索网幕墙及桁架体系钢桁架构造设计及解决措施

杨湧波

摘 要：某工程为大型车站配套商业综合体工程，建筑面积达二十万平米，该建筑体长度较长，建筑主体分成三个区域，拉索幕墙位于大楼主入口中部三层至六层（屋顶层）位置。该项目主体结构形式为混凝土结构、钢结构，屋顶盖为网架结构。拉索幕墙的立面幕墙宽约57m，高21.5m。

关键词：索网幕墙；钢结构桁架；铰榫支座

1 拉索幕墙重点设计

1.1 垂直钢结构桁架

因建筑主体的屋顶盖为网架体系不能承受幕墙和主要支承幕墙构件垂直荷载，而该幅幕墙跨八个轴线长度，因此我们考虑用两榀垂直钢结构桁架为结构柱，将幕墙分成三个小区间。所以加设两榀三角形垂直钢结构桁架，分别在幕墙门幅的三分之一处，每榀垂直钢结构桁架是为二根主前杆钢方管350x250x20mm，一根后置圆管φ299x20mm，并有水平向十道间隔1700mm的矩形管为腹杆的钢管，采用170x50x10mm；在三角形垂直钢结构桁上端架与水平桁架焊接处，布置二道水平杆为二根φ325x18mm，后杆顶端布置φ299x10mm和φ159x10mm各两根对称斜向撑杆，竖向桁架与水平桁架相接处的正前方，交汇各角部对称布置20mm厚三角筋板对桁架加强焊接达到固接作用。

1.2 水平钢结构桁架

该水平桁架分成三段，是有二根下弦杆φ325×18mm和一根上弦杆φ325x18mm，组成三角形钢结构水平桁架。水平三角形桁架的前杆下方均布置索体固定点耳板，固定点在玻璃分割中心线上。与垂直桁架的交汇处的水平桁架端部都采用对称布置20mm厚三角筋板，起加强焊接达到固接作用。水平桁架的设置是为拉索索体上支端的固定作用。

1.3 垂直钢结构桁架地面支座的设计

每榀垂直钢结构桁架底部各有两个球面铰榫和支座框，两个支座分别支承垂直桁架的前杆，支座框与地面栓接固定，三角形后杆在离地面一个水平分割收于两根前杆合并。

该支座设计能消化现场施工的误差，球面铰榫入框后可以适应桁架的X方向和Y方向的微量扰动变化，支座仍为面接触。对于大吨位的结构承重，这种设计方案是非常有效避免直接与地面焊接的简单处理工艺，且能保证外观美观简洁。

1.4 水平桁架两端支座的设计

与两榀垂直钢结构桁架上部采用焊接形成一个整体，并增加对称布置三角筋板，起加强焊接达到固接作用。水平桁架的外侧两段分别架于主体结构柱内侧和背侧，支座采用为两向约束一向可滑动的支座（即顺桁架X方向可滑动的支座），后支座为铰支座。

采用这种支座的作用是由于水平桁架左右跨为17m和中间跨为23m，中间与垂直柱完全焊接，总长约57m，温度变化产生的位移将近60mm，因此需在支座处设计能吸收和消除微量位移的支座。选用橡胶支座，它一方面在X方向可接受桁架的位移，但支座是不能有移动，另一方面是同样可传递垂直荷载和水平迎风荷载，每个支座位移量为±15mm。

与结构柱连接形式采用普通牛腿形式，与水平桁架连接形式运用桁架圆管设计成圆形内凹形式支座架将桁架圆管架于上方，保证桁架钢管落槽。

后支座因离混凝土柱边有750 mm，属于偏心支座采用四层加筋板和直板做转接，该支座为铰接，仅起到水平桁架后杆固定作用，穿销孔需加大些，可有微量滑移和转角变化。

1.5 摇臂支座的设计

因整幅玻璃幕墙的迎风荷载（Y方向）较大，且上部连接点不能直接在桁架的垂直线上方的网架球直接固定，因此选在幕墙完成面的外侧4.2m位置做固定点。因整个桁架承受幕墙的荷载较大，用八个支撑点承受荷载和弯矩，且考虑侧向稳定因素。连杆用六个双撑连续杆和一个四撑连续杆组成。该支撑连续杆杆件直径为φ152×8mm，杆件的两端与桁架上的支座（摇臂支座a）和网架上的支座（摇臂支座a和b）。在摇臂支座a和耳板上都设计一个球形外表面中心带直孔的零件，其主要作用是可以三维空间微调各角度，减少加工误差和施工误差造成支撑杆件在安装时产生附加应力，且能确保安装理想化就位。

1.6 玻璃幕墙板块支承体系

水平索φ26mm和垂直索φ40mm，水平索为张拉索，垂直索为自重索。其分别按立面和平面布置的尺寸进行安装，两种索交叉处采用玻璃夹具，用螺钉和夹板夹紧，索夹前端安装四片玻璃板块的角部。每片玻璃板块2100×1700mm，玻璃双层夹胶中空玻璃，每块玻璃板块重约295 kg 。

2 钢结构桁架安装要点

按设计图纸，分别对竖向钢结构桁架、水平钢结构桁架及拉索用耳板件的平面和高程位置进行测量定位及放线；对不符合设计要求的埋件部位进行纠正，并复检至达到设计要求；

钢桁架的预拼装应根据现场条件进行预拼装，并做好起拱点位置；拼装各焊接时应采用合理的施焊顺序，减少焊接产生的次应力；支座的固定主要有地面上球面铰榫落位地面支座；水平桁架两端支座有前侧为两个桥式支座，其仅承受结构重量和荷载力及其变形，水平桁架的温度变形是不能传递至主体砼结构，后支座仅为铰支座；摇臂支座是与上部网架固定的支座，其承受水平荷载，且抗侧向稳定；拉索耳板支座固定；在钢结构桁架就位后，进行张拉索的安装，因此，需检查桁架的现场焊接各点是否符合要求。

3 索体的安装要求

本幅玻璃幕墙的水平索为张拉索，索体理论长度为57.8m，垂直索理论长度为20m。水平索φ26mm承载力设计值为170kN，垂直索为φ40承载力设计值为480kN。

按设计图纸及放线尺寸，依次安装竖向承重索和水平张拉索。安装时，应与标高最低及最高处的水平张拉索体同时进行，竖向承重索有两端向中间依次安装，同时与连接耳板初步固定。

张拉索拉力调整遵循对称式依次从“由中向边、先上后下、先竖后横（先长后短）”的原则调整。调整过程中，要注意玻璃夹具的位置变化，玻璃夹具设计其内部为球形面可转动的夹具，它可以吸收玻璃面板微小偏差和角度变化。

索体的安装张拉分级可分成5级或按设计值20%、40%、60%、80%和100% 进行张拉，也可根据传力设备能力做张拉级数调整。竖向索下端安装调节装置，水平索在两端或竖桁架位置安装调节装置，同时加设传力设备千斤顶进行张拉（或置于上端根据现场情况做调整）。通过扭力扳手拧动竖向索上端的螺母和水平索中间调节头使各索索端长度的水平和垂直在一條线上，调匀各索的索力，消除不利因素。因水平索较长，需注意索的两端对称性和索的高低调整。每一级别都需用索力计检测仪或相似设备记录索力值，用全站仪记录测点位移。实测值和理论值对照分析，进行调整计算分析制订调整修正方案。

索网幕墙安装、张拉完毕后，对索桁架进行索力抽检；若张拉力仍不足值的，加以补足；若张拉力过量值的，适当放松。不足和过量不宜大于张拉力设计值的5%，小于者则为符合设计要求。

索网幕墙施工中可能存在索力损失，如张拉端锚具变形引起的预应力损失；入口雨篷及门架施工中对张拉力损失；钢结构桁架的变形对张拉力损失；索体松弛引起的张拉力损失；额外荷载使主体结构变形，导致索网跨度变化引起的张拉力损失。为了避免索力损失必须对索网张拉力控制在张拉力设计值的5%之内，不宜过大或偏小；现场实测的钢索下料长度需准确，不宜过长或过短；选用的钢索需符合设计要求。

4 各部件碰撞处理要点

在设计该幅拉索幕墙时发现有几处部件固定位置紧凑，空间小，部件之间发生碰撞，在施工中应根据部件的主受力情况适当调整部件之间的位置或错位布置，如其一，上支座与垂直索耳板碰撞处理，可将垂直索耳板局部碰撞，施工时可以考虑对支座局部切割一角，但不能影响支座板的固定；其二，垂直拉索耳板与垂直桁架底座空间布置不足而相碰撞的处理方式是对垂直拉索耳板与垂直桁架底座框焊于一体或是将支座对称镜像安装与与框碰撞做切割达到尺寸要求；其三，门厅处水平拉索与雨篷变截面H型三角支撑架相碰撞时，因确保三角支撑架焊接焊缝完整后，再做拉索支座焊接或将三角支撑架和拉索支座合体为一个构件完成双功能作用；其四，雨蓬的变截面支撑杆与玻璃夹具的后端耳板相碰时，可取消该处后端耳板不做固定。

以上是我在设计拉索幕墙的一些心得体会，愿项目顺利进展，成为城市建筑的亮点。