玻璃采光頂及幕墻張弦結構整體設計與分析

徐 皓， 張 倩， 高 璞， 高瑞琪， 田卜元

（中國建筑第六工程局有限公司，天津300451）

張弦結構是將張拉整體的概念引入傳統結構而形成的一種結構形式，能夠很好地解決傳統結構在穩定性、支座反力等方面的問題[1～2]，在很大程度上提高結構剛度并能通過調整拉索中的預應力來減小支座的水平推力，使之成為自平衡體系。基于眾多優勢，越來越多的大跨度結構或者對建筑外觀有要求的輕型屋蓋采用了張弦結構[3～4]。

1 工程概況

某建筑為加強采光，同時使用玻璃采光頂和玻璃幕墻并將采光頂與幕墻連成整體。見圖1。

圖1 建筑效果

采光頂為張弦梁結構，平面尺寸為45.9 m×57.6 m；玻璃幕墻為張弦桁架結構，立面尺寸為45.9 m×60 m。見圖2。

圖2 采光頂與幕墻整體

1.1 荷載條件

包括恒荷載、活荷載、風荷載、雪荷載和溫度效應[5]。

1.1.1 恒荷載

1）采光頂和幕墻鋼結構的自重。

2）玻璃窗的自重。采用整體式天窗，玻璃、窗框、配件等全部在工廠組裝，窗扇尺寸為2.4 m×1 m，整體式固定窗質量為120 kg，可開啟窗質量為150 kg，固定窗和可開啟窗交替布置。經換算，玻璃窗傳遞到采光頂張弦梁上的荷載為1.3 kN/m，傳遞到幕墻吊桿立柱上的荷載為0.75 kN/m。

3）屋面排水溝、防水、保溫、裝飾等的自重作用于采光頂張弦梁上，取0.4 kN/m。見圖3。

圖3 采光頂建筑做法

1.1.2 活荷載

不上人屋面，取0.5 kN/m2，作用于整個采光頂。

1.1.3 風荷載

考慮采光頂承受-1.2 kN/m2（風吸），分別考慮幕墻承受1 kN/m2（風壓）或-0.6 kN/m2（風吸）。

1.1.4 雪荷載

基本雪壓取0.4 kN/m2，作用于采光頂，模擬雪的不均勻堆積和不均勻除雪，考慮滿跨和各種半跨分布。

1.1.5 溫度效應

設計溫度為20 ℃，溫差為±30 ℃。

1.2 結構布置

1.2.1 采光頂張弦梁結構布置

由17 道張弦梁及縱向次梁構成采光頂的承重體系。除拉索外，均采用Q355B鋼材。見圖4。

主梁采用箱形截面□500 mm×524 mm×16 mm×16 mm；撐桿采用φ152 mm×14 mm鋼管；拉索采用2×φ42 mm高釩索，極限抗拉強度1 670 MPa；縱向次梁□120 mm×80 mm×6 mm；交叉拉桿采用φ35 mm實心鋼拉桿。

采光頂三邊支承，另一側與幕墻連接。其中張弦梁一端設置固定鉸支座，另一端設置活動鉸支座。

1.2.2 玻璃幕墻張弦桁架結構布置

采用3 道張弦桁架、9 道水平索以及吊桿立柱構成幕墻的承重體系。其中，最上面的張弦桁架連接采光頂和幕墻，起過渡作用。除拉索外，均采用Q355B鋼材。見圖5。

圖5 張弦桁架

桁架外側上弦桿采用箱形截面□500 mm×400 mm×30 mm×40 mm；內側上弦桿500 mm×400 mm×20 mm×25 mm；上弦層大橫桿□350 mm×150 mm×20 mm×20 mm，小橫桿□100 mm×80 mm×8 mm，交叉拉桿φ55 mm；桁架撐桿采用φ133 mm×14 mm 鋼管；拉索采用2×φ90 mm高釩索，極限抗拉強度為1 670 MPa；幕墻吊桿立柱□400 mm×80 mm×16 mm×30 mm，水平索采用2×φ20 mm高釩索。

張弦桁架一端設置固定鉸支座，另一端設置活動鉸支座。幕墻吊桿立柱與張弦桁架外側上弦桿相連，水平索穿過幕墻吊桿立柱并固定在兩側既有結構上。見圖6。

圖6 玻璃幕墻結構布置

2 預應力設計及優化

張弦結構中，預應力的主要作用是抵消荷載產生的部分彎矩，減小結構的撓度變形。拉索預應力值的大小對張弦結構的工作形態和用鋼量都有重要影響[6]。預應力過大，會對結構本身產生額外的壓力而起拱，從而增加用鋼量；預應力過小，則拉索的功能得不到充分發揮且在風荷載的吸力作用下拉索有可能出現松弛。

通常情況下，預應力設計應該滿足以下3個條件[7]：

1）盡量使結構在自重和恒荷載作用下的撓度接近零；

2）在結構正常使用過程中，拉索在任何工況下均不會松弛；

3）在滿足前兩個條件的前提下，使結構應力水平最低。

拉索的最佳預應力計算過程較為復雜，一般在設計中采用式（1）進行計算[8]

式中：F——拉索預應力；

q0——結構自重和恒荷載；

l——跨度；

f1——上弦拱的矢高；

f2——下弦索的中央矢高。

經過簡化計算和反復試算，確定張弦梁內的拉索預應力為475 kN，張弦桁架的拉索預應力為4 120 kN，水平索的預應力為230 kN。

此時，僅在恒載和預應力作用下，采光頂和幕墻整體結構的z向位移為11.7 mm（↑）和-13.7 mm（↓），其中采光頂部分的位移為2.8 mm（↑）和-3.4 mm（↓）。見圖7和圖8。

圖7 整體位移（僅恒載和預應力）

圖8 采光頂位移（僅恒載和預應力）

3 結構整體靜力分析

考慮由恒荷載、活荷載、風荷載、雪荷載、溫度效應、拉索預應力組合而成的荷載基本組合和標準組合[5]。

經分析，采光頂和玻璃幕墻整體結構中，除拉索外，鋼結構最大應力為284.4 MPa，小于Q355B鋼材的強度設計值295 MPa；最大應力僅出現在張弦桁架拉索端部節點附近，其余部位的平均應力水平不高。見圖9。

圖9 整體應力（除拉索外）

拉索最大應力為505.1 MPa，遠小于高釩索的極限抗拉強度1 670 MPa且拉索在任何荷載組合下未出現松弛。見圖10。

圖10 拉索應力

采光頂和幕墻整體結構最大位移為83.6 mm；其中，采光頂部分的z向位移為83.3 mm（↑）和-33.9 mm（↓），撓度＜L/250=198 mm[9]；玻璃幕墻部分的面外水平位移為80.3 mm（向內），變形＜L/250=198 mm[10]，滿足設計要求。見圖11-圖14。

圖11 整體位移

圖12 采光頂z向位移（↑）

圖13 采光頂z向位移（↓）

圖14 幕墻位移

對于張弦桁架，由于玻璃幕墻及吊桿立柱是安裝在張弦桁架外側上弦桿件上的，內外兩側上弦桿受力不一致，因此，張弦桁架在受彎的同時，還發生一定的扭轉。

4 關鍵節點設計

張弦結構的關鍵節點包括拉索端部節點、支座節點、撐桿上節點、撐桿下節點等；不論是張弦梁還是張弦桁架結構，都需要對其關鍵節點進行設計。

鑒于目前國內外對撐桿上下節點和支座節點的研究都比較成熟且其構造相對簡單，本文不再贅述。

由于本工程中張弦梁和張弦桁架的拉索預應力較大，同時張弦桁架的拉索端部節點附近受力較為復雜、應力較大；因此應針對拉索端部節點進行加強設計。見圖15和圖16。

圖15 張弦梁拉索端部節點

圖16 張弦桁架拉索端部節點

5 結論

1）本文針對某建筑的采光頂和玻璃幕墻進行了整體設計和分析，對張弦梁和張弦桁架的拉索預應力進行了設計和優化并對關鍵節點進行了加強設計。分析結果表明：整體結構強度及位移均滿足設計要求，結構體系合理、具有良好的力學性能。

2）張弦結構中的拉索預應力能夠在很大程度上提高結構的剛度，較好地減小荷載產生的變形。通過拉索預應力設計和優化，結構僅在恒載和預應力作用下的撓度較小，此時拉索預應力產生的彎矩能夠基本抵消恒載產生的彎矩，上弦梁或上弦桁架以承受軸力為主。

3）由于本工程的玻璃幕墻及吊桿立柱是安裝在張弦桁架外側上弦桿件上的，內外兩側上弦桿受力不一致，因此，張弦桁架在受彎的同時，還發生一定的扭轉。這點需要在類似結構設計和施工時引起注意。

4）拉索預應力能減小結構對支座的水平推力，使之成為自平衡體系，從而降低基礎的負荷。

5）當結構受到風吸、負溫差等可能使拉索松弛的作用時，應對拉索預應力進行優化和驗算；保證結構正常使用過程中，拉索在任何工況下均不會松弛。□■