预应力索结构点支式玻璃幕墙的设计与施工要点技术0806R2.docx
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预应力索结构点支式玻璃幕墙的设计与施工要点技术0806R2
预应力索结构点支式玻璃幕墙的
设计与施工技术探讨
曹松华
预应力拉索结构点支式玻璃幕墙是近几年国际上流行的最有现代感及富生命力的幕墙形式，科技含量高，设计、施工难度大。
其支撑结构是钢丝索通过合理布设，经过施加预拉力后所形成的预应力悬索结构，又称索桁架。
这种幕墙的支撑系统为预应力双层悬索体系，其承载能力强,轻盈美观，通透性好，结构简单形式多样，视觉效果及佳。
（如图1）
一、预应力双层悬索结构点支式玻璃幕墙在设计中需要注意的问题
１、悬索的布置形式应与建筑主题相呼应、环境相协调
双层悬索体系是由一系列凸凹曲线（钢丝索）和他们之间的连系杆（悬空杆）所组成。
双层索系的承重索、稳定索和联系杆一般都布置在同一平面内，其外形和受力特点类似于传统的平面桁架所以又可称双层悬索体系为索桁架。
索桁架的索布置形式可以是多种多样，通过施加预应力来达到稳定的支撑作用。
因索桁架的钢索和节点都是裸露展现出来，在设计中除了要全面的考虑其受力性能外，还应艺术的眼光去看索桁架的体形，可以将各种索桁架的索布置形式视为抽象的语言符号，好似美术家们给色彩确定个性特征一样，使每一种索的布置形式有个性，能与建筑师对建筑物主题思想相呼应，这样才能使索结构点支式玻璃幕墙在整体建筑中起到突出主题或画龙点睛的作用。
２、索内预应力值确定时需要考虑的因素
预应力悬索结构属柔性结构，在没有施加预应力之前索桁架是没有刚度的，其形状也不能确定，必须施加适当的预应力才能使索和连系杆赋予索桁架一定的形状，才能成为承受外荷载的索结构。
在给定的边界条件下，所施加的预应力系统的分布大小和所形成的结构初始形状是相互联系的，这是索桁架自平衡内应力系统的建立，如何最合理地确定这一“初始平衡状态的确定”，这是索网结构设计中的一个关键的所在。
索结构幕墙的边界条件对受力索分布有很大的影响，受力索的竖向布置和水平布置将对承重索和稳定索产生很大变化（如图２）。
A、索结构点支式玻璃幕墙索桁架中受力索主要是承受风荷载，抵抗正负风压及水平地震荷载，其布置形式、垂度尺寸、垂跨比的大小、预应力施加的大小都直接影响索桁架的刚度和幕墙的性能，垂跨比是双层索系工作性能的重要几何参数，根据索布置的不同形式一般确定受力索的垂跨比H/L=1/10~1/15为易。
（如图3）
B、承重索主要是支撑玻璃自重和部分结构件的重量，同时还应考虑在参与结构整体变形时的内应力。
C、稳定索主要是用来稳定受力索桁架的体形，控制或减少受力索桁架，在受荷载时的平面外变形量，保证幕墙悬索支撑体系的性能。
1）、受力索（前、后）的预应力值确定时需考虑的因素。
①、所使用地区的风压值，地震设防指标，体形系数，地面粗糙度等的直接荷载力。
②、温度变化应力：
δ=〆·E·ΔT
其中：
〆——材料试膨胀系数；
E——材料弹性模量（N/mm2,Mpa）；
ΔT——温度变化值（℃）。
其中：
ΔT为正值时，升高温度，〆T为正值，
ΔT为负值时，降低温度，〆T为负值
③、保持索桁架刚度的剩余张力（保留张力）计算公式：
索单元可看成为杆件单元剩余张力（保留张力）
T=1.6093（EAW2L2）1/3
公式中符号含义：
E——弹性模量：
A——样件载面面积；
W——钢丝绳单位长度重量；L——节点间长度。
④、边缘支撑力（支座反力）
2）、承重索的预应力值确定时需考虑的因素。
①、玻璃的自重荷载、驳接系统和部分结构的重力荷载。
②、安装检修时动荷载（取系数1.2）
③、安装时温度、温度变化范围。
④、剩余张力
⑤、边缘支撑力（支座反力）
3）、稳定索预应力值确定时需考虑的因素
①、根据幕墙的体型和稳定索的体形来确定是否增设弹性机构。
②、稳定索一般不参与结构受力，在索桁架产生受力变形时，稳定索通过视觉，随着变形，而没有很大的索内力增加。
③、保证在任何条件下（温度、受正负风压地震等）保持索的直线度所需要的内力。
④、索型的选定
钢丝索的选型号对索桁架的确定有着非常重要的意义，钢丝索型的
选定在选型中应该选择弹性模量较大的索型，在下料之前进行预拉伸，目的在于消除或尽可能的减少松驰现象，使其在弹性变形状态中工作。
同时还要考虑外型美观不易单丝断的情况。
⑤、连系杆（悬空杆）在设计时需要考虑的因素
1）、有足够的支撑力，特别是在钢索的夹紧和空透部位，要有足够的强度和刚度（细长比一般在1/10~1/20之间）
2）、连系杆是固定索桁架体型的关键结构件，其定位点的尺寸精度要高，同时考虑外形美观有装饰性。
3）、在连系杆与索的夹紧外要设置防止滑移机构，确保在使用过程中，不松动、不变位、保证使用性能。
3、索结构点动工玻璃幕墙对玻璃驳接系统的要求：
索结构点支式玻璃幕墙的玻璃与索桁架支撑结构的连接是由一整套金属驳接装制来实现的。
（如图4）
玻璃通过连接机构固定在支撑索结构的悬空杆上，从而形成完整的玻璃幕墙体系。
作用于幕墙壁上的荷载通过驳接爪、调整座传递到索桁架的悬空杆上，又通过索桁架将荷载传递到建筑物的主支撑结构。
点驳接玻璃幕墙的驳接系统在受荷载时的支撑与变位补偿情况（如图5）
（1）点驳接幕墙的玻璃是通过玻璃上的孔将驳接头与玻璃连成一体，可采用四点连接也可采用六点、八点连接。
玻璃自重是由上部两角处的驳接头来支撑的，玻璃始终是吊挂在驳接头上的，其它部位的驳接头主要是起抵抗正负风压和变位补偿作用。
（2）驳接头
在点支式玻璃幕墙中驳接头起着重要的连接,支撑和保证幕墙性
能的作用。
密封环常采用软金或非金属软质材料制作，其工作状态是通过驳接头上的压紧环将其压紧使之与玻璃孔内臂和驳接头紧密压合在一起，在受力时起到缓冲作用和拉紧作用，同时，也是保证幕墙性能中的气密性和水密性的一个重要环节。
所以要求密封环使用的材料要有很好的耐老化、耐腐蚀性能和良好的耐侯性能。
驳接头主要分两种：
一种是头尾固定不动的，一种是在头部装有球头可万向转动，在玻璃受荷载变形时，头部可以随之转动，减少玻璃孔部在变形时的应力集中。
（3）驳接爪
驳接爪的重要作用是将幕墙玻璃所受的荷载传递到支撑结构上，同时将多块玻璃连接成整体幕墙。
其形状可根据幕墙性能和装饰效果来确定。
但必须保证双长孔支撑或配套的壤块支撑孔。
（如图6）
爪的尺寸大小与玻璃的尺寸分割有关，一般情况下，玻璃分割块越大，爪的孔距“h”也就越大，在用4点支撑玻璃时可按（
h/2=5%~10%的单片玻璃边长）来计算，选择爪的尺寸。
（4）调整座
调整座的作用是用来支撑幕墙玻璃和驳接系统的使之与支撑结构连接。
同时还有补偿在安装支撑结构过程中出现尺寸的误差的作用。
确保驳接点准确地与玻璃孔相对应，保证幕墙的设计效果。
（如图7）
（5）驳接系统材料的选择
用来加工制作驳接系统的材料按使用性能来要求必须有很好的强度和表面抗腐蚀能力，一般采用不锈钢材料（也有用碳素钢表面进行防腐处理的）
4、点支式玻璃幕墙对使用玻璃的要求：
从安全上考虑尽量采用钢化夹胶安全玻璃。
（1）玻璃按类型可分以下几种：
a、单片钢化玻璃
根据设计计算确定单片钢化玻璃的厚度，可选择8mm、12mm、15mm、19mm玻璃。
从经济实用的角度考虑在满足计算要求的情况下，以选择12mm、15mm钢化玻璃为宜。
b、钢化夹胶玻璃
钢化夹胶玻璃组合种类很多，根据实践经验经选择12+6、12+8、10+8的组合比较适宜。
钢化夹胶玻璃安全性最好，隔音性通能良好。
而且有很好的阻止紫外线进入的作用，同时可通过改变胶膜着色达到种种艺术效果和适用功能。
c、钢化中空玻璃
钢化中空玻璃的主要功能是保温、隔音、其驳接头可选择内藏式和外露式两种，玻璃通常先择12+12A+6、10+12A+8。
d、其他面玻璃造型
面玻璃的选择可根据功能需要做各种特殊设计。
如钢化夹胶后再合成中空、双层中空、弯钢化玻璃、弯钢化夹胶、弯钢化中空、彩釉玻璃等等。
（2）、玻璃加工要求
点驳接玻璃幕墙上使用的玻璃在深加工的过程中要求严格，其尺寸误差和加工精度好坏都会对幕墙的使用性能有很大的影响。
a、玻璃的切角、钻孔等必须在钢化前进行，钻孔直径要大于玻璃板厚，玻璃边长尺寸偏差±1.0mm，对角线尺寸允许偏差±2.0mm，钻孔孔位允许偏差±0.8mm，孔距允许偏差±1.0mm，孔轴与玻璃平面垂直度允许偏差0.20孔洞边距板边间距大于板厚度的4倍以上，玻璃的边缘和孔洞边缘的精加工至少用200目以上的细磨轮。
b、PVB夹胶玻璃内层玻璃厚6-12mm，外层玻璃厚8-15mm，且外层夹胶玻璃厚度最小为8mm（当风力很小而且幕墙高度较低时酌情使用），夹胶玻璃最大单片尺寸不宜超过2m×3m，如经特殊处理或有特殊要求，在采以相应安全措施后要以适当放宽。
c、中空玻璃打孔后，为防止惰性气体外泄，在玻璃开孔周围垫入一环状金属垫圈，并在金属垫圈与玻璃交接处用聚异丁烯橡胶片保证密封。
d、单片玻璃的磨边垂直偏差不宜超过玻璃厚度的20%。
e、玻璃钻孔要求：
玻璃的钻孔尺寸精度和加工精度对幕墙安装
性能和使用性能影响极大，玻璃孔位的确定，应用电脑自动定位，确保孔位精度。
采用锥度钻孔进必须随时检查钻头的磨损情况，如有磨损必须及时更换，确保孔斜边的直线度和斜孔深度尺寸公差如（图8）所示：
在锥孔上φ1的公差带为+0.2mm、-0.1mm，Φ2公差带为+0.4mm、0mm，n深度的公差带为±0.2mm，h斜边的直线度0.8mm，在直孔Φ2与锥孔的过度处不得出现凸台接头和尖锐线，应自然过度。
（3）、钢化玻璃的均质处理（引爆处理）
点支式玻璃幕墙对玻璃的要求高，除在尺寸精度外还在必须进行
钢化处理，但从钢化玻璃“自爆”的特性来看，由于其自爆时间、自爆数量，哪一块玻璃自爆的不确定性，以及“自爆”的无法预检，给更换“自爆”的碎片也会对人产生伤害。
如何即保留钢化玻璃强度的特点，又避免“自爆”的缺陷，国际上针对该问题做了大量的研究工作，并成功研制了热冲击测试炉，自爆处理将钢化玻璃加工为均质玻璃。
浮法玻璃在生产过程中，由于矿物原料中含有微量的Ni和原料
中的微量S,在高温下发生反应产生Nis晶体，其晶体大小仅0.04~0.7mm，在浮法生产过程中其a-Nis（高温）在冷却过程中转化为β-Nis（低温），故在浮法玻璃中不产生“自爆”的问题，当玻璃钢化加热时，玻璃由β-Nis转化为a-Nis，但由于钢化的生产工艺只将玻璃加热到软化点左右淬冷，以获得表面后应力而形成钢化玻璃，而α-Nis由于冷却速度过快，不能转变为β-Nis，以不稳定的高温体存在于低温下，且由于其晶体转变时，体积发生膨胀，当Nis晶体在张应力层时，极易由于Nis的存在使其应力超过玻璃的强度发生破碎，即“自爆”。
均质玻璃的生产即将钢化玻璃放进热冲击测试炉中，通过快速
升温伪造成一个比使用环境更为恶劣的环境，产生热冲击力，首先使
由于应力不均匀、结石、微裂纹等产生自爆的玻璃提前破碎，然后再
将温度控制在280℃~295℃，促使其a-Nis向β-Nis转变，从而达到消
除“自爆”的效果。
通过热冲击测试炉生产出的钢化玻璃即成为均质
玻璃。
（4）玻璃的受力分析
点支式玻璃幕墙玻璃的受力分析：
作用于点支式幕墙上的荷载和
作用主要有：
平面内：
竖向重力荷载、温度作用平面内地震作用；
平面外：
风荷载、水平地震荷载。
对于点支式玻璃幕墙，起控制作用的是：
平面内为重力荷载，平
面外为风荷载。
玻璃的重量可以由驳接系统承受，也可以由专门承受重力的弹簧悬挂点来承受。
点支式幕墙玻璃为多点支承，玻璃在风力作用下出现弯曲，支
承点玻璃应力值与支承点结构有关，也有玻璃孔洞加工工艺有关。
孔洞加工工艺高、研磨仔细，残留微缺陷（如崩边、V型缺口等）少，则应力集中程度低，应力较均匀。
反之，应力集中程度高容易局部开裂。
此外，板弯曲后边缘翘曲，板面转动，如果支承头可以随之转动，则板受约束少，应力集中程度小。
反之，如果支承头固定不动，则板
边转角受限，板的应力迅速增高。
日本旭硝子公司对四点支撑玻璃孔洞周边应力进行过有限单元法分析，分析对象玻璃板为2m×2m，风压值2.0KN/㎡。
当有球铰支承头时，玻璃板中最大应力为45N/m㎡，孔洞边缘最大应力为45N/m㎡，均小于玻璃受弯强度标准值50N/m㎡。
但如果采用固定支承头，则孔洞边缘最大应力高达141N/m㎡，
远大于其强度标准值。
相应地，球铰支承头的板面应力稍大（因角部
约束减少），但仍在玻璃强度标准值（50N/m㎡）以内。
（5）对玻璃厚度的要求
浮头式支承头厚度无特殊要求，一般厚度不小于6mm，沉头
支承头要求锥形孔洞，玻璃不应小于8mm，如采用夹胶玻璃或中空玻璃，则外片厚度不应小于8mm，内片厚度不应小于6mm。
（6）玻璃面板计算（玻璃板面的计算及图表，参考赵西安、韩平元点支式玻璃幕墙设计《建筑结构》1999第9期）
a、面板的应力和挠度
面板的最常见支承条件为四点或六点支承（图9、10）,也会遇到一边为金属槽、另一边为点支承的情况，（图9），有时会采用四点嵌固（图10）
b、内力与挠度计算
面板的应力：
Ó=M/Ww=t2/6
式中Ó------板中应力（N/mm2）；
M------板的弯矩（N·mm/mm）；
W------板的截面抵抗矩（mm2）；
t--------玻璃板的厚度（mm）。
四点支承板最大弯矩发生的长边中点：
Mmax=moyqb2
式中b------板的长边（mm）
q------板的荷载设计值（N/mm2）
moy------长边中点最大弯矩系统，按表1查取。
四点支承板的最大挠度μ可按下式计算：
b4
D
U=μmaxqk
式中b------板的长边（mm）
qk-------板荷载的标准值（N/mm2）
μmax-------板挠度系统，按表1查取；
Et3
12（1-v）2
D------板的刚度（N·mm）
D=
v-----玻璃的波松比，v=0.2；
t------板的厚度（mm）；夹胶玻璃的等效厚度按表演2取用，中空玻璃的等效厚度取单片玻璃厚度的1.2倍；
E------玻璃弹性模量，取E=7.2×104（N/mm2）
四点支承玻璃板的最大弯矩系统Moy和最大挠度系统μmax表1
a/b
0.50
0.55
0.6
0.65
0.70
0.75
μmax
0.01417
0.01451
0.01496
0.01555
0.01630
0.01725
Moy
0.1303
0.1317
0.1335
0.1355
0.1376
0.1398
a/b
0.80
0.85
0.90
0.95
1.00
μmax
0.01842
0.01984
0.02157
0.02363
0.02603
Moy
0.1423
0.1449
0.1477
0.1506
0.1536
夹胶玻璃的等效厚度t（mm）表2
单片厚度t1
6
8
8
10
10
12
12
12
单片厚度t2
6
6
8
8
10
8
10
12
单片厚度t
9.2
10.8
12.2
13.9
15.3
15.7
16.9
18.4
三、预应力悬索结构点支式玻璃幕墙施工工艺
1、点式驳接悬索幕墙施工工艺
（1）施工工艺概述
①、钢结构安装到位后对钢结构的基准进行测量，同时详细记
录每榀钢结构的变位情况。
根据变位量确定驳接头的点位和拉索耳板的焊接位置，然后进行受力索的安装。
经调整后再进行承重索和稳定索的安装，校正后确定受力索、承重索及稳定索竖向桁架上的驳接座的位置并进行焊接。
②、拉索结构与驳接座安装结束之后要进行配重测试，配重的
重量按驳接座受玻璃重量的1.2~1.5倍设置。
配置的位置取幕墙中部1—5个控制单元进行。
③、驳接系统的安装是在全部结构校正结束后经报验合格进行
安装。
先按驳接爪分部图安装定位驳接爪，之后再次复核对每个控制单元和每块玻璃的定位尺寸，根据测量结果校正驳接爪定位尺寸。
驳接头的安装是与玻璃安装同时进行的，在玻璃安装前先将驳接头安装在玻璃孔上并锁紧定位，然后将玻璃提升到安装位置与驳接爪连接固定。
玻璃安装是从上到下先中间后两回事侧。
④、在玻璃安装结束后经调整报验后进行打胶处理。
⑤、施工顺序简图：
测量放线→预埋件校准→桁架的安装、焊接→校准检验→连接
受力拉索→施加预应力→校准检验→连接竖向承重拉索→施加预应力→整体调节整→校准检验→施加配重物→报监理核准→安装驳接系统→安装玻璃→调整检验→打胶→修补检验→玻璃清洗→清理现场→交检验收
（2）、施工工艺
①、测量放线
测量放线是确保施工质量最关键的工序。
必须严格按施工工艺进行，为保证测量精度，按施工图纸采用激光经纬仪、激光指向仪、水平仪、铅垂仪、光电测距仪电子计算机等仪器设备进行测量放线。
②、主控点的确定
为了测量准确、方便、直观，根据点支式玻璃幕墙在建筑图中的平面分布情况确定尺寸精度及主控点的位置，应在主控点位置设立标志牌，以便再次测量时基准点不变。
（3）、施工精度单元控制法
为减少安装尺寸误差积累，有利于安装精度的控制与检测，可人为的将墙分成多个控制单元，每个单元的确定可根据实际工程面玻璃分割的情况来确定，一般可按九分格的形式来确定，（如图11）
当控制单元确定之后，就应从测量放线到结构安装，纲丝索安装，玻璃安装，每次测量、核对、调整都以同一个单元尺寸来控制安装精度。
2、空间工装定位法
由于钢丝索桁架在施加预应力之前其体形是不确定的，没有支撑刚度，为确保安装精度，在有必要的情况下可采取工装空间定位。
将主要支撑点用支撑架、支撑杆等到二类安装，将索桁架主要支撑点在施工预应力提前定位，并以此为基准进行张拉。
3、钢丝索无磨擦张拉法
在索桁架中钢丝索的布置一般是采取多点折线来实现垂度体形的，一般索架与桁架之间应有固定支撑点，特别是采用水平索桁架支撑时更为明显。
（如图12）
所谓无磨擦也就是要求在钢丝索通过支撑桁架或支撑体时，索张拉的过程中不得因有磨擦力的阻挡而使索内力产生不均匀现象。
4、悬索的预应力的实现与检测：
用于固定悬空杆的横向和竖向接索在安装和调整过程中必须提前设
置合理其内应力值，才能保证在玻璃安装后受自重荷载的作用下结构变形在允许的范围内。
（1）、横向受力拉索内应力值的设定主要考虑如下几个方面：
一
是玻璃与驳接系统的自重；二是接索调整器的螺纹的粗糙度与磨擦阻力；三是连接拉索、锁头、销钉调整杆所允许承受拉力的范围；四是支撑结构所允许承受的拉力范围以及在施工安装时的温度等。
（2）、竖向拉索内应力值的设定主要考虑如下几个方同：
一是校准横向索偏位所需的力：
二是校准水平桁架偏差所需的力；三是螺纹粗糙度与磨擦阻力；四是拉索、锁头、销钉、耳板所允许承受的拉力；五是支撑结构所允许承受的力；六是玻璃与支撑杆的自重及施工安装时的温度应力。
（3）、拉索的内力设置是采用扭距通过螺纹产生力，用设置扭距来控制拉杆内应力的大小。
（如图13）
（4）、在安装调整拉索结束后用扭力搬手进行扭力设定和检测，通
过对扭力表的读数来校核扭距值。
最后使用“索内力测定仪”来检查内力值的大小。
5、配重检测法
由于幕墙玻璃的自重荷载和所承受的其它荷载都是通过悬空杆
杆结构传递到主支撑结构上的，为确保结构安装后在玻璃安装时拉索系统的变形在允许范围内，必须对悬空点上进行配重检测。
（如图13）
（1）、配重检测应按控制单元设置，配重的重量为玻璃在悬空杆上
所产生重力荷载的1.2倍以上。
G=配重玻璃×1.2~1.5，配重后结构的
变形量应小于2mm。
（2）、配重检测记录
配重物的施加应逐级进行，每加一级要对悬空杆的变形量进行一
次检测，一直到全部配重物施加在悬空杆上测量出其变形情况，并在配重物卸载后测量变形复位情况并详细记录。
二00三年八月六日
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