本篇文章內(nèi)容由[中國幕墻網(wǎng)www.englishjob.net]編輯部整理發(fā)布：
提要：本文主要介紹了在我國首次采用的五跨豎向連續(xù)受力拉索（詞條“拉索”由行業(yè)大百科提供）結構體系的預應力施加、控制和檢測，以及曲面幕墻的空間定位、安裝精度控制等。回顧深圳市少年宮弧形索結構玻璃幕墻在二十年前設計與施工時總結的經(jīng)驗，介紹了一種經(jīng)過多年實際使用安全可靠的玻璃幕墻支承體系的索桁架形式，“魚尾式索桁架”的工作狀態(tài)及設計與安裝。
關鍵詞：預應力索桁架 魚尾式索桁架 預應力超張拉 配重檢測。
1、引言
在2020年10月份，我有機會去了一趟正在開放營運中的“深圳少年宮”。我被那里豐富多彩的活動和小朋友們井然有序的秩序所打動。我這個年齡的人對兒童有著一種特殊的親切感，我對這棟玻璃建筑更有著深刻的印象。
深圳少年宮位于深圳市福田中心區(qū)，建筑面積5.29萬平方米，工程由少年山、科學山和水晶石大廳組成。水晶石大廳在整個建筑中部，外形為直徑50m，高30m,的弧形玻璃幕墻。其主要支承結構是由φ18mm不銹鋼（詞條“不銹鋼”由行業(yè)大百科提供）鉸線經(jīng)預張拉形成的雙層索系索桁架。這個項目建成于2001年11月并投入使用。
隨著空間索結構設計與施工技術的發(fā)展，許多新思想、新技術、新材料和新工藝被開發(fā)出來，并成功應用到建筑外圍護的設計和建造上。從而使建筑幕墻、玻璃采光頂以及由建筑玻璃為載體的各種大型,有著強烈藝術感染力的造型體，在近年來獲得飛速的發(fā)展。這些技術給建筑設計師們提供了有著很高現(xiàn)代技術含量的藝術表現(xiàn)手段。在建筑藝術的塑造上得到了廣泛的應用。
作為不斷發(fā)展中的前沿建筑技術，索結構是一種較活躍的結構類型。工程師們充分發(fā)揮鋼材抗拉性能好的特性，利用對鋼索的各種布設形式來適應透明的玻璃幕墻的造型。這項技術我在二十年前就開始了相關技術的探索。
點支承玻璃連接技術，因安全可靠的連接構造早已廣泛應用于各類建筑之中。已從剛架（詞條“剛架”由行業(yè)大百科提供）、桁架、網(wǎng)架、玻璃肋等剛性支承體系，發(fā)展到基于預應力張拉技術的柔性支承體系。柔性結構體系與點支式玻璃結合使用，將二者輕盈、通透的共性發(fā)揮到極致。使建筑內(nèi)外空間自然和諧的融為一體。
我站在水晶石大廳的中央，仰視著由不銹鋼索組成的銀色結構，支撐著弧形玻璃幕墻和采光頂。不時的想起在20年前我在設計和組織施工這個建筑時的場景深為感動。
該建成于2001年的11月到今天已經(jīng)已經(jīng)等20年了但是無論是從建筑設計，結構造型，還是幕墻的節(jié)點形式，工作狀態(tài)都表現(xiàn)的非常良好。一直都是深圳青少年重要的活動基地。
我在現(xiàn)場，對我當年親自重點測試監(jiān)控的那幾根不銹鋼索進行了簡單的測試，感到工作狀態(tài)很好，安全度很高。當年在設計和施工過程的很多擔心是有必要的迫使我們做了很多細致的工作。今天看來這些工作都是切實可行的。我還清楚的記得，為了保證這種索結構形式在每一支承段內(nèi)力均衡。研究了很多方法。最后確定了，預應力超張拉的施工方案和配重檢測法。為后來索結構玻璃幕墻在國內(nèi)的廣泛應用打下了基礎。
這個項目是我在國內(nèi)最先探索使用了魚尾式雙層索系作為玻璃幕墻的支承結構。并總結了一整套設計與施工技術。我看著這塊玻璃幕墻在經(jīng)歷了二十年的風雨考驗后，仍有著良好的工作狀態(tài)，真的很感驕傲和自豪。在回看我當年的設計和施工總結時，我覺得有必要將這個項目的一些關鍵技術再一次介紹出來。給今天的幕墻設計師們一點啟發(fā)。
2、預應力索結構的設計
在二十年前對于這樣的項目是沒有任何資料可以借鑒的。當時建筑師給的是外立面效果圖和鋼結構布置圖。幕墻的支承體系由我們自行設計。我利用了鋼結構的環(huán)形梁，布置了雙層索系索桁架，以此作為弧形玻璃幕墻的支承結構。
在設計初期布置的是魚腹式索桁架。但是感覺到失高有些大，這樣會造成腹桿會很長，影響視覺效果。經(jīng)過優(yōu)化后，將索桁架的前后受力索在中部并攏，形成了一種全新的雙層索系支承形式。我們經(jīng)過對這種索系的1:1實體靜力試驗和測試確定了方案是可行。由于體型輕盈，造型美觀得到了建筑師的高度贊揚。
由于這樣新穎的雙層索桁架樣式的兩端索形像魚的尾部，所以我們稱之為“魚尾式索桁架”，正好和“魚腹式索桁架”相對應。深圳少年宮這個項目就是在國內(nèi)采用“魚尾式索桁架”支承的點支式玻璃幕墻的第一個項目。這個項目的建成也標志著索結構支承玻璃幕墻逐步走向成熟。
2.1、預應力索桁架結構形狀與布設
水晶石大廳的圓柱形玻璃幕墻，是由多片曲面玻璃組成，這就要求每個支撐點有極高的尺寸精度，每片玻璃的形狀和尺寸誤差要控制在很小的范圍內(nèi)，施工中尺度精度能否達到設計要求是整個施工成敗的關鍵。
預應力懸索桁架屬柔性結構，其支撐剛度是通過預應力的施工而形成的，在索桁架形狀確定后，其支撐剛度的大小和每榀索桁架的剛度是否一致都取決于施加預應力值和預應力是否均衡。索桁架的空間定位和均衡施加預應力是保證玻璃安裝精度和受力平衡的關鍵工序，是本工程的施工難點。
2.1.1 、由于本工程為少年宮，是青少年的活動園地，在索桁架結構形狀確定時考慮到結構的形體語言與建筑主題相適應，選用了具有蓬勃向上為內(nèi)含的Y形多跨豎向連續(xù)受力拉索結構體系，這種結構形式在我國是首次被使用在幕墻結構上(如圖2)。
后受力索A-A'、前受力索B-B'、承重索B-B'都是整根連續(xù)索，通過懸空腹桿和固定（詞條“固定”由行業(yè)大百科提供）撐桿上的連接夾塊固定鋼索形成索桁架結構形狀，其中，A'和B'為固定端，A和B為調(diào)整端。
2.2、預應力鋼索的選用
鋼索直徑的選定除考慮到能承受50年一遇的最大荷載和邊緣結構對其影響;同時考慮到視覺感受及心理因素。在本工程的主受力索(前受力索和后受力索)和承重索都選用1×37，直徑為φ18mm的不銹鋼鋼絞線。其最小破斷力為191 KN,彈性模量E=1.45×105N/mm2 ，懸空桿和撐桿及駁接系統(tǒng)均選用1Cr18Ni9奧氏體不銹鋼件。玻璃采用深圳三鑫公司生產(chǎn)的2442mm×1988mm的拱高為30mm的10FT+2.28PVB+10FT透明圓弧形曲面彎鋼化夾膠玻璃，其透光率為76% 。(在這里說明一下：在當時中空玻璃還沒有大面積的推廣。為了實現(xiàn)建筑師的高通透，內(nèi)外呼應的要求，我們選用了夾膠彎鋼化玻璃作為水晶石大廳玻璃幕墻的主要材料。)
2.3、索桁架預應力值的確定
索桁架預應力值的設定和預應力平衡的施工方案決定著本工程的成敗。水晶石大廳的索桁架支撐體系，是由90條φ18mm的豎向前后受力索、63條φ18mm的垂直承重索和756條φ10mm的水平穩(wěn)定索組成.最大高度為27900mm。豎向前后受力索的預應力值設定考慮的因素有：受最大荷載作用時反向索內(nèi)力大于零的應力、溫度變化應力、保持索桁架剛度的應力(剩余張力)、保持索桁架剛度(50年)松馳應力。經(jīng)SAP8450和ANSYS5.4電算軟件作平面和空間整體計算確定：在合攏溫度在20℃-25℃時，前后受力索預拉力P1=29KN，垂直承重索的預拉力值P2=33KN。(在這里說明一下：在二十年前能利用有限元軟件進行受力分析和安全度的分析，已經(jīng)是很高大上的了。是最前沿的技術)(見圖)
3、主要施工安裝技術
測量放線空間定位→尺寸精度控制單元的確定→連接耳板固定撐桿安裝→前后受力索安裝調(diào)整→承重索安裝調(diào)整→索內(nèi)力檢測調(diào)整定位→水平索安裝定位→駁接系統(tǒng)安裝→玻璃安裝→調(diào)整打膠收口→交驗。
這一整套安裝順序今天看來都是索結構玻璃幕墻安裝的常規(guī)做法。而在當時確實經(jīng)過了各種情況的分析和步驟推演才確定下來的。真正為后來在索結構玻璃幕墻施工安裝工藝的編寫提供了依據(jù)。
3.1、空間尺寸定位
由于本工程是曲面點駁接幕墻玻璃是靠邊緣的四個孔通過駁接系統(tǒng)與索桁架連接，這就對預應力索桁架的安裝尺寸精度有著極高的要求，按可調(diào)整度確定索桁架上的每個支撐定位點誤差必須控制在±1.5mm以內(nèi)，因此我們采用了三維空間坐標定位的方法。對每一個支撐點進行尺寸精度控制，同時設定尺寸控制單元和觀測點，防止誤差積累，對整體圓弧面進行幾何尺寸控制(如圖3)。每一個尺寸控制單元水平和豎向誤差控制在±3mm以內(nèi),對角線誤差控制在±5mm以內(nèi)。
3.2、施加預應力
在每榀索桁架內(nèi)，前受力索和后受力索的預應力值誤差要控制在1.5KN以內(nèi)。各榀索桁架中鋼索預應力值誤差控制在2.5KN以內(nèi)。
3.2.1、在國內(nèi)首次創(chuàng)新采用了超張拉技術達到內(nèi)力平衡
在索桿布置的初期，我們是將每一個受力跨作為一段索進行分布的。這樣就出現(xiàn)了在環(huán)形梁的上下都有固定節(jié)點。影響視覺效果。同時，在施加預應力時也會由于上下相鄰的兩跨之間內(nèi)力不同，對于環(huán)形梁會產(chǎn)生一定的附加應力。會影響其穩(wěn)定性。經(jīng)過細致的模擬分析和試驗，最終確定了采取一根通長的鋼索，從下到上整體受力。在環(huán)形梁的節(jié)點處，采用可滑移的節(jié)點設計，使其每跨索結構的內(nèi)應力保持一致。
豎向受力索桁架是采用整條索通過固定支點形成的多榀桁架。在預拉力施加時只能在一端進行，當預拉力通過固定支點時，因磨擦阻力等因素造成的內(nèi)力損失，經(jīng)試驗證明每通過一個固定支點其內(nèi)力損失為10%左右，會出現(xiàn)內(nèi)力不平衡的現(xiàn)象，為消除此現(xiàn)象，我們采用了超張拉的方法。
在施加預應力時根據(jù)單根索所通過的固定支點的數(shù)量按損失的內(nèi)力值來確定超張拉力。經(jīng)12小時持荷后將超張拉值松馳到設定的預拉力值后達到內(nèi)力平衡。
3.2.2、預應力張拉步驟
首先安裝垂直承重索并將預應力值一次施加到位，然后安裝受力索。前后受力索必須同時在一端張拉，分四步進行：①在索布設結束后先進行第一級張拉,按總預拉力值的20%控制拉力.②經(jīng)調(diào)整達到內(nèi)力基本平衡,空間定位基本到位后進行第二級張拉，按總預拉力值的80%控制拉力。當拉力到位后粗調(diào)懸空桿的位置并保持拉力48小時再進行定位尺寸調(diào)整。③當內(nèi)力穩(wěn)定后測量每榀桁架的內(nèi)力損失情況，確定超張拉值進行超張拉，并持荷12小時。④當超張拉內(nèi)力穩(wěn)定后將內(nèi)力放松至100%的預拉力控制值，經(jīng)測量調(diào)整后使每一榀索桁架的內(nèi)力均達到預張拉值后將節(jié)點固定鎖緊并與垂直承重索連接鎖緊(如圖5)。
3.3、索桁架檢測
經(jīng)預張拉后的索桁架要按尺寸控制單元進行全面的尺寸精度檢測確保安裝節(jié)點的精度。索內(nèi)預拉力值的檢測使用索內(nèi)力測定儀進行100%檢測，并記錄在案。同時進行跟蹤測量。為確保在玻璃安裝后的桁架變形量達到設計要求，必須采用配重檢測的玻璃安裝前進行。配重的重量按玻璃自重的1.2~1.3倍。觀察支承結構系統(tǒng)的工作性能和抗變形能力。(這里提到的配重檢測，也是后來為索結構玻璃幕墻安裝工藝的確定提供的第一手資料。)
3.4、曲面玻璃的質(zhì)量控制與安裝
曲面玻璃的彎曲尺寸必須按模板進行彎鋼化成型檢查，與標準弧線吻合度±2.5mm,弦長尺寸公差為±2mm。水平孔位和豎向孔位的尺寸公差為±0.5mm。
彎鋼化玻璃必須進行100%的均質(zhì)處理(引爆處理)降低鋼化玻璃的自爆率，保證玻璃幕墻的使用安全性能。
玻璃安裝的原則是先上后下，先中部后邊緣，采取邊安裝邊調(diào)整的辦法，待全部玻璃安裝后進行整體調(diào)整，達到設計要求后進行打膠收口處理。
4、 結束語
近年來，由于建筑技術的發(fā)展和建筑形式的多樣化、個性化處使各種新技術、新工藝、新材料在建筑外圍護上得到廣泛的應用。特別是作為不斷發(fā)展中的前沿建筑結構技術索結構，是一種較活躍的結構類型。對于建筑師和幕墻工程師來說，索結構支承體系的外圍護結構已經(jīng)成為常見的形式。對于幕墻行業(yè)來說對此類幕墻的設計與施工技術也已日趨成熟。但是，新的支承結構體系還將不斷出現(xiàn)。仍需要我們?nèi)タ偨Y新的技術。
值得一提的是，由于當年對該項目的設計到施工各方面的探索，和總結。形成了一整套技術資料。為我在后來編寫國家標準時，提供了第一手技術資料和數(shù)據(jù)。
本文中所介紹的內(nèi)容和設計方案都是我在當年方案設計和工程實踐中的一點經(jīng)驗總結，如果能給建筑外圍護體系設計的同仁們提供一些有益的啟發(fā)也就深感欣慰了。
參考文獻
[1] 《施工圖、設計說明書》，深圳少年宮點支式弧形玻璃幕墻，2001.3
[2] 《索結構技術規(guī)程》JGJ 257-2012，行業(yè)標準，2012.8
[3] 王德勤，點支式弧形玻璃幕墻設計與施工技術，《2010年全國鋁門窗（詞條“門窗”由行業(yè)大百科提供）幕墻行業(yè)論文集》,
作者單位：北京德宏幕墻工程技術科研中心
