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哈尔滨国际体育会展中心预应力单索幕墙设计

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哈尔滨国际体育会展中心预应力单索幕墙设计
来源:中国幕墙网收集整理 　作者:刘长龙　　赵西安 　日期:2014-1-9
摘要：本文介绍了哈尔滨国际体育会展中心预应力单索幕墙结构设计，分析了预应力单索幕墙这一国内首次采用的幕墙支撑结构体系，并通过实验进行了验证。
　　关键词：幕墙结构、预应力单索幕墙、结构实验。
1.工程简介
　　哈尔滨国际体育会展中心是黑龙江省哈尔滨市重点工程，是全国首家将展览、会议和体育馆三部分功能统一规划布署，能举办大型展览和召开国际会议及进行国际性体育比赛的大型会展工程。工程位于哈尔滨市开发区红旗大街和长江路交汇处，占地面积63公顷，总建筑面积36万平方米。工程由三个主体建筑部分组成，1号工程展览体育中心，2号工程为一四星级酒店，3号工程是一座能容纳50000万人的体育馆(如图一)，为迎接第十六届哈洽会及申办冬奥会，1号工程于2002年3月开工建设，将于2003年6月底投入使用。

　　a.工程鸟瞰图              

 b.工程立面图
　　图一 哈尔滨国际体育会展中心立面图
　　2.幕墙简介
　　2.1幕墙结构体系
　　由于建筑功能及建筑艺术的要求，1号工程四周立面大面积采用了玻璃幕墙作为外围护结构，幕墙面积共33800平方米。两侧山墙及长江路立面标高15.00米以上采用了预应力索桁架点支式幕墙;黄河路立面大面积采用了铝合金明框幕墙及通风百叶;透光长廊部分采用了预应力单索幕墙，幕墙总长度561米，高12米，幕墙面积共5400平方米(如图二)。

a.总剖面图

b. 透光长廊透视图
　　图二 1号工程总剖面及透光长廊透视图
　　为与主体钢结构支撑柱15米间距相呼应，透光长廊单索幕墙抗风柱采用平行弦桁架，间距7.5米(如图三)。设计中考虑主体建筑伸缩缝的设置情况采用了单层索网45米跨张拉单元，在伸缩缝的左右两侧。设置了三角形空间钢构架，以增加单层索网结构体系的边界刚度。玻璃分格基本尺寸为1875mm×2800mm，面板玻璃采用的是12+12A+10钢化中空Low-E玻璃。沿玻璃水平及竖向分格处设置了φ22不锈钢拉索，用以承受水平及竖向荷载。

　　a.单元立面玻璃分格图

b.单元立面索网布置图

c.幕墙抗风柱剖面

d.竖向拉索剖需
　　图三 单索幕墙单元结构示意图
　　2.2幕墙结构传力途径
　　水平风荷载由玻璃面板通过矩形爪点传给竖向及水平不锈钢拉索，水平不锈钢拉索承受的水平荷载由幕墙抗风柱传递给抗风柱顶部钢结构及底部混凝土梁;竖向拉索承受的水平荷载一部分传递给底部混凝土梁，一部分由竖索顶部钢构架通过其两侧幕墙抗风柱传递给底部混凝土梁。幕墙自重由竖向拉索通过顶部钢构架和幕墙抗风柱传递给混凝土梁。
　　2.3幕墙结构的节点构造设计
　　2.3.1水平与竖向拉索构造节点
　　水平与竖向拉索采用矩形爪点的构造措施(如图四)，矩形爪点构造尺寸为260mm×80mm。为加强爪点抵抗水平负风压的能力，爪点采用了槽形构造。爪点外夹片与内夹片用不锈钢螺栓相连。在内、外夹片的背后，由两块带凹槽的压块通过四根不锈钢螺栓将水平与竖向拉索锚固锁紧。

　　图四 矩形爪点节点构造示意图
　2.3.2水平单拉索边部节点
　　水平单拉索的两端张拉在变形缝两侧的三角空间桁架上(如图五)，为加强边部节点与三角空间桁架的刚度，采用了加劲板的构造措施。在最大水平荷载作用，拉索的最大变形为150mm，为防止单索端头张拉装置中螺杆与矩形爪点夹具扭曲影响，采用半球铰夹具使螺杆在夹具内有万向±5°的旋转自由度。

　　图五 水平索边部张拉节点示意图
　　2.3.3竖向单拉索顶部与底部节点
　　在幕墙顶部设置片式钢桁架，用以承受竖向单拉索的拉力，竖向单拉索顶部调节张拉装置与水平单拉索相同，采用半球铰夹具，拉索固定锚固端螺杆在夹具内可有±5°的万向旋转自由度(如图六)。由于玻璃为脆性材料，在幕墙玻璃顶部采用了风琴板密封屏，用以防止主体钢结构及屋盖和单层索网变形导致玻璃破损的现象发生。

顶部节点

　　图六 竖向拉索顶、底部节点示意图
　　在底部设计有300mm高的大理石踢角，防止哈尔滨冬季积雪对玻璃清洁的影响。竖索的底部与顶部不同，拉索固定锚固端由锁头通过耳板与预埋件相连。
　　2.3.4伸缩缝处节点设计
　　主体建筑伸缩缝每45米一道，在其两侧各设置一榀三角形空间桁架，幕墙玻璃在伸缩缝处断开，用单独设计并开模的铝合金型材封边收口(如图七)。受温度影响时，每45米跨伸缩缝索网单元间相互不受约束和限制，保证了结构的安全。

图七 伸缩缝处节点示意图
　3.索网结构体系静力计算分析
　　3.1基本参数取值
　　3.1.1基本风压取WO=0.55KN/m2，地面粗糙度类别:B 类;风压高度变化系数μZ取1.0;风荷载体形系数μS取1.2;风振系数βZ取2.0；
　　3.1.2地震设防烈度：地震烈度为6度，抗震措施按7度考虑；
　　3.1.3玻璃配置为钢化中空Low-E玻璃，12(FT)+12A+10(FT)，自重0.6Kpa，弹性模量E=1.0×105N/mm2。
　　3.1.4水平及竖向拉索采用φ22不锈钢拉索。弹性模量E=1.25×105N/mm2，破断强度为304.80KN。
　　3.2索网体系空间计算
　　3.2.1结构计算模型
　　在索网体系计算中，选取7.5米跨进行空间有限元分析，计算模型如图八。在计算中其边界条件假定为：水平拉索与两端幕墙抗风柱、竖索与顶部片式钢桁架及底部考虑为铰接，约束三个方向线位移;幕墙抗风柱顶端铰接，约束平面外位移。水平与竖向拉索边界条件考虑足够刚性，索网不受主体结构变形的影响。索网尺寸为7500mm×12000mm。每个节点承受的荷载为：PK1=7.2KN, PK2=6.93KN，PK3=6.44KN，GK1=3.94KN，GK2=4.23KN 。

图八 单层网索体系计算模型
　　3.2.2构件截面
　　幕墙抗风柱采用Q345无缝钢管。水平与竖向φ22不锈钢拉索采用1×37规格单股绳，主要杆件截面　　见下表一：
表一

　　3.2.3索网强度及变形分析
　　为保证幕墙玻璃的安全，应控制单索网结构体系的变形，变形过大，会对幕墙玻璃造成不利影响;反之，单层索网变形控制过严，索的拉力亦随之增大，对单层索网边界的刚度要求就越高。单层索网本身不变形时，整个体系是没有刚度的，只有产生变形才有刚度，因而索网的挠度和结构刚度密切相关。随着荷载的增加，结构的位移在增加，随之结构刚度在增加。因而在相同荷载增量下，结构的位移增量随之减小，相应索的伸长量减小和索拉力增加的减少。为达到理想的设计效果，就要求在单层索网变形和索的拉力二者中求一个最佳的结合点。
　　表二，各种不同控制挠度变形下索的拉力与应力对照表

　　上表中，Fx 、Fy为x、y向的最大支座反力，L=7500mm，计算中考虑预张力70KN。从表中我们可以看出，在索的预应力相近，Z向挠度相差不大时，因其支座反力略小宜优先采用细的拉索。根据ANSYS有限元计算结果，拉力最大值出现在节点单元号6，最大拉力105.42KN，拉应力463.6N/mm2;最小值出现在节点单元号14，最小拉力81.16KN，拉应力356.3N/mm2。实际工程设计中，以L/50挠度限值来进行设计，索的拉应力合理取值范围界定在387~464.4Mpa。为增加单层索网结构体系安全储备，水平与竖向拉索采用φ22不锈钢绞线。
　　4.幕墙试验对幕墙设计的保证
　　4.1预应力单层索网结构是本工程的关键性结构，加工制作要求高，单根拉索的张拉工艺与施工方法较为复杂。其力学性能、单索的张拉工艺、设计中计算参数的取值及节点构造措施等均有赖于试验验证。本次试验在深圳三鑫公司索结构试验中心进行，试验检测由广东省建筑幕墙质量检测中心负责。
　　4.1.1试验目的
　　a.采集单层索网结构在各种分级荷载作用下的各种数据，和理论计算结果比较，积累和实测设计参数，验证设计的正确性;
　　b.检验单层索网的强度和变形是否满足要求;
　　c.通过实验验证单索结构的节点构造以及施工过程中可能存在的问题。
4.1.2测试过程与方法
　　本次试验选取的平面索网长边跨度为11200mm，分布3条单索，索间距从左到右依次为3000mm、2800mm、2800mm、2400mm;短边跨度为7500mm，分布3条单索，索间距均分为1875mm(如图九)。主索为1×37股φ22不锈钢绞线，每股直径为φ3.15mm。以沙
　　袋重量来模拟水平风荷载由玻璃面板通过矩形爪点传递来的集中力，每个节点的设计荷载为：PKA= PKB= PKC=7.20KN; PKD= PKE= PKF=6.93KN; PKG= PKH= PKI=6.44KN。

　　图九 单索结构试验示意图
　　试验过程：首先安装试验所用的吊蓝、水准仪、直尺、重物及位移计、百分表等试验工具及设备，然后对平面索网进行预张拉，预张拉力70KN，以短边跨度的两端节点为参照物记录位移初始值。分别施加0.25PK、0.5PK、0.75PK、1.0PK的设计荷载，保持10分钟左右，记录各个荷载值下的位移值。
　　4.1.3测试结果
　　各个节点不同荷载情况下索网位移与拉力见表三、表四、表五
　　表三 A、B、C三个节点位移与内力数据表

 表四 D、E、F三个节点位移与内力数据表

　　表四 G、H、I三个节点位移与内力数据表
*
　　试验中最大变形出现在B节点，最大位移140.90mm，与理论计算误差率3%;最大索拉力103.73KN，与理论计算误差率1.6%;最小拉力90.33KN，与理论计算误差率3%，实测数据比理论分析略小，但误差皆在5%内，验证了设计当中计算参数取值及理论分析是比较可靠的，能真实的反应单层索网结构实际情况，并且从另一个方面说明了试验结果是可信的。
　　由此我们可以得出结论：本工程采用直径为φ22的水平与竖向单层索网结构体系，在预张力为7吨时索网的强度储备和刚度均能满足设计要求，即安全系数K=2.5~3.0，挠度f≤L/50。
　　作者简介：刘长龙，1975年12月生，助理工程师，深圳三鑫特种玻璃技术股份有限公司总经理助理兼技术总监，曾主持设计过的项目有：南京国际展览中心、重庆江北国际机场、宁波栎社机场、中山国际会展中心、深圳市少年宫等