单索结构玻璃幕墙的安全保障系统解析

　　1、引言

　　我国的建筑幕墙已经走过了30年的光景，并在近20余年逐步发扬光大。在幕墙行业逐步发展过程中，各种生产安装规范也陆续出台，加上技术的不断完善，在一定程度上保障了建筑幕墙的安全性、可靠性，也推动了建筑幕墙行业的发展。然而，由于设计单位和幕墙企业的技术能力上的差异，使得在对各类幕墙在设计和施工不可避免的会在对技术层面上出现认识上的差异。特别是对于在幕墙技术含量较高的索结构玻璃幕墙的生产技术上，还存在不少认识上的差异和经验不足的情况，需要强调技术重点，以确保工程项目的安全使用。

　　本文是以实际工程项目为例，结合单索结构点支式玻璃幕墙特点、形式，从结构的工作原理到节点设计思路和工艺技巧，对单索结构玻璃幕墙的抗风、抗震、温度变形等各项物理性能的实现和安全保障作深入介绍。

　　同时还将国家发明专利技术“索结构幕墙安全保护装置”的工作原理和使用方法进行讲解和介绍。

　　2、单层索网结构点支式玻璃幕墙

　　单索结构玻璃幕墙在我国已有十五、六年的历史，比如“哈尔滨国际会议中心”就是建成于2002年9月，是我国第一个平面单层索网玻璃幕墙。其单索网玻璃幕墙高13米，总长540米，采用矩形夹板式支承装置，钢索采用ф22mm不锈钢绞线。其结构是由多个单索网结构单元组成的玻璃幕墙。

　　在此之后有诸多的建筑外围护结构采用了单索结构玻璃幕墙。最有代表性之一的“北京新保利大楼”东北立面玻璃幕墙，其索网结构是由两根斜拉主索组合成三个相互联动并拼折的柔索网面, 洞口宽58m高87m，玻璃基本分格为:1300mm×1300mm。经过对一些项目的质量回访和各方面的了解得知，诸多的单索结构玻璃幕墙使用到今天，其工作状态良好，索体的内应力变化和面板玻璃的稳定性都能在可控范围内。但是，也有个别项目已经出现了这样或那样的问题。由于个别问题的产生，对有些功能性的问题和安全性的问题也越发广泛的引起了人们的注意，这就要求我们进一步对单索结构玻璃幕墙的安全可靠性的研究就显得十分重要。

　　2.1.单层索网结构幕墙的概念与工作原理

　　单层索网结构玻璃幕墙是索结构点支式玻璃幕墙中的一种类型，其幕墙玻璃面板的支承体系为单层平面索网结构，它可以是一个单索网结构单元组成的，也可以由多个单索网结构组成的玻璃幕墙,(如图2.1.1)大大节省了支撑结构所用的空间，进一步提高了玻璃幕墙的通透性，对于玻璃幕墙支撑结构来说，是一种全新的受力体系。

　　分析单索支撑结构的工作原理也就是要了解单索网平面抵抗风荷载作用时的工作状态，了解单索网结构作为玻璃幕墙的支撑结构使索网的变形与预应力的关系。索内应力的大小索网平面在抵抗风荷载时各节点的适应能力。

　　在玻璃幕墙平面受外部荷载后，通过玻璃的连接机构将外部荷载转化成节点荷载P，节点荷载P作用在索网结构上，只要在索网中有足够的预应力N0和挠度F，就可以满足力学的平衡条件。当P为某一确定值时，挠度F和预应力N0成反比。即预应力N0值越大，挠度F就越小。F=P/N0。因此挠度F和预应力N0是单层平面索网的两个关键参数，必须经过试验和计算分析后才能确定。

　　在工作原理示意图上还可以看出，当外部水平荷载P为正值和负值时都是由同一根钢索来抵抗，其工作效率是双层索系的一倍。近年来，在单层索网体系玻璃幕墙的实际应用中，按其工作原理出现了单层平面索网玻璃幕墙、单层曲面索网(鞍型)结构玻璃幕墙、单向单索结构平面玻璃幕墙、单向单索结构曲面玻璃幕墙、隐形单向单索结构玻璃幕墙，这些幕墙形式的出现，大大丰富了建筑造型的手段。(如图2.1.2)

　　2.2、单层索网结构点支式玻璃幕墙实际工程案例

　　1、北京市联想融科资讯中心单向单索玻璃幕墙，是在两幢主楼之间用用悬索结构垂吊的连廊大厅跨度63米，立面采用单向单索结构的点式玻璃幕，单向单索最大受力跨度7m-12m.屋面及墙体由全透明的玻璃组成，通过4根悬索、2根缆风索、31榀联梁和62根垂直单向索及弹簧装置构成全柔性维护结构。(如图2.2-1)

　　2、首都图书馆二期单索网结构玻璃幕墙工程是在东、南两栋楼的立面转角处设置了一片单层索网结构点支式玻璃幕墙，使其形成一个大的共享空间。由于边缘支承条件约束玻璃幕墙采用了竖向为主要受力方向，所以立面采用了双根竖向索、单根水平索形成的索网系统作为玻璃幕墙的支承体系。(如图2.2-2)

　　3、北京中青旅大厦单层索网玻璃幕墙工程是在建筑的东、西两个立面上设计了宽20m×高75m的单层索网结构点支式玻璃幕墙;幕墙立面被水平支撑钢梁分成20mx14.4m的受力单元，每个立面由五个单层索网结构受力单元组成。(如图2.2-3)

　　5、北京万通中心裙楼隐形单向单索结构点支式玻璃幕墙的结构形式采用了隐形布置的索结构，所谓隐形就是将作为支承结构的竖向单索隐藏在两片中空玻璃之间的缝隙中，在玻璃幕墙的室内、外都看不见结构，其支承结构在受到外部荷载作用时能够有效的工作。该工程单索结构的受力跨度在8m至13m之间。(如图2.2-4)

　　2.3、 在索结构支承玻璃幕墙设计中的相关术语

　　索结构支承点支式玻璃幕墙在当今已经有了较广泛的应用，但由于相关的规范和标准还没有更多的涉及到该幕墙的名称和相关技术术语，所以在市场上出现了在行业内叫法不规范不统一的现象。下面对索结构支承点支式玻璃幕墙及索结构中的相关术语作一介绍。

　　索结构玻璃幕墙：索结构玻璃幕墙是指用索结构作为玻璃幕墙的支承体系的玻璃幕墙。由于玻璃面板一般都采用了点支承的支承方式，所以按幕墙分类的原则，应该叫“索结构支承点支式玻璃幕墙”。

　　拉索(tension cable)：具有一定预应力的受拉构件，由索体、锚具和防护层组成。

　　索体(cable body)：拉索受力的主要部分，可为钢丝束、钢丝绳、钢绞线或钢拉杆。

　　索结构(cable structure)：由拉索作为主要承重构件而形成的预应力结构体系。

　　悬索结构(cable-suspended structure)：由一系列作为主要承重构件的悬挂拉索按一定规律布置而组成的结构体系，包括单层索系(单索、索网)、双层索系及横向加劲索系。

　　张弦结构(structure with tension chord)：由上弦刚性杆件与下弦拉索以及上下弦之间撑杆组成的结构体系。

　　索穹顶(cable dome)：支承在圆形、椭圆形或多边形刚性周边构件上，由脊索、环索、撑杆及斜索组成的结构体系。

　　索桁架(cable truss)：由在同一竖向平面内布置的承重索、稳定索(或前受力索、后受力索)以及两索之间的撑杆组成的结构体系。

　　柔性索(flexible cable)：按受力要求仅承受拉力的构件，如钢丝束、钢丝绳、钢绞线及钢拉杆。

　　劲性索(rigid cable)：按受力要求，可承受拉力和部分弯矩的构件，如型钢。

　　初始几何状态(initial geometrical state)：单索悬挂后，在自重作用下的自然形态。

　　初始预应力状态(initial prestress state)：索结构在预应力施加完毕后的自平衡状态，是进行结构荷载分析的基础。

　　荷载状态(loading state)：索结构在外部荷载作用下的平衡状态。

　　不锈钢绞线(stainless steel strand)：由一定数量，一层或多层的圆形不锈钢丝螺旋绞合而成的钢丝束。

　　节径比(lay ratio)：绞线中单线的捻距与该层的外径之比。

　　捻距(lay length)：绞线中的一根不锈钢丝形成一个完整的螺旋的轴向距离。

　　压管接头(the swaged fitting)：金属套管与嵌入其内的钢绞线或钢丝绳经冷挤压成型的接头。

　　接头最小破坏拉力：使接头处的金属压管锚具产生断裂、裂纹;接头处的钢索破断或钢索与金属压管锚具产生滑移失效的最小拉力，称之为接头最小破坏拉力。

　　3、索结构玻璃幕墙的设计

　　3.1、在索结构设计时要考虑的问题：

　　索结构设计应采用极限状态设计方法，以分项系数设计表达式进行计算。荷载及荷载效应组合应按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009进行计算。

　　索结构的计算应包括初始预应力状态的确定及荷载状态的计算，索结构的初始预应力状态确定和荷载状态分析应考虑几何非线性影响，不考虑材料非线性。

　　索结构的荷载状态计算应在初始预应力状态的基础上考虑永久荷载与活荷载、雪荷载、风荷载的组合;并应根据具体情况，考虑施工安装荷载、地震和温度变化等作用。

　　索结构计算时，应考虑索边缘支承结构的相互影响，有条件时宜采用包含边缘结构的整体模型进行分析。

　　索结构设计时，在永久荷载控制的荷载组合作用下，应避免索退出工作;在可变荷载控制的荷载组合作用下，应防止因索松弛而导致结构失效。索截面根据承载力按下式验算：

　　索结构玻璃幕墙中的索按受力要求可选用仅承受拉力的柔性索和可承受拉力和部分弯矩的劲性索，柔性索可采用钢丝束、钢绞线或钢拉杆，劲性索可采用型钢。为保证索结构的整体刚度可采用在索中建立预应力的措施：

　　用以支承玻璃幕墙的索结构其索结构形状的布置和索系的确定，可以根据具体工程项目确定，应考虑到边缘结构的承受力和稳定性。

　　索桁架的矢高与跨度之比：在双层索系索结构点支式玻璃幕墙索桁架中受力索主要是承受风荷载，抵抗正负风压及水平地震荷载作用下，其布置形式、体型尺寸，索桁架的矢高与跨度比的大小，预应力施加的大小都直接影响索桁架的刚度和幕墙的性能，索桁架的矢高与跨度比是双层索系工作性能的重要几何参数，根据索布置的不同形式一般对于玻璃幕墙，索桁架矢高可取跨度的1/10~1/20。

　　3.1.1索内预应力值确定时需要考虑的因素

　　自初始预应力状态之后的最大挠度与跨度之比：

　　双层索系玻璃幕墙及曲面(鞍形)单层索网自初始预应力状态之后的最大挠度与跨度之比不宜大于1/200。单层平面索网玻璃幕墙的最大挠度与跨度之比不宜大于1/45。张弦结构玻璃采光顶的最大挠度与跨度之比不宜超过1/200。

　　索内预应力值确定时需要考虑的因素：预应力索结构属柔性结构，在没有施加预应力之前索桁架是没有刚度的，其形状也不能确定，必须施加适当的预应力才能使索和连系杆赋予索桁架一定的形状。才能成为承受外荷载的索结构。在给定的边界条件下，所施加的预应力系统的分布大小和所形成的结构初始形状是相互联系的，这是索桁架自平衡内应力系统的建立，如何最合理地确定这一“初始平衡状态的确定”，这是索网结构设计中的一个关键的所在。

　　受力索的预应力值确定时需考虑的因素:

　　1)所使用地区的风压值，地震设防指标，体形系数，地面粗糙度等的直接荷载力;

　　2)温度变化应力：

　　3.2、拉索、索体与锚具

　　3.2.1、拉索

　　拉索是由索体及两端的锚具组成的受拉构件。在索结构玻璃幕墙中大量使用的不锈钢拉索其两端的锚具叫建筑幕墙用钢索压管接头。

　　拉索的索体可采用钢丝束、钢丝绳、钢绞线或钢拉杆等材料构成。

　　拉索两端锚具的构造应由建筑外观、索体类型、索力、施工安装、索力调整、换索等多种因素确定。

　　3.2.2、不锈钢绞线索体强度设计值的计算：

　　不锈钢绞线索体强度设计值按不锈钢绞线最小破断拉力的计算方法《建筑用不锈钢绞线》JG/T200-2007计算最小破断拉力，公式如下：

　　3.2.3、温度变化对拉索索体内力的影响分析：

　　温度荷载对拉索索体内力的影响应按如下公式进行计算：

　　从以上计算中可以看出温度变化对索体内力的变化影响很大，所以不论是在对索结构施加预应力的过程中，还是在索结构的工作状态时预先设定温度范围是很重要的。

　　4、索结构玻璃幕墙的部分节点设计与构造

　　4.1单索结构玻璃幕墙重要节点的设计

　　单层索结构玻璃幕墙的平面外变形的大小与索内预应力有着直接的关系。随着索结构预应力的变化，玻璃幕墙平面外的变形量也随之变化。 在单向单索结构幕墙设计时可以利用这个原理来解决索体与墙体相对位移过大的问题。

　　由于单索的索网结构是靠跨中弯曲变形来支承风荷载的，所以对钢索的要求和节点的适应变形能力要求及高。理论上只要有风，钢索就要产生变形，每个索上节点就必须承担相应的工作来达到整体幕墙的性能。

　　在单索网工作示意图中可以看到，幕墙的玻璃面在受风荷载产生变形时，节点部相对变形角度大在边部，所以对边部节点的变形适应能力要求高，此外节点的处理好坏直接影响着幕墙的安全性和使用性能。边部固定端可以采用活动铰连接方法(如图4.1.2-1).

　　在调节轴端的设计时应考虑在变形时的适应能力，防止在钢索与索压头结合处产生弯曲，调节端的作用是调节索内应力。

　　球形铰接系统：

　　索结构中索与支承结构连接是通过一对球面结构(球座、球头)实现，此结构随索拉力方向变化而产生微小的相对位移，避免构件产生附加弯矩，有利于结构安全和安装。

　　4.2索结构玻璃幕墙应力补偿装置

　　在索结构玻璃幕墙的设计中，由于每个项目的支承结构体系都有所不同，在设计时为了使索结构玻璃幕墙中的每一根索的内力能够按设计给定的值实现，减少索结构中每根索之间的内力差，可以在索的端部设置索内应力补偿装置。还能通过弹簧组的弹性变形，减小钢索因蠕变而产生的应力损失。

　　索内应力补偿装置的工作原理：此装置是安装在每根索的端部，索内应力的大小是由在端部弹簧系统所产生的内力所决定的，弹簧中弹力是可以预先设定的，是可控、易控的，所以应力补偿装置能使每根索的内力控制在一定的范围内。(如图4.2.1)

　　图4.2.1索结构玻璃幕墙应力补偿装置示意图

　　4.3、索结构玻璃幕墙过载保护装置

　　在索结构玻璃幕墙的设计中，由于每片幕墙的边缘结构支承体系的条件不同，在一定极限状态下可能对索结构体系产生影响。如在考虑地震荷载和变形时如索结构的边缘支撑结构不在一个基础上，或在两栋建筑之间设置索结构幕墙时，当地震变形时索结构自身的弹性变形量已经无法适应总变形量时，索结构将产生破坏。为了避免此类问题的发生，使玻璃幕墙实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”的原则，可在索结构的端部设置过载保护装置。(如图4.3.1)

　　索结构玻璃幕墙过载保护装置的工作原理：在过载保护装置中，当索的内力在极限状态，达到一定的内力时使过载保护装置中的保险部件发挥作用，使弹簧系统进入工作状态，以此来保证玻璃幕墙支承体系的正常工作。

　　图4.3.1、索结构玻璃幕墙过载保护装置示意图

　　5、索结构幕墙及采光顶拉索安全保护装置

　　5.1、个别项目在实际工程中出现的的安全问题

　　索结构玻璃幕墙在实际工程中出现的安全问题，主要表现在不锈钢接头螺纹处断裂、索锚固接头与索体之间滑移、索体跳丝等现象。索结构玻璃幕墙的竖向吊重索，在不锈钢接头螺纹处断裂。

　　图5.1.1、玻璃在固定节点处产生滑移已经不能起到固定作用了，玻璃也已出现破损现象。

　　索结构玻璃幕墙在实际工程中出现的安全问题，主要表现在不锈钢接头螺纹处断裂、索锚固接头与索体之间滑移、索体跳丝等现象。 由于单向单索结构的主索在顶部节点索头处断裂，造成玻璃在固定节点处产生滑移。索结构玻璃采光顶的主索断裂已经退出工作状态。

　　图5.1.2、索结构玻璃采光顶在不锈钢接头螺纹处断裂。

　　5.2、拉索安全保护装置

　　在充分分析能引起索结构玻璃幕墙安全隐患原因后，针对单索结构玻璃幕墙的构造和受力特点，并结合实际工程案例，设计发明了一套专门针对索结构玻璃幕墙及采光顶拉索系统的安全保护装置，其最大特点是在钢索或索端头锚具(索套管接头)发生断裂时的瞬间就可以对索体起到固定作用。

　　图5.2.1、使用在玻璃幕墙上的拉索安全保护装置

　　确保索结构玻璃幕墙或采光顶在索结构出现断裂时不产生玻璃幕墙倾覆的现象。大大提高了索结构玻璃幕墙的安全度。

　　这套系统使用灵活安装方便，可以在索结构安装时同时安装，也可以在索结构已经安装完成后加装这套系统。同时还适用于既有索结构玻璃幕墙的索结构加装。

　　索结构幕墙及采光顶拉索安全保护装置：【专利号为：ZL 2008 1 0024545.0】本发明索结构幕墙及采光顶拉索安全保护装置是一种适用于玻璃幕墙工程和玻璃采光顶工程领域中，单层、单向索结构支承的拉索安全保护装索结构幕墙及采光顶拉索

　　图5.2.2、对出现断索现象的既有索结构玻璃幕墙进行安全维护和修复

　　安全保护装置作用：在拉索构件因过载或其他原因导致拉索压管接头(锚固端)破坏后，安全保护装置开始起作用，让竖向拉索继续保持正常工作状态，玻璃板块不致因竖向拉索破坏而高处倾覆脱落，伤及人员，提高幕墙的安全性能，为后续维修赢得时间。

　　6、结束语

　　索结构支承点支式玻璃幕墙,在近年来愈来愈多的使用在现代建筑中，从双层索系到单层索网、单向单索、隐形单索，从平面玻璃幕墙到曲面玻璃幕墙，从立面索结构玻璃幕墙到索结构玻璃采光顶，应用范围越来越广。在建筑幕墙市场上能够对索结构玻璃幕墙进行设计与施工的单位也多了起来。大家也都通过自己的实践经验总结了不少的工艺方法,并应用在实际工程中。但是我们应该注意索结构玻璃幕墙是一种预应力结构支承的幕墙，对其安全度的考量极为重要，特别是在相关的国家规范和标准还不全面时，更应该对每一片索结构玻璃幕墙在设计和施工中都要给予足够的重视。

　　参考文献

　　[1] 《索结构技术规程》报批稿，建设部标准，2011

　　[2] 王德勤，索结构玻璃幕墙用索桁架的构造与设计，《建筑技术》,北京 2003

　　[3] 王德勤，点支式玻璃采光顶应用技术探讨，《2010年全国铝门窗幕墙行业论文集》, 第6篇，49-66页

　　[4] 王德勤，曲面索结构玻璃幕墙承载性能探讨，幕墙设计，北京2010