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超大跨空间的玻璃幕墙系统设计解析
浏览: 发布日期:2019-05-13

1 前 言

大跨空间的幕墙结构多见于大型博览建筑、交通、文化、体育类建筑等,也常见于一些高层建筑的入口门厅或通高中庭。幕墙大跨空间的结构体系多以钢结构为主,且常常直接暴露于人视觉范围,因此在满足结构安全的前提下,结构体系亦需满足建筑的美感。在此类建筑设计中,幕墙设计扮演着非常重要的角色。幕墙结构选型、构造设计更是重中之重!对整个建筑表皮的效果起着关键性的控制作用。本文以典型的大跨空间幕墙——“中国西部国际博览城”交通大厅18 58米玻璃幕墙系统设计为例,对此类大跨空间玻璃幕墙设计的结构选型、计算方法、设计要点、幕墙构造进行阐述,分析如何在保证结构安全的前提下,实现大跨空间玻璃幕墙的通透性。

2 工程概况

中国西部国际博览城位于成都市天府新区核心区,总建筑面积约57万平米,其中幕墙面积约19万平米,是目前我国中西部地区最大的博览建筑。交通大厅靠主广场一侧的大跨空间玻璃幕墙系统为本项目幕墙设计重难点之一,空间竖向跨度最大58米,横向主体结构柱距约18米,建筑效果要求尽量通透,为建筑内外空间的“对话”创造有利条件(图1,2)。

图1交通大厅大跨空间玻璃幕墙整体外视效果图

图2 交通大厅大跨空间玻璃幕墙竖剖效果图

3 幕墙系统解析

3.1幕墙支撑钢结构设计

幕墙结构利用主体结构“梅花柱”的侧向刚度,选择“水平钢桁架+竖向吊杆”体系。钢桁架水平跨度约18米,竖向间距6米;幕墙水平荷载由水平钢桁架承担并传递给两侧的主体结构柱(梅花柱),幕墙体系不设置竖向抗风柱;幕墙自重由前端吊杆承担,后端设置平衡吊杆(图3~7)。

图3 交通大厅大跨空间玻璃幕墙支撑结构叁维示意图1

图4 交通大厅大跨空间玻璃幕墙支撑结构叁维示意图2

图5玻璃幕墙支撑结构竖剖节点图

图6玻璃幕墙支撑结构横剖节点图

图7玻璃幕墙支撑结构与土建柱连接横剖节点图

本项目幕墙支撑钢结构设计有以下四个技术难点:

(1)由于主体屋顶钢网架在此部位悬挑较大,钢网架在屋面荷载作用下会产生上、下摆动位移,给竖向拉杆造成不利影响(甚至被拉断),常规幕墙构造无法适应屋面的震颤效应。因此需要在屋面网架与竖向拉杆的连接处设置弹簧(图8),以缓冲和补偿竖向拉杆的内力,保证幕墙结构体系的安全。

(2)弹簧固定于屋面网架内。由于屋面网架为弱边界,受载后会产生一定的竖向位移,因此弹簧的根端应再次设置弹簧支座模拟屋面网架的刚度。2组弹簧串联进行两次迭代,给计算分析工作带来不小的挑战。

(3)水平桁架侧向刚度较弱,前后端拉杆应根据计算需要,设置一定的预张力,以保证结构体系的稳定。拉杆预张力和弹簧刚度应进行反复试算,保证在各种工况下,拉杆不应受压失稳。

(4)由于预应力拉杆的边界相对较弱,在施工过程中有预应力损失,因此应进行施工过程模拟分析。

图8玻璃幕墙支撑结构顶部弹簧构造节点图

3.2幕墙构造节点设计

玻璃面板采用超白中空钢化夹胶叁银LOW-E玻璃,面板分格1.8(宽) 3米(高),板块采用竖向T形铝合金立柱、无横梁的固定方式;水平荷载由竖向T形铝合金立柱承担,玻璃面板的自重荷载由设置在T形立柱位置的高强度铝合金托板承担。玻璃面板横向无龙骨,为避免全隐框构造仅依靠硅酮结构胶受力问题,本项目在玻璃“十字缝”位置设置85 85mm的不锈钢夹板作为二次安全富余度考虑,充分保证了幕墙体系的安全性及通透性(图9~11)。

图9玻璃幕墙典型大样图

图10玻璃幕墙标准横剖节点图

图11玻璃幕墙标准竖剖节点图

4 幕墙荷载计算及组合

幕墙主要考虑以下荷载工况及组合:

4.1 恒载

恒荷载包括幕墙结构体系及玻璃及其附属构件等的自重,玻璃采用10+12A+(8+1.52PVB+8mm)中空夹胶钢化玻璃。由于玻璃自重构成的面荷载标准值约为0.67kN/m2,考虑到其它附属构件,取玻璃幕墙自重面荷载标准值取0.847kN/m2(钢结构自重由软件自动加载)。

4.2 风荷载

风荷载标准值Wk= 该结构所处地区地面粗糙度类别为B类,基本风压W0=0.3kN/m2,阵风系数、风荷载局部体型系数、风压高度变化系数按照《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)取值。

4.3 温度作用

温度作用分别按照升温30℃、降温30℃考虑(注:拉索张拉时环境温度按15度考虑)。

4.4 地震作用

所处地区抗震设防烈度7度,设计基本加速度取0.10g,设计地震分组为第叁组。依据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)计算,考虑水平地震荷载作用,水平地震为非控制可变荷载。

4.5 荷载组合

a 承载能力极限状态

工况1:1.2×预+1.35×恒+1.4×0.6×风(+)+1.4×0.6×温(-)+1.3×0.5×地震(+);

工况2:1.2×预+1.35×恒+1.4×0.6×风(-)+1.4×0.6×温(-)+1.3×0.5×地震(-);

工况3:1.2×预+1.2×恒+1.4×风(+)+1.4×0.6×温(-)+1.3×0.5×地震(+);

工况4:1.2×预+1.2×恒+1.4×风(-)+1.4×0.6×温(-)+1.3×0.5×地震(-);

工况5:1.2×预+1.2×恒+1.4×温(-)+1.4×0.6×风(+)+1.3×0.5×地震(+);

工况6:1.2×预+1.2×恒+1.4×温(-)+1.4×0.6×风(-)+1.3×0.5×地震(-);

工况7:1.2 预+1.2 恒+1.4 风(+)+1.4* 0.6 温(+)+1.3* 0.5 地震(+);

工况8:1.2 预+1.2 恒+1.4 风(-)+1.4* 0.6 温(+)+1.3* 0.5 地震(-);

工况9:1.2 预+1.2 恒+1.4 温(+)+1.4* 0.6 风(+)+1.3* 0.5 地震(+);

工况10:1.2 预+1.2 恒+1.4 温(+)+1.4* 0.6 风(-)+1.3* 0.5 地震(-)

b正常使用极限状态

位移工况1:1.0×预+1.0×恒;

位移工况2:1.0×预+1.0×恒+1.0×风(+)+0.6×温(+)+0.5×地震(+);

位移工况3:1.0×预+1.0×恒+1.0×风(-)+0.6×温(+)+0.5×地震(-);

位移工况4:1.0×预+1.0×恒+1.0×温(+)+0.6×风(+)+0.5×地震(+);

位移工况5:1.0×预+1.0×恒+1.0×温(+)+0.6×风(-)+0.5×地震(-);

(注:预指预应力,恒为恒载,风(+)指正风压所产生的风荷载作用,温(-)指降温对结构的作用,其余类推)。

此外,在预应力作用下,分别建立了恒载、正风压、负风压、升温及降温等独立的荷载工况(均为荷载标准值);并分别考虑了承载能力极限状态下各种荷载组合的包络组合,以及正常使用极限状态下各种荷载组合的包络组合。任何工况组合下,均不得使预应力拉杆的内力为零或者受压而煺出工作,进而使水平钢桁架失稳。另外,竖向拉杆的顶端支座应充分考虑对屋顶钢结构变形位移的模拟。

5 结构计算分析

5.1 结构承载力验算

经计算分析,钢结构应力计算结果详见图12,13。

图12水平钢桁架应力云图

图13水平钢桁架承载力计算结果汇总

不锈钢吊杆最小轴力计算结果详见图14~17。

图14Φ36承重吊杆(高区)最小轴力图

图15Φ30承重吊杆(低区)最小轴力图

图16Φ27平衡吊杆最小轴力图

图17吊杆最小轴力值汇总

不锈钢吊杆最大轴力计算结果详见图18~21。

图18Φ36承重吊杆(高区)最大轴力图

图19Φ30承重吊杆(低区)最大轴力图

图20Φ27平衡吊杆最大轴力图

图21吊杆最大轴力值汇总

不锈钢吊杆施工模拟分析,计算结果详见图22~25。

图22Φ36承重吊杆张拉完成后的轴力图

图23Φ30承重吊杆张拉完成后的轴力图

图24Φ27平衡吊杆张拉完成后的轴力图

图25吊杆张拉完成后轴力值汇总

5.2 结构刚度验算

经计算分析,钢结构位移计算结果详见图26,27。

图26钢结构位移图

图27 钢结构位移结果汇总

6 项目竣工实景展示

图28 玻璃幕墙实景1

图29 玻璃幕墙实景2

图30 玻璃幕墙实景3

图31 玻璃幕墙实景4

图32 玻璃幕墙实景5

图33 玻璃幕墙实景6

7 结语

中国西部国际博览城大跨空间玻璃幕墙工程,充分实现了大跨空间幕墙的通透性,项目于2016年7月投入使用,达到了预期的建筑效果。对于此类幕墙工程的钢结构设计、幕墙构造设计均应立足项目本身,综合考虑建筑效果、主体结构条件、工程造价、社会影响力等因素,确定幕墙结构形式和构造。同时,幕墙设计工作尽早介入,加强和建筑、结构等专业的协作。幕墙表皮是实现“建筑之美”的关键要素,各设计专业应团队协作、合理分析,坚持大胆创新与扎实工作相结合的工作态度,是实现精品幕墙工程设计的关键。本工程大跨空间玻璃幕墙的成功实现,正是这种设计方法与工作态度的体现。

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