大型站房单层索网点式幕墙设计施工技术研究

郑利刚

1、工程概况

成都东客站车站外幕墙工程所运用到的幕墙形式主要为单层索网点式玻璃幕墙、组合编织幕墙、框架幕墙，总体的效果呈现出清新、简约、通透。主要的工程内容：单层双向索网点式玻璃幕墙（东西立面）；单层单向索网点式玻璃幕墙（南北立面）；铝板及玻璃组合编织幕墙；半隐框框架幕墙。主入口幕墙跨度43米，立面单层索网玻璃幕墙分格为2100mm* 1490mm、2400mm* 1640mm。拉索采用直径为22mm、30mm、32mm 、36mm不锈钢索。拉索顶部受力结构采用箱梁（南北立面）和矩形桁架（东西立面）。

2、单层索网幕墙设计

2.1单层双向索网幕墙设计

此系统主要位于东西两个站房立面部位；东站房的起始标高为9.300m，西站房的起始标高为±0.000。分格尺寸2400（宽）x1640（高）mm，面板采用TP10（Low-E）+12A+TP10钢化中空玻璃；水平索采用φ30不锈钢索，东站房竖索采用φ32不锈钢索；西站房水平索采用φ30不锈钢索，竖索采用φ36不锈钢索；主受力结构采用钢结构桁架体系，左右兩侧采用三角形空间桁架，顶部采用矩形空间桁架。钢结构表面刷超薄型防火涂料后再进行氟碳喷涂处理。

2.2、单层单向索网幕墙设计

标准跨的立面单层索网玻璃幕墙水平分格为2000mm，高度分格为1490mm。此处拉索采用直径为22mm不锈钢索，玻璃板块采用10+12A+10钢化中空LOW_E玻璃。拉索顶部受力结构采用箱梁1100x600x26x26（mm）。

2.3、拉索幕墙弹簧阻尼器技术

考虑到高速列车产生的动荷载对外幕墙的影响；单向拉索幕墙在设计方案中采用阻尼器，以降低拉索变形以及玻璃的颤动幅度，由于拉索是柔性结构，且是单向（竖向）索，在动荷载作用下会导致在边部刚性结构和柔性结构交接处，中间跨度出现312mm位移差，其中最危险部位出现在拉索端部位置玻璃板块突变65mm，此部位玻璃为两条边固定在U形槽内，玻璃表面距U形槽只有30mm， 为减小位移；在南北立面的单层单向拉索幕墙边部增加阻尼器，从而减小和控制幕墙边部的拉索位移，以控制在玻璃变形安全范围内。无论是正风还是负风，此阻尼系统产生的反作用力在垂直玻璃方面与风压方向相反，达到阻尼系统可对玻璃幕墙系统的边角部位的保护作用，从而保证整个幕墙系统的稳定性。

2.4、结构受力验算

在本工程中外装饰幕墙方案设计时，按照国家有关规范要求，取最大值进行结构计算，充分考虑了风荷载、地震作用、自重、温度等对幕墙的影响，采用ANSYS及SAP有限元分析软件对面板以及龙骨的安全性能进行结构分析，设计安全系数完全满足工程的要求，同时对面材、龙骨及连接系统均做了仔细计算：1、拉索钢结构验算；2、拉索结构验算；3、玻璃挠度验算；4、正常使用极限状态下；5、承载能力极限状态下，均满足要求。

2.5、阻尼器设置计算

1、边部索网挠度设计控制变形量：178mm，阻尼装置 1 所受最大荷载值：F1=19.76kN， 阻尼装置 2 所受最大荷载值：F2=18.66kN（以上参数均取计算书上的最大值）； 根据客户方案图得知：阻尼装置 1 长 2075mm，阻尼装置 2 长 1950mm，根据 风压变形量模拟得知：ΔL1=53mm；ΔL2=6mm，具体见下图所示：

因此当弹簧工作荷载值为：19760N 时每片弹簧压缩 1.152mm，当整个弹簧装置要 求压缩 53mm 时应选用 46 片碟簧（弹簧采用对合组合）。弹簧装置自由高度为：HZ=iHo=46×5.6=257.6mm， 当弹簧受荷 19760N 时弹簧高度：H1=HZ-fZ1=204.6mm。

2、弹簧外导管采用φ80×4 的钢管屈服强度 205 N/mm2，钢管端头采用 M75×2 的内螺纹，有效截面积 A 为：608.68 mm2，当弹簧承受最大工作荷载 19760N 时钢管所受应力值为：σ=19760/608.68=32.4 N/mm2<205 N/mm2，因此满足 设计要求。

3、根据压杆稳定要求设λ=150，μ=1，l=（2075-700）/2=687.5mm，i2=I/A 根据以上公式反推得出碟簧导杆的直径为：φ18.33mm；因此导杆直径采用：φ35mm 是可以满足压杆稳定要求的。

3、幕墙施工技术

3.1施工过程的模拟计算

单层索网幕墙是幕墙中的一种新型支承结构体系，因其具有通透性好，轻盈美观和施工灵活等特点得到广泛应用。索网结构中索的初始预张力对结构的刚度影响很大，随着风载等作用下索网变形的发生，索网的刚度会随之变化，计算中需要考虑预张力、几何非线性以及边界条件的影响。整个索网结构也必须在拉索中建立足够的预张力后，方能满足承载和变形的需要。为了实现施工张拉过程的有效控制，计算出调整过程中索内力的变化情况，根据有限元模型，对索网的整个张拉过程的进行模拟计算分析；将所有拉索进行编号，采用倒拆法计算，即和实际施工顺序正好相反，先运用程序调整到我们所期望的最终状态，然后进行倒拆（逐步放松索），可以得到我们所期望的施工过程中每个阶段的计算结果。采用有限元分析计算软件为ANSY。

3.2钢结构安装

竖索上端通过耳板与钢横梁连接平板连接，竖索下端通过地脚螺栓与板式预埋件连接。横索两端通过基座与转角位置的三角钢架进行连接。为了整个幕墙系统的稳定性和安全性，必须严格保证焊缝的质量。所有焊缝都采用二氧化碳保护焊进行焊接，选用高级焊工进行操作。焊接后对所有焊缝进行射线检测，确保焊接质量达到规范要求。

3.3钢索张拉

（1）、工厂预张拉

索结构玻璃幕墙所使用的钢索的工作状态是处于持续永久受力状态，为保证钢索稳定工作性能，对每条钢索在使用前都必须进行预张拉，处理目的是消除索内非弹性变形因素，使其在工作状态中应力与应变呈线性关系，在弹性变形状态下工作，消除钢丝绳在使用受力时产生的结构伸长。

预张拉的拉力取用钢索破断力的50%，采用液压张拉仪经3次反复张拉历时1.5h。钢拉索的制作、拉索头的压制和预张拉在加工厂内完成。加工完成后，做好标识，用防潮纸包装里层，外层用编织袋包装后运送到现场。

（2）、钢索下料

钢索的下料长度是否精确对索的施工安装和预应力形成有很大的影响，经实践证明采用拉应力状态下料对保证下料尺寸精度有很大的帮助，也就在下料前对钢索施加一定的轴向拉应力使钢索拉直后进行切割，下料时必须注意经预张拉处理后的索才可以按图纸尺寸要求长度下料，同时注意在同一工程使用的同一直径索在进行拉应力状态下料时，拉力应保持一致。

（3）、拉索的就位

钢索垂直拉升到安装位置安装固定在钢梁上，并按设计要求初步施加20%的张拉力，张拉力的施加采用带压力表的液压机进行，压力表应经过有关部门的检测校正。竖向拉索定位后，接着将玻璃的水平分格线用水平仪引到竖向拉索上并作标识，并结合横索的水平高度位置，两线相交准确定位出安装夹具的位置。

（4）、张拉

用带压力表的液压机在底部对竖向拉索施加张拉力，钢拉索的张拉分三个阶段进行。第一阶段分4次施加至设计值的80%，持荷1小时，第二阶段施加至设计值的103%，以消除摩擦力和非弹性变形对预应力的损失，第三阶段施微调至设计值的100%，满足设计要求。索力达到每一阶段值后要停留3分钟，以便拉索张力的传递；且要把每一阶段的数据记录下来，最后误差控制在3%的范围内。拉索的张拉一定要在钢结构调试完毕、全部固定后才能进行。

（5）、在豎向索和横向索相交位置上安装不锈钢连接件和不锈钢夹具，并锁紧内面的螺丝，使其固定在两根拉索上。

（6）、校对不锈钢连接件和不锈钢夹具的位置，并用分离式液压千斤顶对夹具进行（X、Y、Z）三维空间位置的调整，并再一次调整与拉索的张拉力。

（7）、用水平仪及经纬仪对竖拉索的夹具进行调整，拿掉临时垫片，并用扭力扳手锁紧螺丝。

（8）、因考虑到拉索张拉力释放所产生的蠕变，在拉索安装完成七天后，要对拉索的张拉力及控制点进行再一次的复测、调整后方可实行玻璃的安装。如遇到赶工期间，拉索安装完成后按3天的蠕变值进行测试，看是否控制在蠕变曲线范围内，便于玻璃能尽快安装。

3.4玻璃板块的安装

玻璃安装的质量直接关系到幕墙建成后的外观效果。所以，玻璃安装也是点连接式玻璃幕墙施工过程中最重要的一步。钢索调整和检测合格以后，就可以开始玻璃的安装。

每层的玻璃安装完成后，应进行板块调整，玻璃调整的标准为“横平、竖直、面平”，即横向胶缝应水平、竖向胶缝应垂直、各玻璃处于同一平面上；另外应检查胶缝大小是否一致，如不一致，应进行调整，玻璃板块调整完成后，应马上进行固定安装夹具四周的密封胶垫，每层玻璃调整后，误差控制在±3mm内，并不使其积累在各层中控制、分配、消化掉。

3.5嵌缝注胶

打胶前应用 “二甲苯”擦净玻璃及钢槽需打胶的部位。玻璃与钢槽之间的缝隙用泡沫棒塞紧，注意平直，留出净高 6mm的打胶厚度。所有需打胶部位应粘贴美纹保护胶纸，注意胶纸与胶缝平行。操作顺序一般是：竖向胶缝，由上向下。

4、工程效果及结论

4.1、单索幕墙施工完成后具有良好的通透效果；外墙简洁明快；对站房整体效果增色不少；成为了装饰亮点；得到社会各界认可。

4.2、采用了幕墙阻尼器设置后，有效的减小了振动和变形影响，在单索幕墙施工中具有推广价值；目前已申请国家专利。