小钢索直径。(2)连接件构造玻璃连接机构是保证隐形单索幕墙使用性能的关键点，必须达到以下条件:有

11、足够的强度支承玻璃自重和受荷载产生的压力;要有足够的适应变形能力不至于在玻璃受荷载变形时产生过大的应力点或面;直接有效的将玻璃板面上的荷载转递到支承结构上。夹板式连接件是在一个隐形单索玻璃幕墙单元中部起固定支承和连接作用的节点(如图4 中部节点主要由锁紧机构和连接玻璃机构两部分组成。在单索节点处设置锁紧机构起锁紧、定位、连接的作用。由于单索结构的索内预应力较大，其断面直径在受力过程中会有一定程度的减少。索直径D受力=D原一D，节点设计中要留有足够的预紧量盯(可以取12. 5mm)防止索在受力时产生滑移。为减小在索受力变形过程中在夹紧仓两端出现过大的压应力宜设置导向角。，避免钢索外径在受力变形过

12、程中被压伤。连接玻璃机构在与玻璃接触的位置布置环形橡胶垫片，垫片常用4mm厚，弹性模量E=5.0x103 N/mm,泊松比取0.45。允许跨度方向玻璃之间转动，转动夹角通常控制在2。范围内。它与跨度及跨度方向的玻璃分片尺寸有关，分片尺寸不宜过大，跨度方向玻璃尽量等分且不应少于四片。(如图4)(3)钢索应力他调节、补偿装置加载初始应力将有效提高单索结构的刚度，是控制幕墙挠度的基本措施。工程中针对钢索不同拉力水平要求，选用不同应力调节、补偿装置，通过有拉力传感器的液压千斤顶等不同张拉设备进行张拉。实际使用中，根据工程特点可选用的应力调节、补偿装置包括：调节螺杆、弹簧机构、地脚紧固螺栓的构造，见图5

13、.(4)隐形索结构幕墙与建筑主体连接装置:在一个隐形索结构幕墙单元的上、下端与边缘支承结构连接的节点。钢索内的预应力和受荷载的所产生的应力都要通过边部节点将应力转递到边缘支撑结构上，边部节点起着重要的定位、连接、传力的作用。在单索工作示意图中可以看到，幕墙的玻璃面在受风荷载产生变形时，节点部相对变形角度大在边部，所以对边部节点的变形适应能力要求高，此外节点的处理好坏直接影响着幕墙的安全性和使用性能。边部固定端可以采用活动铰连接方法。(如图6）在调节轴端的设计时应考虑在变形时的适应能力，防止钢索与索压头结合处产生弯调节端的作用是调节索内应力.施工过程中一般是在调节端施加预应力进行索内应力的调整，

14、在使用维修维护过程中用调节端来调节索的内力，这就要求此节点不但在安装过程可调整索内应力使用过程中也必须可调整，才能满足幕墙的使用性能。 实际工程中有很多破坏是集中发生在这个位置，结合隐索构造的特殊要求和结构承载特点，工程中多以8m为最大跨度要求。6.隐形索结构玻璃幕墙的工程应用(1)北京中国移动培训中心裙楼幕墙中国移动培训中心位于北京市小汤山地区，裙楼为隐形索结构玻璃幕墙宽33.5m，高4.5m，首次采用单索隐式技术。工程选用8+12A+8mm。(Low一E)钢化中空玻璃，(D12不锈钢钢索垂直地面，布置间距为1447mm。钢索上下端头均与混凝土梁锚接，混凝土梁刚度较大，钢索支座可简化为铰接，不考虑支座位移。玻璃选用10 + 12A十l0mm钢化中空玻璃。玻璃连接件采用不锈钢夹板式连接。根据北京万通中心设计资料和现行结构设计规范，采用ANSY5按空间整体模型隐形索结构玻璃幕墙体系进行了有限元分析。万通中心隐式单索幕墙与雨蓬、门穿插较多，见图12。设计时考虑到刚性结构与柔性结构变形能力的差异，总体思路是在结合部位释放转角与平移。具体措施包括:(1)整体分析钢索、玻璃与钢型材在各工况下的协调变形，找出关键部位做构造设计。(2)在索体锚固端释放转动位移，在相邻钢索跨度不同导致幕墙变形突变时，通过加设支点统一跨度。(3)边角部位