1、淺談拉索（桿）與框架結構復合體系在大型公建項目中的應用江蘇合發集團有限責任公司周 東 劉長龍 李亞明 【提 要】拉索（拉桿）與框架結構復合體系是采用豎向拉索或拉桿支撐幕墻的豎向重力荷載，而由水平向的框架構件承受幕墻水平荷載的一種結構體系，其作為大跨度框架結構幕墻形式的一種，具有良好的建筑立面裝飾效果，和較少的幕墻構件遮擋，是大型公建項目大跨度框架幕墻的一種新型結構體系。 【關鍵詞】大跨度 索桿結構 橫向主受力一、前言拉索（拉桿）與框架結構復合幕墻是屬于框架幕墻的一種形式，但其結構受力形式有別于傳統的框架幕墻，本文結合幾個已完工的工程實例，立足于此系統的結構受力計算及各類型的節點構造分析研究，介

2、紹了此系統在大型公建項目中的適用情況及注意點，并分析了其相對于常規框架幕墻、點式幕墻所存在的特點及優點，為以后類似工程提供一些工程經驗及設計思路。二、概述在大型公建項目（機場、會展類工程）中，如何更好地解決大空間、大跨度幕墻結構受力體系問題以實現最優的建筑立面效果，一直是建筑師、幕墻設計師所共同努力的方向。而目前最常用的幕墻手法主要是以點支式玻璃幕墻為主，索桁架、桿桁架、單層索網、自平衡、肋駁接等各種類型的點式幕墻因其新穎的結構造型、通透的視覺效果深得廣大建筑師的喜愛。而傳統框架式幕墻因其結構體系受限，擺脫不了粗壯、密集的鋼結構，漸漸的淡出了大型公建項目的舞臺。近年來，新興出現的拉索（桿）與框

3、架結構復合體系，因其兼備框架幕墻的線條感和點式幕墻的結構通透性，吸引了諸多建筑師的目光，并在各類大型公建項目中嶄露頭角。拉索（桿）與框架結構復合幕墻的結構設計原則，主要由幕墻橫向構件來承受大跨度幕墻的風荷載和水平地震荷載，幕墻的自重荷載由豎向的拉索（桿）來承擔。而豎向的拉索（桿）可以隱藏于玻璃板塊的豎縫位置，減少結構構件的外露，達到良好的外視效果。三、系統適用因為拉索（桿）與框架結構復合幕墻主要采用橫向構件承受幕墻的水平荷載，所以，玻璃板塊受力模型通常為上下邊對邊簡支板，故玻璃板塊宜采用橫向長條型分格尺寸。圖1為北京首都機場T3航站樓EWS-1系統的典型局部立面，玻璃分格尺寸為3500mm（寬

4、）×1800mm（高），玻璃采用12+1.9PVB+12+16A+15的中空鋼化夾膠LOW-E玻璃，鋁合金橫梁跨度為10.5m。圖1北京首都國際機場T3航站樓局部立面圖2為福州海峽國際會展中心會議中心的典型局部立面，玻璃分格尺寸為3000mm（寬）×2000mm（高），玻璃采用8+1.52PVB+9+12A+10的中空鋼化夾膠LOW-E玻璃，橫梁跨度為9m。圖2福州海峽國際會議展覽中心局部立面圖3為常州博物館的典型局部立面，玻璃分格尺寸為2200mm（寬）×1200mm（高），玻璃采用8+12A+8的中空鋼化LOW-E玻璃，鋁合金橫梁跨度為6.6m。圖3常州博物館

5、局部立面所以，拉索（桿）與框架結構復合幕墻適用于大跨度結構、建筑立面強調橫向線條、板塊分格以橫向長條形大分格為主的建筑類型。四、節點構造設計1、隱藏式拉索與橫梁連接節點-拉索 -鋼板連接件 -拉索緊固件 -鋁合金壓板 -EPDM膠條 -鋼橫梁 -鋁合金蓋板 圖4隱藏式拉索與橫梁連接節點面為了達到最優的立面效果，設計通常將豎向吊索隱藏于玻璃板塊的豎向拼縫位置，鋼橫梁通過特制的緊固件與通長拉索固定，所有的連接構造在幕墻十字接縫處的內部空間完成。拉索穿過鋼板連接件的孔位設計成大圓孔或長圓孔，以減少橫梁在風荷載作用下的變形位移對拉索受力產生的影響。因橫梁跨度通常都比較大，所以設計采用鋼橫梁作為主受力構

6、件，可以優化結構受力性能，從而獲得更小的桿件截面和更低的經濟投入(圖4)。2、不銹鋼拉桿與橫梁連接節點-不銹鋼拉桿 -拉桿套管 -中空玻璃 -H型鋼橫梁 圖5外露式拉桿與橫梁連接節點 -不銹鋼拉桿 -拉桿調節端 -鋁合金連接滑塊 -鋁合金橫梁 -拉桿固定端 圖6隱藏式拉桿與橫梁連接節點當需要采用拉桿作為豎向承重構件時，每個豎向玻璃分格處設置一根拉桿，并在拉桿與橫梁連接處設置調節機構，以調節安裝玻璃時拉桿承受自重荷載后的變形位移。若拉桿位于玻璃面內側，則應盡量靠近玻璃面設置拉桿，以減少玻璃自重對橫梁截面產生的扭矩因素(圖5、圖6)。因普通拉桿的連接端不同于拉索構造，不能吸收風荷載下橫梁的水平向位

7、移，所以若采用拉桿連接構造，拉桿頭的連接宜采用萬向鉸的構造。且拉索的受力性能和經濟性能要優于拉桿，故本系統推薦優先采用拉索作為豎向承重構件。五、結構分析1、模型建立本文采用福州海峽國際會議展覽中心標準立面大樣作為結構分析典型立面，其相關計算參數如下（圖7）所示：A類地區；玻璃分格3m（寬）×2m（高），橫梁跨度9m，幕墻高度22m，標高22.00米，玻璃采用8+1.52PVB+8+12A+10的中空鋼化夾膠LOW-E玻璃，橫梁采用260×110×8mm Q235B矩形鋼管，豎索采用16（1×19）不銹鋼拉索；風荷載標準值：Wk=1.926 KN/m2；單

8、位分格玻璃自重荷載標準值：Gk1=4.23KN； 單位長度（2m）鋼梁的自重荷載標準值Gk2=1.39KN；（本模型為簡化計算，未考慮地震荷載作用）圖7標準立面大樣2、玻璃板塊結構分析玻璃分格為3m（寬）×2m（高），采用對邊簡支板有限元模型進行分析，結果如下：圖8玻璃撓度變形圖df=32.5mm < df lim= 2000/60=33.3mm，玻璃剛度滿足要求。圖9玻璃應力云圖玻璃板塊的邊緣最大應力為= 58.87N/mm2 <g=67N/mm2（JGJ113-2009），玻璃強度滿足要求。3、鋼橫梁結構分析鋼橫梁結構分析采用SAP2000有限元軟件進行分析，自重荷載

9、及約束模型如圖8所示，水平風荷載如圖9所示：圖8自重荷載圖9水平風荷載計算結果，鋼橫梁在水平向最大位移為34.9mm，豎直向最大位移為0.47mm，如圖10所示：圖10鋼橫梁變形圖鋼梁彎矩圖如圖11、圖12所示：圖11彎矩2-2圖12彎矩3-3鋼橫梁撓度校核，dfL/250：df =34.99000/250=36mm，橫梁剛度滿足要求。鋼橫梁強度校核：橫梁最不利截面位于跨中，應力=151.6 N/mm2 < a=205.0N/mm2橫梁強度滿足要求。4、不銹鋼拉索受力分析不銹鋼拉索承受玻璃和鋼梁的自重荷載，單層分格的自重荷載標準值Gk= Gk1+Gk2=5.62KN，自重荷載設計值G=1

10、.35× Gk=7.59KN。單根拉索共承受10個分格的自重荷載設計值：G=75.9KN。拉索選擇16的不銹鋼拉索，其鋼索最小破斷力標準值為175.48KN，鋼絲強度標準值為1320Mpa。鋼索斷面面積為152.81mm2。拉索最小破斷力設計值為175.48/1.8=97.49 KN，鋼絲強度設計值為1320/1.8=733.3Mpa。拉索強度校核：Fmax=75.9 KN < 97.49KN；max=Fmax/A=75900/152.81=496.7Mpa < 733.3Mpa，滿足要求。（注：JG/T200-2007規定1×19不銹鋼絞線強度折減系數為0.8

11、7，JG/T201-2007規定鋼索壓管接頭最小破斷力大于拉索的90%。）5、鋼橫梁起拱高度及施工分析因拉索在玻璃安裝過程中，受到玻璃自重荷載的影響會產生伸長變形，為保證安裝完成后的立面效果和結構穩定，鋼橫梁需進行預起拱處理，以抵消鋼索的伸長變形。拉索伸長量可按下式計算：=(/E)×L (式1)式中 拉索伸長量（mm）； 拉索應力（N/mm2）； E不銹鋼拉索彈性模量，可取1.30×105（N/mm2）； L拉索單位長度（mm）。 圖13拉索示意圖安裝第一層玻璃板塊時，節點1位移量：1=(1/E)×L1；S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10112×

12、13×14×15×16×17×18×19×110×1213×15×17×19×111×113×115×117×119×1313×16×19×112×115×118×121×124×127×1413×16×110×114×118×122×126×130×134&

13、#215;1513×16×110×115×120×125×130×135×140×1613×16×110×115×121×127×133×139×145×1713×16×110×115×121×128×135×142×149×1813×16×110×115×121×128

14、5;136×144×152×1913×16×110×115×121×128×136×145×154×11013×16×110×115×121×128×136×145×155×1安裝第二層玻璃板塊時，節點2位移增加量：2= (1/E)×2L1=2×1，同時節點1位移增加量為2/2=1，以此類推，節點位移可按下表所示： 表一（注：Sn代表安裝第n層玻璃板塊時，各節點的拉索

15、伸長量）：故，每層鋼梁在與拉索連接節點處的起拱高度可以按下式進行計算： S=a×n-0.5×a×（a-1） ×1 （式二）式中 S鋼梁起拱高度（mm）； a拉索與鋼梁的連接節點編號（由上而下遞增）； n拉索與鋼梁的連接節點總數； 1安裝第一層玻璃板塊時的拉索伸長量，可按（式一）進行計算（mm）。由此，理論模型中鋼梁在與拉索連接節點處的起拱高度如表二所示：表二：鋼梁編號S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10鋼梁起拱高度（mm）5.710.815.319.222.625.527.729.430.631.1但是在實際工程施工中，鋼梁對玻璃自重荷載存在剛度貢

16、獻，所以實際施工過程中，根據有限元模型分析，鋼梁在與拉索連接節點處的起拱高度應按表三所示：表三：鋼梁編號S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10鋼梁起拱高度（mm）3.46.49.011.213.014.515.716.617.217.4六、工程應用1、北京首都國際機場T3航站樓圖14：北京首都國際機場T3航站樓人視效果圖北京首都國際機場T3航站樓是北京08年奧運會重點工程，其航站樓3A(T3A)和航站樓3B(T3B)立面幕墻EWS-1系統大面積采用了隱藏式拉索與鋁合金橫梁組合的結構形式，總面積達11.5萬平米。2、福州海峽國際會議展覽中心圖15：福州海峽國際會議展覽中心鳥瞰效果圖福州海峽國

17、際會展中心位于福州市倉山區城門鎮浦下洲，總用地面積：668949m²，設計用地面積461715m²，建筑面積386,420m²，幕墻面積約為90000平方米，其中會議中心（W-C1）幕墻系統采用了隱藏式拉索與鋼橫梁結構復合體系，面積約為6200平米。3、常州博物館圖16：常州博物館人視效果圖常州博物館位于常州市行政中心南側，總建筑面積約3.1萬平米，其博物館及報告廳立面隱框玻璃幕墻采用了豎向外露式鋼拉桿與橫向鋼鋁結合框架梁的復合構造，其面積約為3000平米。七、結語拉索（拉桿）與框架結構復合體系改變了傳統框架幕墻豎向龍骨主受力的結構形式，采用橫向桿件作為承受風壓的主受力構件，而自重由纖細的拉索