单层超高玻璃幕墙技术研究

张志刚

（珠海兴业绿色建筑科技有限公司，广东 珠海 519000）

我国生产和应用了大量的幕墙产品，在生产、使用中积累了丰富的经验，在建筑幕墙技术开发上有了新进展。但针对单层超高幕墙的研究，从理论到实践并不多见。

1 单层超高幕墙特点

受力结构跨度大，跨中结构体系绝对变形大，结构支座反力大，与建筑效果匹配难

2 单层超高幕墙的主要结构形式

钢桁架、钢格构、自平衡体系、预应力索杆体系、预应力单层索网体系

3 以某火车站单层超高幕墙为对象进行分析

3.1 基本情况

火车站玻璃幕墙主要以大跨度的钢结构玻璃幕墙为主，其最高处位于站房中部出入口处，混凝土柱距87.0m,从±0m到站房屋架下方，高度33.5m，在主入口处形成一个87.0mX33.5m巨大而通透的幕墙立面，这个巨幅幕墙结构的处理是个难题，也是直接关系到整个建筑幕墙外立面效果的关键因素。

3.2 选用材料的力学性能

钢材：弹性模量 2.06×105N/mm2，泊松比 0.3，线膨胀系数1.2×10-5/℃。

材料重力体积密度：建筑玻璃：25.6kN/m3，钢材：78.5kN/m3。

3.3 结构荷载取值

3.3.1 幕墙部分自重荷载

玻璃采用10T+12A+10T中空玻璃，玻璃自重面荷载标准值：GK=20×10-3×25.6=0.512kN/m2，考虑玻雨篷体系的其它附属构件，雨篷自重面荷载标准值取：0.8kN/m2。

3.3.2 雨篷部分自重荷载

玻璃采用10T+1.52PVB+10T夹胶玻璃。玻璃自重面荷载标准值：GK=20×10-3×25.6=0.512kN/m2，考虑玻雨篷体系的其它附属构件，雨篷自重面荷载标准值取：0.8kN/m2。

3.3.3 幕墙风荷载

采用100年重现周期的风荷载进行幕墙计算，幕墙计算高度取33m。

a、地面粗糙度类别：B类

b、基本风压：0.40kN/m2

c、瞬时分压阵风系数：βgz=1.63

d、风压高度变化系数：μz＝1.47

e、风荷载体型系数：1.0

Wk=1.63×1.0×1.47×0.4＝0.958kN/m2

因 为 Wk≤1.0kN/m2，取 Wk=1.0kN/m2，按 JGJ102-2003 第5.3.2条采用。

3.3.4 雨篷风荷载

采用100年重现周期的风荷载进行计算，雨篷计算高度取9m。

a、地面粗糙度类别：B类

b、基本风压：0.40kN/m2

c、瞬时分压阵风系数：βgz＝1.80

d、风压高度变化系数：μz＝1.00

e、风荷载体型系数：1.44

Wk=1.80×1.44×1.00×0.4＝1.037kN/m2

因为 Wk≥1.0kN/m2，取 Wk=1.037kN/m2，按 JGJ102-2003 第5.3.2条采用。

3.3.5 雨篷雪荷载

采用100年重现周期的雪荷载进行计算。

a、基本雪压：0.25kN/m2

b、屋面积雪分布系数：μr＝1.00

Sk=1.00×0.25＝0.25kN/m2

3.3.6 雨篷施工及检修荷载

取施工及检修荷载Lk=1.0kN/m，加载于雨篷最不利位置。

3.3.7 地震作用

抗震设防烈度：7度,设计基本加速度：0.10g

3.3.8 荷载组合

3.3.8.1 正常使用极限状态下的计算

荷载组合一：1.0×恒（幕墙）+1.0×风载（幕墙）+1.0×恒（雨篷）+0.7×施工（雨篷）+0.5×地震；荷载组合二：1.0×恒（幕墙）+1.0×风载（幕墙）+1.0×恒（雨篷）+0.7×雪（雨篷）+0.5×地震；荷载组合三：1.0×恒（幕墙）+1.0×风载（幕墙）+1.0×恒（雨篷）+1.0×风（雨篷）+0.5×地震

3.3.8.2 承载能力极限状态下的计算

荷载组合一：1.0×1.2×恒（幕墙）+1.0×1.4×风载（幕墙）+1.0×1.35×恒（雨篷）+0.7×1.4×施工（雨篷）+0.5×1.3×地震；荷载组合二：1.0×1.2×恒（幕墙）+1.0×1.4×风载（幕墙）+1.0×1.35×恒（雨篷）+0.7×1.4×雪（雨篷）+0.5×1.3×地震；荷载组合三：1.0×1.2×恒（幕墙）+1.0×1.4×风载（幕墙）+1.0×1.0×恒（雨篷）+1.0×1.4×风（雨篷）+0.5×1.3×地震

3.4 幕墙结构数值模型的建立与计算

3.4.1 方案一：空间钢桁架结构

3.4.1.1 结构模型描述

结合玻璃幕墙立面分格，桁架间距按8.4m布置,桁架宽度2.1m与玻璃分格对应，桁架矢高2.1m,雨篷悬挑10m,结构支撑于主桁架结构上，横向设置三道刚性平面外支撑，整个结构的支座约束分为两种，与下部基础采用铰接，基础承受由钢桁架所传递的竖直方向幕墙自重以及水平方向的风荷载等，和上部屋面钢结构采用一个摇臂装置，释放了由幕墙钢结构产生的竖直方向作用力，直承受幕墙钢结构水平推力，并且保证屋面在竖直方向的变形，不影响整个幕墙结构。整个结构采用有限元线性分析方法。

3.4.1.2 正常使用极限状态下的计算

正常使用极限状态验算结果：挠度控制指标：L/400;结构最大变形由荷载组合二产生，为79.7mm＜33000mm/400=82.5mm。

3.4.1.3 承载能力极限状态下的计算

承载能力极限状态：采用Q345钢，设计强度小于310N/mm2;结构最大应力由荷载组合二产生，应力需求比为0.746，位于桁架中部。

3.4.2 方案二：平面自平衡体系

3.4.2.1 结构模型描述

结合玻璃幕墙立面分格，8.6m标高以下采用桁架，间距按8.4m布置,并设置两道拉索平衡雨篷所产生的倾覆力，雨篷悬挑10m采用H型钢，并在悬挑6.0m的位置设置撑杆；8.6m标高到27.1m标高以上采用索结构自平衡体系，间距按幕墙玻璃分格2.1米布置，桁架宽度与玻璃分格对应，桁架矢高1.6mm采用直径14mm的不锈钢拉索和直径50mm钢撑杆，主钢管采用直径152mm的圆管，平面外设计两道拉索，每道由三根直径12mm不锈钢拉索组成，保证整个体系的平面外稳定。27.1m处设计三角桁架，竖直方向矢高2.5m,水平方向矢高1.5m，承载由索桁架所传递的水平推力和上部幕墙的所有荷载。整个结构的支座约束分为两种，与下部基础采用铰接，基础承受由钢桁架所传递的竖直方向幕墙自重以及水平方向的风荷载等，和上部屋面钢结构采用一个摇臂装置，释放由幕墙钢结构产生的竖直方向作用力，直承受幕墙钢结构水平推力，并且保证屋面在竖直方向的变形，不影响整个幕墙结构。整个结构采用有限元非线性分析方法。结构模型：

3.4.2.2 正常使用极限状态下的计算

正常使用极限状态验算结果：挠度控制指标：钢桁架L/400，自平衡索结构L/400。结构最大变形由荷载组合二产生：钢桁架为 61.9mm＜44000mm/400=110.0mm；自平衡索结构(138-52)=86mm＜185000mm/200=92.5mm；

3.4.2.3 承载力极限状态下的计算

承载能力极限状态：采用Q345钢，设计强度小于310N/mm2;结构最大应力由荷载组合二产生：自平衡索结构，拉索应力需求比zu最大为0.420，拉索最大允许应力比为1/1.8=0.55，位于索桁架中部。

3.4.3 方案三：单层索网结构体系

3.4.3.1 结构模型描述

结合玻璃幕墙立面分格，8.6m标高以下采用钢框架，间距按8.4m布置,并设置交叉拉索平衡控制钢框架的变形，雨篷悬挑10m采用H型钢，并在悬挑6.0m的位置设置撑杆；8.6m标高到27.1m标高以上采用单层索网体系，垂直间距按幕墙玻璃分格2.1米布置，水平间距按幕墙玻璃分格1.5米布置，竖索为主受力索，单根长度18.5m,采用直径30mm的不锈钢拉索，横索维辅助索，单根长度42.0m,采用直径16mm的不锈钢拉索。27.1m处设计三角空间桁架，竖直方向矢高5.0m,采用双层设计，在第一层2.5高采用空间桁架，水平方向矢高1.5m，在第二层2.5高采用平面桁架，整个桁架承载由索所传递的水平力竖向拉力及上部幕墙的所有荷载。整个结构的支座约束分为两种，与下部基础采用钢结支座，基础承受由钢桁架所传递的竖直方向幕墙自重以及水平方向的风荷载等，27.1m处空间钢桁架与两侧采用滑动支座，释放水平力。和上部屋面钢结构设置两个摇臂装置，释放由幕墙钢结构产生的竖直方向作用力，直承受桁架产生的水平推力，并且保证屋面在竖直方向的变形，不影响整个幕墙结构。整个结构采用有限元非线性分析方法。结构模型：

3.4.3.2 正常使用极限状态下的计算

正常使用极限状态验算结果：挠度控制指标：钢桁架L/400，索网结构L/50。

荷载组合一：1.0×预应力+1.0×恒（幕墙）+1.0×风载（幕墙）+1.0×恒（雨篷）+0.7×施工（雨篷）+0.6×温度（+25）+0.5×地震；；荷载组合二：1.0×预应力+1.0×恒（幕墙）+1.0×风载（幕墙）+1.0×恒（雨篷）+0.7×雪（雨篷）+0.6×温度（+25）+0.5×地震；荷载组合三：1.0×预应力+1.0×恒（幕墙）+1.0×风载（幕墙）+1.0×恒（雨篷）+1.0×风（雨篷）+0.6×温度（+25）+0.5×地震。

结构最大变形由荷载组合二产生：下部钢框架雨篷：钢框架最大位移在8.6m标高处中间位置横梁上，雨篷位移最大位移在雨篷中部横杆，为绝对位移。

钢框架：（Joint，704；U1=-41.34，U2=-0.02，U3=8.48）；雨篷：（Joint，2610；U1=-46.37，U2=-0.02，U3=-87.13）；中部索网结构（绝对位移）：（Joint，130；U1=-416.38，U2=-0.00，U3=-31.75）；中部索网结构（相对位移）：（Joint，130；U1=-352.42，U2=3.53，U3=40.34）；中上部桁架结构：（Joint，244；U1=-64.10 ，U2=-3.54，U3=-85.52）。

3.4.3.3 承载能力极限状态下的计算

承载能力极限状态：钢材采用Q345钢，设计强度小于310N/mm2，拉索采用不锈钢，设计强度小于1320N/mm2。

荷载组合一：1.0×预应力+1.0×1.2×恒（幕墙）+1.0×1.4×风载（幕墙）+1.0×1.35×恒（雨篷）+0.7×1.4×施工（雨篷）+0.6×1.4温度（-25）+0.5×1.3×地震；；荷载组合二：1.0×预应力+1.0×1.2×恒（幕墙）+1.0×1.4×风载（幕墙）+1.0×1.35×恒（雨篷）+0.7×1.4×雪（雨篷）+0.6×1.4温度（-25）+0.5×1.3×地震；；荷载组合三：1.0×预应力+1.0×1.2×恒（幕墙）+1.0×1.4×风载（幕墙）+1.0×1.0×恒（雨篷）+1.0×1.4×风（雨篷）+0.6×1.4温度（-25）+0.5×1.3×地震。

结构最大应力由荷载组合二产生：索网结构，拉索应力需求比最大为0.420，拉索最大允许应力比为1/1.8=0.55。

4 研究结论

通过对以上三种结构形式的计算机模拟分析，对于单层超高玻璃幕墙钢结构设计可以得出以下结论：

4.1 如果采用大跨度钢结构，最好选用空间桁架，不然很难保证钢桁架的平面外稳定性。钢桁架的缺点空间尺寸会很大，杆件截面也较大，对整个玻璃幕墙的外观果影响较大。钢桁架结构的优点是对边界支座的要求较低，加工和施工难度也较低；

4.2 如果采用索桁架，索桁架的跨度不能太大，最好在15m以内，否则索桁架自平衡体系的矢高会较大，假如索桁架跨度超出15m则桁架矢高会超出2m。索桁架的缺点是桁架布置要和玻璃分格对应，不能象钢桁架那样隔跨布置，外观杆件比较多，加工施工难度大。索桁架结构的优点是结构外观较通透轻盈，与玻璃可以有机的结合成一体，同样结构对边界支座的要求较低；

4.3 如果采用索网结构，索跨度不能太大，最好在20m以内，否则索的绝对变形和挠度很大，挠度最好控制在0.5m之内。索桁架缺点是需要施加预应力，所以对边界要求很高，边界杆构件需要很强，同时加工施工难度都较大。索桁架结构的优点是结构外观通透轻盈，纤细的索作为结构，它对玻璃效果的影响几乎可以忽略，可以完美的和玻璃融为一个整体；

以上分析结论是建立在计算机模拟的条件下，一些节点连接、支座构造和预应力施加方案等都需要通过实验的手段检验。

[1]《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ 133-2001

[2]《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012

[3]《索结构玻璃幕墙用索桁架的设计与质量控制》王德勤

[4]《悬索结构设计》沈世钊等

[5]《CSI分析参考手册》