玻璃幕墙张拉索杆支承结构体系受力特点及工程应用

摘要：张拉索杆支承结构支承的点式玻璃幕墙因其通透晶莹、轻盈简洁的优点在全国范围内得到了迅猛的发展，在商业建筑、公共建筑、办公建筑中得到广泛的应用。玻璃幕墙中常用的张拉索杆支承结构形式主要包括索桁架、自平衡索桁架、张弦结构、平面索网、曲面索网、单向竖索等。


1 索桁架结构
索桁架自身通常呈对称形态，由一系列张力索和受压钢杆共同构成，张力索的上下两端均锚固于主体结构之上。幕墙支撑跨度较大时，常采用多段折线索桁架，多段折线索可形成弧线型或反复交叉型（图1）；索桁架跨度较小时，可采用三段折线或四段折线索桁架，三段折线索桁架常见的形式有鱼腹式和鱼尾式两种（图2）；四段折线索桁架通常呈弧线型或反复交叉型。
索桁架可在立面幕墙中竖向放置或水平放置使用，也可在斜幕墙（图3）或采光顶（图4）中使用；在圆形采光顶中可通过中间的刚性轮盘形成轮辐式索桁架（图5）。





2 自平衡索桁架结构
当主体结构无法承受索桁架中拉索拉力时，可将索桁架设计成梭形、在中部沿纵向设置粗刚性压杆。拉索两端锚固于刚性压杆，其本身形成张力自平衡体系（图6）。

3 张弦结构
张弦结构是由拉索、撑杆和刚性弦杆组合而成的自平衡体系。张弦结构中的拉索通常呈单向弧线形态，索中拉力会产生面外的推力，需要由恒定的垂直向荷载平衡该推力。因此，张弦结构常用在采光顶（图7）或斜幕墙（图8）中。平面投影呈弧形的竖直立面幕墙，可在水平方向设置弧形索平衡张弦结构索中张力引发的面外推力（图9）。


4 平面单层索网结构
单层索网幕墙结构由纵横双向钢索交叉组合后承受外部荷载。绷紧的索网在承受外荷载时产生面外变形，索中张力增加，依靠变形后的索力在面外方向的分量来抵抗外荷载。单层索网幕墙结构通透性良好，应用广泛。如中关村文化商厦（图10）平面单层索网幕墙高约70m，宽为27m，分格尺寸为1.61m×2.25m；昆明长水机场（图11）平面单层索网玻璃幕墙长为324m，东西两翼高约为32m，最大高度约为60m，玻璃面板宽为3m，高为1.6m。
当单索因受力要求截面积过大、造价显著增加时，可双索并联。如中石油大厦（图12）主入口处索网幕墙跨度为40.5m，高为40m，横索和竖索间距分别为1.95，1.35m；纵横索均采用两根并联索充当。本工程技术难点之一是入口处悬挑长度达14m的钢结构雨篷，雨篷依靠刚性较弱的水平支承钢桁架、索网中的竖索和后排竖向平衡拉索实现其稳定。
在一些特殊场合下，“平面单层索网幕墙”会变化为“折面单层索网幕墙”。最具特色的单层折面索网结构为北京新保利大厦索网幕墙（图13），其东北面的钢索网幕墙宽为40～60m，高约为90m，由设于下方吊楼顶部与混凝土筒顶之间的两道巨型钢索分割成3个连续的折面。水平索间距为1.33m，竖索间距有两种，分别为1.38,1.23m。
平面在采光顶中的应用，如北京金成大厦（图14），其地上18层中心区域设有中庭，屋顶设平面索网支承的玻璃采光顶，尺寸约15m×25m。纵横向索的间距分别为1.5，1.91m。



5 单层曲面索网结构
单层曲面索网结构通常是由两向正交或接近正交的、高斯曲率不同的索系联结而成，索系的节点之间无相对滑移。
中国航海博物馆曲面索网设计难点包括：满足建筑美观和张拉要求的基准索网网格设计、考虑施工建造过程的带弹性边界的索网找形、索端万向球铰设计、索端复杂连接部位的设计、索网承载力和防松弛验算、变形验算等多方面。中国航海博物馆中央帆体结构（图15），高度约58m，两片帆体结构在离地高约40m处一点铰接相连。帆体之间为单层曲面索网幕墙最宽处约22m，垂直总高为40m，横索和竖索间距分别约0.8，1.1m。
单层曲面索网结构也常常用于采光顶结构中。深圳三鑫研发中心采光顶（图16）长为60m、跨度为12m；马鞍形标准单元的尺寸为12m×12m；索网由相互正交的抛物线索组成，网格平面尺寸为1.5m×1.5m，其纵向索下凹，横向索上凸，构成了具有正负高斯曲率的马鞍形索网。

6 单向竖索结构
当建筑师对玻璃幕墙的通透性有更高要求时，可在本已相当轻巧的平面单层索网幕墙的基础上取消水平索，只留竖向索作为幕墙的支承结构。竖向索在承受幕墙面板自重的同时承担抵抗水平风荷载的作用。
联想融科资讯中心C座大堂幕墙（图17）由索及钢结构支承。索结构体系由4根连接两座写字楼之间的主悬索、62根通过钢架对悬索施压的单向竖索、2根位于悬索平面内的抗风索组成。索结构长63m、宽13.4m、高6～9.5m，单向竖索间距为2m。位于顶面的主悬索为定长索，依靠若干竖向单索张拉后，对主悬索实现张拉过程。华晨双帆国际大厦（图18）采用了单层隐索幕墙形式取得了良好的视觉效果。隐式单索幕墙的节点构造（图19）。





7 其他结构形式
有需要时，也可将两种或多种不同的玻璃幕墙张拉索杆结构体系混合使用，以实现更好的建筑效果（图20，21）；也可将张拉索杆支承结构和其他非拉索支承结构形式联合使用（图22）。



8 弹簧装置在幕墙拉索支承结构中的应用
幕墙拉索支承结构中的弹簧装置可分为两类：1）拉索和弹簧装置串联，称索端弹簧索力缓冲装置；2）防拉索破断装置（图23,24）和带阀值的力缓冲装置（弹簧吊爪装置）。北京土城电话局预应力单层索网幕墙长为29.4m，高为19.5m，在水平索端部设置过载保护装置（图25）；拉维莱特（La Villette）的城市科学博物馆的暖房幕墙结构就应用了弹簧吊爪装置（图26），临界阀值荷载为7400kN。



9 张拉索杆支承结构的设计和计算要点
（1）张拉索杆支承结构中的拉索单元采用链杆单元模拟、张弦结构中的刚性梁采用梁单元模拟；计算模型中支座约束简化模型应和实际情况相同；当设有弹簧时，需用弹簧单元准确模拟。
（2）张拉索杆支承结构设计时应计入索中初始预应力作用，应考虑结构自重和玻璃面板等恒载、风载、采光顶上的雪载和检修活载、温度影响等作用。
（3）当张拉索杆支承结构的支座因主体结构产生较大位移时，应考虑该强制位移对张拉索杆支承结构的影响，必要时可建立和主体结构共同工作的整体分析模型。
（4）因张拉索杆支承结构刚度相对较小，计算时应采用风振系数或风振响应分析的方式考虑风动力效应。
（5）平面单层索网、曲面单层索网、单向竖索结构的刚度受其变形影响较显著，计算时必须考虑几何非线性特征。
（6）需复核最不利荷载基本组合作用下的杆件承载能力。
（7）需复核最不利荷载标准组合作用下张拉索杆支承的结构变形值是否满足规范限值要求。
（8）应避免索体的松弛现象。
（9）索桁架、自平衡索桁架结构拉索中初始张拉应力对其抗风能力的发挥作用的影响幅度较小。
（10）曲面索网需进行张拉及施工过程模拟分析工作、纵横索相交位置索夹设计时需考虑不平衡力的影响。
（11）张弦梁结构设计时，应根据设计目标位形进行预变形找形分析。