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【摘 要】当前，幕墙结构在建筑工程中得到广泛的应用，其结构的设计计算关系到幕墙结构设计的合理性，并与幕墙结构的安全稳定息息相关。本文结合工程实例，分析了工程幕墙结构的选型，并利用相关软件，对幕墙结构的设计进行了计算，为类似工程设计提供参考借鉴。
【关键词】综合体项目；幕墙结构；设计计算
0 引言
随着我国城市建设的快速发展以及建筑行业的不断进步，城市综合体项目在城市建设中的应用越来越广泛，幕墙结构在综合体项目施工中也得到了广泛的应用。当前，玻璃幕墙作为一种新型建筑外围结构，具有节能环保、外观美观且防雨水防风性能良好等优点，得到了大量的使用。但是，幕墙工程投入使用后，时有玻璃坠落、横梁扭转等安全事故的发生。对此，对幕墙结构设计进行合理的计算，为幕墙结构设计提供可靠的数据依据具有十分重要的意义。
1 工程概况
某综合体项目由A，B两个塔楼组成，主体结构为钢筋混凝土框架-剪力墙结构，墙、柱混凝土强度等级为C40～C55，梁、板混凝土强度等级为C30，主要钢筋采用HRB400级，板筋采用HRB335级。在14～15层标高范围内设置矩形钢桁架将塔楼A，B连接。在立面上的钢桁架和两个塔楼围成的区域内设置单层索网点支承玻璃幕墙，共包括D轴、G轴两片幕墙，其中D轴索网幕墙的轴线间尺寸为40m×42m(高×宽)，G轴索网幕墙的轴线间尺寸为44m×42m(高×宽)，如图1，2所示。
2 结构选型
玻璃幕墙结构形式主要分为构件式玻璃幕墙、点支承玻璃幕墙、全玻璃幕墙和单元式玻璃幕墙等。为满足建筑造型、通透性以及安全环保的要求，采用点支承玻璃幕墙，即单层索网点支承玻璃幕墙，该玻璃幕墙的横向和竖直两个方向的单根不锈钢拉索为正交连接的网状布置形式，立面分格主要是幕墙横向拉索为主抗风索，其两端固定在塔楼A，B的型钢混凝土柱上，柱截面尺寸2.2m×3m；竖向拉索为承重索及次抗风索，其两端分别固定在上部钢桁架和下部框架梁上。玻璃选用12+1.52PVB+12，12+1.52PVB+10两种夹胶中空钢化玻璃，玻璃主要分格尺寸为1.4m×2m。拉索性能参数如表1所示。
3 幕墙结构设计计算
3.1 计算模型
采用MIDAS/Gen软件对结构进行计算。由于幕墙跨度大，单根拉索内力较大，需考虑主体结构变形对幕墙结构体系受力和变形的影响。因此，建立了主体结构与幕墙结构体系的整体模型来消除上述影响，整体结构计算模型如图3所示。
单层索网结构不具有平面外刚度，当其产生平面外变形时，通过拉索的轴向伸长来抵抗平面外荷载作用，在平面外荷载作用下结构表现出很强的几何非线性，在计算中应予以考虑。
3.2 荷载作用及组合
根据《玻璃幕墙工程技术规范》(JGJ102—2003)和《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)的相关规定，作用在幕墙结构上的荷载及其标准值如下:
(1)恒荷载包括玻璃面板自重及其他附件重量，取0.58kN/m2。
(2)风荷载取100年重现期基本风压0.85kN/m2，地面粗糙度为C类，风荷载体型系数根据风洞试验报告确定，风压高度变化系数按实际情况确定，计算得D轴为2.29kN/m2，G轴为-2.6kN/m2。
(3)温度变化为±30℃。
(4)抗震设防烈度为7度(0.10g)，地震分组为第二组，水平地震影响系数为0.08，动力放大系数为5，计算出水平地震作用标准值为0.232kN/m2。
设计时共考虑了以下组合:1)1.35恒荷载；2)1.2恒荷载+1.4风荷载；3)1.2恒荷载+1.4风荷载±0.84温度作用；4)1.2恒荷载+1.4风荷载+0.65水平地震作用；5)1.2恒荷载+1.4风荷载+0.65水平地震作用±0.84温度作用；6)1.0恒荷载+1.0风荷载；7)1.0恒荷载+1.0风荷载±0.6温度作用。
3.3 拉索截面和预应力值确定
设计时结构的变形和内力的控制原则为:在荷载标准组合作用下结构挠跨比小于1/50(短跨方向)；在荷载设计组合作用下拉索的内力小于其破断荷载的0.4倍，即强度安全系数大于2.5。
在进行拉索截面面积和预应力值选取前，先分析不同拉索截面面积和预应力值对结构变形性能的影响。固定拉索的截面面积，在不同预应力状态下，索网结构在组合工况4)下的水平位移-横索预应力曲线(D轴幕墙)如图4所示；固定拉索预应力值，在不同索截面面积的状态下，索网结构的横索在组合工况4)下的水平位移-横索直径曲线(D轴幕墙)如图5所示。
从图4，5的数据可以看出:增大拉索中的预应力和拉索截面面积均可减小索网结构的最大水平位移，即增大结构的初始刚度。
对索网施加预应力使结构具有足够的初始刚度，能够保证幕墙在自重、风荷载和地震荷载、温度荷载等作用下不发生较大的变形；但应避免索网在各种荷载组合下的内力过大而超过容许值，如果拉索内力过大，也可能造成与之相连的锚固端节点或主体结构的破坏，直接影响结构的安全性。而拉索截面面积的大小直接影响结构的通透性和经济性，并且拉索截面面积越大，对拉索的加工工艺和制作周期以及后续的施工工艺的要求就越高。
综合考虑以上各因素，通过反复的计算对比，最终拉索索体截面:横索为φ70，竖索为φ48；拉索预应力值:横索约为650kN，竖索约为200kN。
3.4 节点设计
与拉索相关的节点主要包括:1)拉索端部耳板；2)索网中间节点。
为满足受力和构造要求，拉索与主体结构或上部钢桁架用耳板进行连接。采用等强设计原则，耳板尺寸应满足强度的要求，即耳板抗拉、抗剪及局部承压强度满足规范要求；同时由于拉索端部索头尺寸已确定，耳板尺寸还应满足构造要求，保证拉索的安装和张拉。拉索端部，耳板形式如图6所示，在其底部开45°坡口便于焊接。
4 整体模型有限元分析
采用MIDAS/Gen软件，按照以上各节确定的幕墙设计参数值建立整体模型，采用施加初拉力的方式对拉索施加预应力，以D轴幕墙计算结果为例进行说明。
4.1 结构变形
幕墙结构在组合工况6)作用下的水平位移，跨中最大位移为735mm，跨度为38445mm，挠跨比为1/52.3≤1/50，结构变形满足规范要求。
整体结构在组合工况6)作用下竖直平面内的位移。其中，钢桁架跨中最大挠度为21.9mm，挠跨比为1/1750，满足规范要求；主体结构最大侧向位移为11.9mm，变形较小，满足规范要求，故主体结构的强度和刚度满足规范要求，结构是安全的。
4.2 结构内力
横索最大内力约为1073kN，表1中拉索最小破断拉力为3230.7kN，安全系数为3230.7/1073=3.0＞2.5；竖索最大内力约为459kN，拉索的最小破断拉力为1539.2kN，安全系数为1539.2/459=3.4＞2.5；横索和竖索强度均满足规范要求。钢结构最大拉应力约为116MPa，最大压应力为150MPa，应力较小，满足规范要求。
4.3 自振模态
根据结构三维模型的反应谱分析得出:结构第1阶振型即主振型模态为X方向水平振动，无扭转；第2阶振型模态为Y方向水平振动，无扭转。结构前两阶振型为水平振型，无扭转，说明结构的刚度分布均匀，没有出现明显的刚度较弱的部位，结构在地震作用下的整体稳定性较好。当主体结构塔楼A，B同时向外对称振动时，即发生第8阶振型的振动变形趋势时，水平横向拉索的内力增加幅度较大，对横向拉索本身和其两端连接节点的强度提出了更高的要求，故在设计中选用了直径φ70不锈钢拉索，拉索两端连接节点采用了等强设计的原则，避免了在地震作用下拉索和连接节点首先发生破坏而导致幕墙结构的整体破坏。同时，考虑了不锈钢拉索弹性模量相对较小、变形大的特点，增加了幕墙结构在地震作用下的变形性能和安全可靠性。
5 拉索预应力施工规定
拉索预应力施工是整个幕墙结构施工的关键环节，与设计是紧密联系的，施工时应注意以几点:
(1)拉索端部耳板定位时，应根据结构标高、纵横轴向轴线、平面位置等进行放线定位，形成三维立体控制网，以满足拉索定位、不锈钢驳接爪件定位的要求，保证后续玻璃的正常安装。
(2)本工程所用拉索长度长，拉索截面面积和密度大，单根拉索的重量较大，需制定相应的安装和张拉施工工艺，保证施工质量和安全。
(3)施工张拉全部预应力分三个循环:第一次张拉到设计值的50%，第二次张拉到设计值的75%，第三次张拉到设计值的100%，考虑到施工和使用阶段各种预应力损失，应进行5%超张拉。
(4)索网幕墙结构共包括D轴、G轴两片幕墙，拉索预应力施工应保证两片幕墙同步对称张拉，同时对于单片幕墙也应遵循同步对称张拉的原则。
(5)设计基准温度为20℃，实际施工时环境温差大于±5℃时，应根据实际温度对索力进行修正，具体修正公式为F=α(T2-T1)EA，其中α，E，A分别为索体线膨胀系数、弹性模量和截面面积；T1，T2分别为设计基准温度和施工环境温度。
(6)施工时对拉索内力和主体结构变形进行实时监控，如发现异常，应立即停止张拉，同时报设计单位，找出原因并采取有效措施后，再重新进行预应力张拉。
(7)工程竣工后应定期进行索力监测，如有必要需进行二次补张拉，以保证结构在使用过程中的安全可靠性。
6 结语
综上所述，幕墙结构以其众多优点在城市综合体项目施工中得到广泛的应用，其结构设计的计算关系到幕墙结构的安全稳定，并与综合体项目的使用性能和安全息息相关。因此，在综合体项目幕墙结构施工设计中，设计人员认真要对幕墙工程中所用到各种大小构件进行安全强度计算，为幕墙结构的设计提供准确、可靠的数据，确保综合体项目幕墙结构的安全、稳定。
参考文献：
[1]杨印南.单元式幕墙结构计算中应注意的几个问题[J].中华民居(下旬刊).2014(01)
[2]王敬丽,李宁.玻璃幕墙风荷载设计研究[J].四川建筑.2014(02)
论文作者:王鹏
论文发表刊物:《低碳地产》2016年8月第15期
论文发表时间:2016/11/8
标签：结构论文; 幕墙论文; 荷载论文; 拉索论文; 预应力论文; 截面论文; 组合论文; 《低碳地产》2016年8月第15期论文;