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【实例】哈尔滨国际体育会展中心预应力单层索网幕墙设计

来源:中国幕墙网收集整理  作者:赵西安 刘长龙  日期:2009-6-3
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  摘要: 介绍了哈尔滨国际体育会展中心预应力单层索网幕墙结构设计,分析了预应力单层索网这一国内首次采用的幕墙支撑结构体系,并通过试验进行了验证。
  关键词:幕墙结构  预应力单索幕墙 结构试验

  3.1.1基本风压取Wo=0.55KN/㎡,地面粗糙度类别:B类;风压高度变化系数μz取1.0;风荷载体形系数μs取1.2;风振系数βz取2.0;

  3.1.2地震设防烈度地震烈度为6度,抗震措施按7度考虑:

  3.1.3玻璃配置为钢化中空Low-E玻璃,12(FT)+12A+10(FT),自重0.6Kpa,弹性模量E=1.0×105N/mm2。

  3.1.4水平及竖向拉索采用ф22不锈钢拉索。弹性模量E=1.25×105N/mm2,破断强度为304.80KN。

  3.2索网体系空间计算
  3.2.1结构计算模型
  在索网体系计算中,选取7.5m跨进行空间有限元分析,计算模型如图8。在计算中其边界条件假定为:水平拉索与两端幕墙抗风柱、竖索与顶部片式钢桁架及底部考虑为铰接,约束三个方向线位移;幕墙抗风柱顶端铰接,约束平面外位移。水平与竖向拉索边界条件考虑足够刚性,索网不受主体结构变形的影响。索网尺寸为7500mm×12000mm。每个节点承受的荷载为:PK1=7.2KN,PK2=6.93KN,PK3=6.44KN,GK1=3.94KN,GK2=4.23KN。


  3.2.2构件截面
  幕墙抗风柱采用Q345无缝钢管。水平与竖向ф22不锈钢拉索采用1×37规格单股绳,主要杆件截面见下表1:


  3.2.3索网强度及变形分析
  为保证幕墙玻璃的安全,应控制单层索网结构体系的变形,变形过大,会对幕墙玻璃造成不利影响;反之,单层索网变形控制过严,索的拉力亦随之增大,对单层索网边界的刚度要求就越高。单层索网本身不变时,整个体系是没有刚度的,只有产生变形才有刚度,因而索网的挠度和结构刚度密切相关。随着荷载的增加,结构的位移在增加,随之结构刚度在增加。因而在相同荷载下,结构的位移增量随之减小,相应索的伸长量减小和索拉力增加的减少。为达到理想的设计效果,就要求在单层索网变形和索的拉力二者中求一个最佳的结合点。

表2 各种不同控制挠度变形下索的拉力与应力对照

  上表中,Fx、Fy为x、y向的最大支座反力,L=7500mm,计算中考虑预张力70KN。从表中我们可以看出,在索的预应力相近,Z向挠度相差不大时,因其支座反力略小宜优先采用细的拉索。根据ANSYS有限元计算结果,拉力最大值出现在节点单元号6,最大拉力105.42KN,拉应力463.6N/mm2;最小值出现在节点单元号14,最小拉力81.16KN,拉应力356.3N/ mm2。实际工程设计中,以L/50挠度限值来进行设计,索的拉应力合理取值范围界定在387~464.4Mpa。为增加单层索网结构体系安全储备,水平与竖向拉索采用ф22不锈钢绞线

  4.幕墙试验对幕墙设计的保证

  4.1预应力单层索网结构是本工程的关键性结构,加工制作要求高,单根拉索的张拉工艺施工方法较为复杂。力学性能、单索的张拉工艺、设计中计算参数的取值及节点构造措施等均有赖于试验验证。本次试验在深圳三鑫公司索结构试验中心进行,试验检测由广东省建筑幕墙质量检测中心负责。

  4.1.1试验目的
  a.采集单层索网结构在各种分级荷载作用下的各种数据,和理论计算结果比较,积累和实测设计参数,验证设计的正确性;

  b.检验单层索网的强度和变形是否满足要求:

  c.通过实验验证单导索网结构的节点构造以及施工过程中可能存在的问题。

  4.1.2测试过程与方法
  本次试验选取的平面索网长边跨度为11200mm,分布3条单索,索间距从左到右依次为3000mm、2800mm、2800mm、2400mm;短边跨度为7500mm,分布3条单索,索间距均分为1875 mm(如图9)。主索为1×37股ф22不锈钢绞线,每股直径为ф3.15mm。以沙袋重量来模拟水平风荷载由玻璃面板通过距形爪点传递来的集中力,每个节点的设计荷载为:PKA=PKB= PKC=7.20KN;PKD= PKE= PKF=6.93KN;PKG= PKH= PKI=6.44KN。


  试验过程:首先安装试验所用的吊蓝、水准仪、直尺、重物及位移计、百分表等试验工具及设备,然后对平面索网进行预张拉,预张拉力70KN,以短边跨度的两端节点为参照物记录位移初始值。分别施加0.25Pk、0.5Pk、0.75Pk、1.0Pk的设计荷载,保持10分钟左右,记录各个荷载值下的位移值。

  4.1.3测试结果
  试验中最大变形出现在B节点,最大位移140.90mm,与理论计算误差率3%;最大索拉力103.73KN,与理论计算误差率1.6%,最小拉力90.33KN,与理论计算误差率3%,实测数据比理论分析略小,但误差皆在5%内,验证了设计当中计算参数取值及理论分析是比较可靠的,能真实的反应单层索网结构实际情况,并且从另一方面说明了试验结果是可信的。

  由此我们可以得出结论:本幕墙工程采用直径为ф22的水平与竖向单层索网结构体系,在预张力为70KN时索网的强度储备和刚度均能满足设计要求,即安全系数K=2.5-3.0,挠度f≤L/50。

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