玻璃采光顶及幕墙张弦结构整体设计与分析

徐 皓， 张 倩， 高 璞， 高瑞琪， 田卜元

（中国建筑第六工程局有限公司，天津300451）

张弦结构是将张拉整体的概念引入传统结构而形成的一种结构形式，能够很好地解决传统结构在稳定性、支座反力等方面的问题[1～2]，在很大程度上提高结构刚度并能通过调整拉索中的预应力来减小支座的水平推力，使之成为自平衡体系。基于众多优势，越来越多的大跨度结构或者对建筑外观有要求的轻型屋盖采用了张弦结构[3～4]。

1 工程概况

某建筑为加强采光，同时使用玻璃采光顶和玻璃幕墙并将采光顶与幕墙连成整体。见图1。

图1 建筑效果

采光顶为张弦梁结构，平面尺寸为45.9 m×57.6 m；玻璃幕墙为张弦桁架结构，立面尺寸为45.9 m×60 m。见图2。

图2 采光顶与幕墙整体

1.1 荷载条件

包括恒荷载、活荷载、风荷载、雪荷载和温度效应[5]。

1.1.1 恒荷载

1）采光顶和幕墙钢结构的自重。

2）玻璃窗的自重。采用整体式天窗，玻璃、窗框、配件等全部在工厂组装，窗扇尺寸为2.4 m×1 m，整体式固定窗质量为120 kg，可开启窗质量为150 kg，固定窗和可开启窗交替布置。经换算，玻璃窗传递到采光顶张弦梁上的荷载为1.3 kN/m，传递到幕墙吊杆立柱上的荷载为0.75 kN/m。

3）屋面排水沟、防水、保温、装饰等的自重作用于采光顶张弦梁上，取0.4 kN/m。见图3。

图3 采光顶建筑做法

1.1.2 活荷载

不上人屋面，取0.5 kN/m2，作用于整个采光顶。

1.1.3 风荷载

考虑采光顶承受-1.2 kN/m2（风吸），分别考虑幕墙承受1 kN/m2（风压）或-0.6 kN/m2（风吸）。

1.1.4 雪荷载

基本雪压取0.4 kN/m2，作用于采光顶，模拟雪的不均匀堆积和不均匀除雪，考虑满跨和各种半跨分布。

1.1.5 温度效应

设计温度为20 ℃，温差为±30 ℃。

1.2 结构布置

1.2.1 采光顶张弦梁结构布置

由17 道张弦梁及纵向次梁构成采光顶的承重体系。除拉索外，均采用Q355B钢材。见图4。

主梁采用箱形截面□500 mm×524 mm×16 mm×16 mm；撑杆采用φ152 mm×14 mm钢管；拉索采用2×φ42 mm高钒索，极限抗拉强度1 670 MPa；纵向次梁□120 mm×80 mm×6 mm；交叉拉杆采用φ35 mm实心钢拉杆。

采光顶三边支承，另一侧与幕墙连接。其中张弦梁一端设置固定铰支座，另一端设置活动铰支座。

1.2.2 玻璃幕墙张弦桁架结构布置

采用3 道张弦桁架、9 道水平索以及吊杆立柱构成幕墙的承重体系。其中，最上面的张弦桁架连接采光顶和幕墙，起过渡作用。除拉索外，均采用Q355B钢材。见图5。

图5 张弦桁架

桁架外侧上弦杆采用箱形截面□500 mm×400 mm×30 mm×40 mm；内侧上弦杆500 mm×400 mm×20 mm×25 mm；上弦层大横杆□350 mm×150 mm×20 mm×20 mm，小横杆□100 mm×80 mm×8 mm，交叉拉杆φ55 mm；桁架撑杆采用φ133 mm×14 mm 钢管；拉索采用2×φ90 mm高钒索，极限抗拉强度为1 670 MPa；幕墙吊杆立柱□400 mm×80 mm×16 mm×30 mm，水平索采用2×φ20 mm高钒索。

张弦桁架一端设置固定铰支座，另一端设置活动铰支座。幕墙吊杆立柱与张弦桁架外侧上弦杆相连，水平索穿过幕墙吊杆立柱并固定在两侧既有结构上。见图6。

图6 玻璃幕墙结构布置

2 预应力设计及优化

张弦结构中，预应力的主要作用是抵消荷载产生的部分弯矩，减小结构的挠度变形。拉索预应力值的大小对张弦结构的工作形态和用钢量都有重要影响[6]。预应力过大，会对结构本身产生额外的压力而起拱，从而增加用钢量；预应力过小，则拉索的功能得不到充分发挥且在风荷载的吸力作用下拉索有可能出现松弛。

通常情况下，预应力设计应该满足以下3个条件[7]：

1）尽量使结构在自重和恒荷载作用下的挠度接近零；

2）在结构正常使用过程中，拉索在任何工况下均不会松弛；

3）在满足前两个条件的前提下，使结构应力水平最低。

拉索的最佳预应力计算过程较为复杂，一般在设计中采用式（1）进行计算[8]

式中：F——拉索预应力；

q0——结构自重和恒荷载；

l——跨度；

f1——上弦拱的矢高；

f2——下弦索的中央矢高。

经过简化计算和反复试算，确定张弦梁内的拉索预应力为475 kN，张弦桁架的拉索预应力为4 120 kN，水平索的预应力为230 kN。

此时，仅在恒载和预应力作用下，采光顶和幕墙整体结构的z向位移为11.7 mm（↑）和-13.7 mm（↓），其中采光顶部分的位移为2.8 mm（↑）和-3.4 mm（↓）。见图7和图8。

图7 整体位移（仅恒载和预应力）

图8 采光顶位移（仅恒载和预应力）

3 结构整体静力分析

考虑由恒荷载、活荷载、风荷载、雪荷载、温度效应、拉索预应力组合而成的荷载基本组合和标准组合[5]。

经分析，采光顶和玻璃幕墙整体结构中，除拉索外，钢结构最大应力为284.4 MPa，小于Q355B钢材的强度设计值295 MPa；最大应力仅出现在张弦桁架拉索端部节点附近，其余部位的平均应力水平不高。见图9。

图9 整体应力（除拉索外）

拉索最大应力为505.1 MPa，远小于高钒索的极限抗拉强度1 670 MPa且拉索在任何荷载组合下未出现松弛。见图10。

图10 拉索应力

采光顶和幕墙整体结构最大位移为83.6 mm；其中，采光顶部分的z向位移为83.3 mm（↑）和-33.9 mm（↓），挠度＜L/250=198 mm[9]；玻璃幕墙部分的面外水平位移为80.3 mm（向内），变形＜L/250=198 mm[10]，满足设计要求。见图11-图14。

图11 整体位移

图12 采光顶z向位移（↑）

图13 采光顶z向位移（↓）

图14 幕墙位移

对于张弦桁架，由于玻璃幕墙及吊杆立柱是安装在张弦桁架外侧上弦杆件上的，内外两侧上弦杆受力不一致，因此，张弦桁架在受弯的同时，还发生一定的扭转。

4 关键节点设计

张弦结构的关键节点包括拉索端部节点、支座节点、撑杆上节点、撑杆下节点等；不论是张弦梁还是张弦桁架结构，都需要对其关键节点进行设计。

鉴于目前国内外对撑杆上下节点和支座节点的研究都比较成熟且其构造相对简单，本文不再赘述。

由于本工程中张弦梁和张弦桁架的拉索预应力较大，同时张弦桁架的拉索端部节点附近受力较为复杂、应力较大；因此应针对拉索端部节点进行加强设计。见图15和图16。

图15 张弦梁拉索端部节点

图16 张弦桁架拉索端部节点

5 结论

1）本文针对某建筑的采光顶和玻璃幕墙进行了整体设计和分析，对张弦梁和张弦桁架的拉索预应力进行了设计和优化并对关键节点进行了加强设计。分析结果表明：整体结构强度及位移均满足设计要求，结构体系合理、具有良好的力学性能。

2）张弦结构中的拉索预应力能够在很大程度上提高结构的刚度，较好地减小荷载产生的变形。通过拉索预应力设计和优化，结构仅在恒载和预应力作用下的挠度较小，此时拉索预应力产生的弯矩能够基本抵消恒载产生的弯矩，上弦梁或上弦桁架以承受轴力为主。

3）由于本工程的玻璃幕墙及吊杆立柱是安装在张弦桁架外侧上弦杆件上的，内外两侧上弦杆受力不一致，因此，张弦桁架在受弯的同时，还发生一定的扭转。这点需要在类似结构设计和施工时引起注意。

4）拉索预应力能减小结构对支座的水平推力，使之成为自平衡体系，从而降低基础的负荷。

5）当结构受到风吸、负温差等可能使拉索松弛的作用时，应对拉索预应力进行优化和验算；保证结构正常使用过程中，拉索在任何工况下均不会松弛。□■