預(yù)應(yīng)力索桿桁架點(diǎn)支式玻璃幕墻設(shè)計(jì)
關(guān)鍵詞：桁架、玻璃幕墻、設(shè)計(jì)
1工程概況
廣州某高層建筑東南側(cè)點(diǎn)駁接玻璃幕墻，面積約為1600m2，主要支承結(jié)構(gòu)是六榀不銹鋼絞線經(jīng)預(yù)張拉形成的索桿桁架體系,設(shè)計(jì)長度為44.3m,內(nèi)外弦桿直徑48mm,同時(shí)，需施加預(yù)應(yīng)力。
六層水平桁架距離室內(nèi)地面的高度分別為:6m、12m、16.4m、21m、25.5m、30m，水平桁架所用桿件均為不銹鋼材料,表面經(jīng)過亞光處理,外觀纖細(xì)大方。幕墻玻璃采用14+1.64PVB+9厚的鋼化夾膠玻璃,每塊玻璃尺寸為2.4m×1.6m。第一層水平桁架以下設(shè)三排水平玻璃；一二層之間則設(shè)四排玻璃；二三層間,三四層間,四五層間,五六層間均設(shè)三層玻璃；六層以上設(shè)兩層玻璃。玻璃的自重通過從共享空間頂部吊掛下來的H型鋼直接傳遞給主體結(jié)構(gòu)梁,其豎直方向荷載在此不作討論。駁接爪設(shè)置在吊掛玻璃的H型鋼上。
在豎向桁架室內(nèi)一側(cè)的A、B、C、D四個(gè)節(jié)點(diǎn)位置由4根剛度很大的鋼管頂住,鋼管另一端與共享空間內(nèi)主體結(jié)構(gòu)連接,故這4個(gè)節(jié)點(diǎn)在計(jì)算時(shí)可以視為固定支座；豎向桁架Ⅰ、Ⅱ的上下支座均為鉸支座,與主體結(jié)構(gòu)連接；水平桁架兩端伸入共享空間兩側(cè)的剪力墻中,計(jì)算時(shí)設(shè)置為固定支座。在水平桁架的內(nèi)外弦桿中施加預(yù)應(yīng)力,使其與兩根豎向桁架一起抵抗作用在玻璃面上的風(fēng)壓和地震荷載,達(dá)到設(shè)計(jì)要求:在最不利水平荷載組合作用下,水平撓度不大于L/160(L為幕墻長度和寬度中的較小值),同時(shí)不大于20mm。
2預(yù)應(yīng)力桁架施工方案的確定
因?yàn)辄c(diǎn)支承玻璃幕墻的后續(xù)施工工藝對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的施工精度要求很高———水平桁架的節(jié)點(diǎn)位置在前后、左右方向和設(shè)計(jì)位置的偏差均要求不超過±2mm。這對(duì)張拉時(shí)的質(zhì)量控制和操作工藝要求非常嚴(yán)格。另外,工期緊、桁架桿件多、拼裝位置高(施工中大部分操作在腳手架作業(yè)面上進(jìn)行),所以施工方案的選擇非常重要。因?yàn)橐圆煌姆绞绞┘訌埩?huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的改變,所以應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬不同方案的施工過程,對(duì)桁架進(jìn)行施工和使用過程中的變形和承載力計(jì)算,以篩選出科學(xué)、可行的施工方案,符合設(shè)計(jì)意圖。
為了既可以控制玻璃幕墻支撐系統(tǒng)的每一節(jié)點(diǎn)經(jīng)張拉后正好位于設(shè)計(jì)位置,又可直接保證水平弦桿的張拉力達(dá)到設(shè)計(jì)值,最終確定的施工方案是在垂直桁架的立管上與水平桁架相交的地方開孔,使水平桁架內(nèi)外弦桿在垂直桁架中能夠滑動(dòng)(圖2)。將一側(cè)剪力墻中的弦桿用雙螺母固定作為固定端,兩臺(tái)前卡式千斤頂(YC20)在另一側(cè)的剪力墻后張拉(圖3)。張拉前試驗(yàn)得到套筒螺紋的壓縮量,計(jì)算得出弦桿的伸長量,然后據(jù)此求出預(yù)拼裝的長度。張拉時(shí)通過千斤頂?shù)挠蛪罕砜刂茝埨?考慮張拉端錨墊板之間的壓縮,可以適當(dāng)加大張拉力)。
1—張拉端剪力墻；2—YC20千斤頂；3—Ф50×8直腹桿；4—豎向桁架；5—Ф45內(nèi)弦桿；
6—Ф45外弦桿；7—Ф36斜腹桿；8—固定端剪力墻
1—調(diào)節(jié)套筒；2—豎向桁架開孔處套管；3—斜腹桿耳板；4—內(nèi)弦桿；
5—豎向桁架腹桿；6—豎向桁架立管處開孔；7—外弦桿
3預(yù)應(yīng)力桁架的有限元分析
3.1計(jì)算模型
施工方案選定了,即可按照此方案建造的結(jié)構(gòu)建立計(jì)算模型。
a.每根內(nèi)外弦桿張拉力相等,即通過施加預(yù)應(yīng)力使之具有相同的應(yīng)力。
b.水平桁架的內(nèi)外弦桿在豎向桁架開孔中可以沿張力方向自由伸縮滑動(dòng),故模型中應(yīng)去掉豎向桁架對(duì)水平桁架在這個(gè)方向的約束。
c.使用過程中,水平桁架弦桿的兩端伸入1m厚的剪力墻中,并用雙螺母錨固,所以計(jì)算時(shí)應(yīng)把它設(shè)為固定支座。
d.利用有限元分析時(shí),桁架桿件相交處不管是焊接還是螺紋、套筒連接在計(jì)算模型中均設(shè)為固節(jié)點(diǎn)。
3.2荷載輸入
3.2.1風(fēng)荷載和地震荷載的組合
廣州市抗震設(shè)防烈度為7度,基本風(fēng)壓為0.5kN/m2,設(shè)計(jì)時(shí)風(fēng)壓取值根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果:風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值2.3kPa,負(fù)風(fēng)壓起控制作用。計(jì)算結(jié)構(gòu)變形和承載力時(shí),分別取風(fēng)荷載和地震荷載的組合系數(shù)為1.0和0.6。
由于水平荷載均由幕墻后面的支撐體系承擔(dān),所以荷載組合時(shí)同時(shí)考慮了作用在玻璃表面的風(fēng)壓、作用于玻璃的水平地震力以及作用在水平、豎向桁架上的水平地震力。玻璃所承擔(dān)的風(fēng)荷載和地震荷載通過H型鋼傳遞到桁架外弦桿節(jié)點(diǎn)上,把支撐結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的水平地震力也換算成節(jié)點(diǎn)荷載作用在桁架外弦桿節(jié)點(diǎn)上。這樣,經(jīng)組合后作用在水平桁架上的節(jié)點(diǎn)力:第一、二層桁架為13397N,與豎向桁架相交處節(jié)點(diǎn)力為26374N；第三、四、五層桁架為11483N,與豎向桁架相交處節(jié)點(diǎn)力為24459N；第六層桁架為9569N,與豎向桁架相交處節(jié)點(diǎn)力為22546N。
3.2.2松弛的影響
松弛是指構(gòu)件長度不變的情況下應(yīng)力隨時(shí)間減小的現(xiàn)象,徐變是指應(yīng)力維持不變,應(yīng)變隨時(shí)間增長的現(xiàn)象,當(dāng)然二者還有溫度不變的條件。
由于拉桿是發(fā)生松弛與徐變的主要構(gòu)件,所以拉桿的松弛與徐變損失影響張拉整體結(jié)構(gòu)的受力狀況,而且這種預(yù)應(yīng)力損失是全局性的,必須在設(shè)計(jì)中予以考慮。由于松弛和徐變比較復(fù)雜,我們根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn),作為溫度的一部分來考慮。
3.2.3溫度的作用
溫度改變作為一種影響預(yù)應(yīng)力的獨(dú)立因素是指材料隨溫度改變而發(fā)生非彈性變形,使結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力發(fā)生改變,這是在正常使用階段發(fā)生于結(jié)構(gòu)整體的預(yù)應(yīng)力損失。這一因素對(duì)預(yù)應(yīng)力的影響是雙向的,溫度升高時(shí)預(yù)應(yīng)力減��；溫度降低時(shí)預(yù)應(yīng)力則增大。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)兩個(gè)方向的影響都需考慮,既不能由于溫度改變使結(jié)構(gòu)的應(yīng)力太大,也不能使桿中的預(yù)應(yīng)力變得太小。在預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)階段和荷載作用下的分析階段都需要考慮溫度因素(作為獨(dú)立的因素):在預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)階段只需考慮溫度升高引起的預(yù)應(yīng)力損失,不考慮溫度降低引起的預(yù)應(yīng)力的增加；在荷載作用下的靜力分析階段需考慮溫度降低使預(yù)應(yīng)力增加的情況。
由于桁架只是用來抵抗水平荷載的,拉桿中的預(yù)應(yīng)力不大,拉桿的兩端伸入剪力墻中,而且預(yù)應(yīng)力張拉在一月份(最冷)進(jìn)行,所以溫度降低引起的預(yù)應(yīng)力對(duì)主體結(jié)構(gòu)影響不大；而拉桿跨度大,必須考慮溫度升高的影響,根據(jù)廣州市的氣候以及松弛、徐變等因素,取溫差為30o。
3.2.4預(yù)應(yīng)力的作用
在桁架中施加預(yù)應(yīng)力,可轉(zhuǎn)換桿的受力模式,使受壓弦桿變?yōu)槭芾?充分利用材料,減小構(gòu)件截面,避免構(gòu)件受壓失穩(wěn)。但桁架的剛度主要與桿件截面和高度有關(guān),而與拉桿中的預(yù)應(yīng)力關(guān)系不大。有限元分析也表明:拉桿中應(yīng)力對(duì)桁架的水平位移影響不大,只要保證在最不利荷載作用下,拉桿中始終保持一定的拉力即可。
所以,最終在水平桁架內(nèi)外弦桿上建立172kN的張拉力,在風(fēng)荷載和水平地震荷載作用下,計(jì)算得出的節(jié)點(diǎn)位移和桿件應(yīng)力結(jié)果如下:水平桁架的節(jié)點(diǎn)在荷載作用方向上最大位移為13mm,發(fā)生在第一榀桁架的中跨；同時(shí)桁架中桿件最大應(yīng)力為123.16MPa,小于所選用不銹鋼材(1Cr18Ni9Ti)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度值(200MPa)；在溫度荷載作用下,溫差30°將引起50MPa的壓應(yīng)力,致使桁架弦桿的拉應(yīng)力在40～60MPa之間,但都處于受拉狀態(tài),能滿足設(shè)計(jì)要求。
4測(cè)試
4.1測(cè)試目的
由于該桁架十分重要,長度很長,設(shè)計(jì)要求弦桿必須保持一定的初始應(yīng)力。施工過程中是否建立了設(shè)計(jì)要求的初始應(yīng)力、受力以后應(yīng)力變化如何、每天的溫度變化以及一年四季溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響等等必須了解,如果應(yīng)力的變化影響結(jié)構(gòu)的正常工作,需要重新調(diào)整弦桿拉力,以確保結(jié)構(gòu)安全。
4.2測(cè)試內(nèi)容
1)施工階段弦桿有效預(yù)應(yīng)力的建立；
2)弦桿的應(yīng)力變化情況。
4.3測(cè)試數(shù)據(jù)分析
預(yù)拉力值為172kN,為了得到初始值,本次測(cè)試從20%的預(yù)拉力開始測(cè),求出應(yīng)力變化值,最終算出張拉結(jié)束后桿中建立的預(yù)應(yīng)力。
根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù),共算出29個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力變化值。錨固后桿中的應(yīng)力值與理論值相比:理論值為109MPa,測(cè)試值為120～130MPa,比較吻合。
掛好幕墻后四月份測(cè)試值與錨固后應(yīng)力相比,桿中應(yīng)力變化都在60MPa以內(nèi)。即桿中預(yù)拉力的損失大約在60～80kN。這主要是由溫度變化引起的,因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力張拉是在一月份,這與有限元分析也比較吻合。
此測(cè)試結(jié)果與有限元通用處理程序計(jì)算結(jié)果相比較:在最不利荷載(風(fēng)震、地震和溫差為30°的溫度)作用下,通過計(jì)算發(fā)現(xiàn),桿中應(yīng)力大約在40～60MPa之間；錨固后桿中的應(yīng)力值除第五榀比理論值較小外,其余比較吻合。
總體上理論值與測(cè)試值比較吻合,因?yàn)闆]有考慮模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)的差異等。同時(shí)施工和測(cè)試也有很多不確定因素。特別在四月份測(cè)試時(shí)人是站在桿上測(cè)的,故有少量誤差。
5結(jié)束語
采用拉索、拉桿點(diǎn)支承玻璃幕墻能充分利用玻璃透明的特性,追求建筑物內(nèi)外空間的流通和融合,這使得幕墻后面的支承結(jié)構(gòu)系統(tǒng)“一覽無余”。在拉索、拉桿中施加預(yù)應(yīng)力能保證桿件始終處于受拉狀態(tài),有效地解決受壓桿件的失穩(wěn)問題。
該大樓的桿桁架張拉完畢已經(jīng)有4個(gè)多月,經(jīng)過測(cè)試分析,桿中預(yù)應(yīng)力的建立是成功的,與有限元分析結(jié)果吻合,實(shí)際使用滿足要求。
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