索网幕墙的设计.ppt

高层建筑中的索网幕墙,概述,索网结构 由双向钢索所组成的柔性钢结构称为索网。在高度较小的情况下，也可以只在竖向单方向布索，演变为单向拉索结构。拉索是只承受拉力的单向受力构件，并且只在有初拉力时才能发挥其结构支承作用。拉索固定在周边的刚性支承构件上，周边构件应能承受拉索拉力产生的作用。 在高层建筑中，索网多用于大空间中庭的玻璃幕墙和玻璃屋面（图1、图2）。,单层双向索网,索网结构的特点,拉索的挠度 拉索的伸长 初始应力,平直的拉索不可能产生法向反力，因此直索不能受法向荷载（如风力和地震力，透光屋面的重力荷载等）。拉索只有在挠曲的情况下才能与法向荷载或作用平衡。例如，当拉索承受跨中单个集中力P时，其其平衡关系为： 其中，N为钢索的拉力，为水平拉索的倾角，d为中点挠度，l为拉索的跨度。由此可见，钢索拉力N越大，挠度d越大，则能承受的法向荷载P越大。当挠度d趋近于0时，钢索拉力N将趋于无限大。因此，为使钢索拉力在合理范围内，拉索在工作状态下必须有较大的挠度d，通常d控制在跨度l的1/601/40范围内。所以说，索网结构是在大挠度状态下工作的。,拉索的挠度,拉索的伸长,不锈钢索的极限强度t约为11001500N/mm2,其弹性模量约为1.21051.3105N/mm2,到达极限强度时其伸长率约为1%1.2%。对应的钢索挠度为（1/141/18）l. 钢索的强度设计值取为600830N/mm2,相应地，到达强度设计值时不锈钢索的挠度为（1/251/32）l，钢索的伸长小于1%，在允许范围内。,初始应力,钢索在自然状态下是柔软的，难以形成稳定的结构，因此必须施加初拉力使其繃紧，才能具有抵抗法向荷载的能力。初拉力不宜过大，通常在钢索的力的15%25%范围内。 初拉力应能使钢索在高温工作仍有一定的剩余拉力，不会因拉索膨胀而松弛；另一方面也应考虑在低温时不会因拉索收缩而使拉力过大。,幕墙索网结构的选型和布置,索网形状 索网的布置 钢索端部的固定,索网形状,单层索网自然形状只能是平面（高斯曲率kxky=0）或者双曲抛物面（高斯曲率kxky0）。要形成正高斯曲率的球面等其它形状，必须另外附加拉索。,索网的布置,1.幕墙和透光屋面宜采用双向布索的单层索网。幕墙竖向高度不大15m时，可以采用竖向单向拉索。多跨索网可以连续布索以减少固定连接件数目。 2.拉索的间距不宜大于2m。双向布索时，索网网格宜接近正方形。网格面积不宜大于3.5m2；单向布索时，单块玻璃面积不宜大于3.5m2。 3.幕墙玻璃面板的自重只由竖索承受；在透光屋面上，玻璃自重由双向拉索承受。当索网两个方向尺度接近时，法向荷载（风荷载，地震作用，透光屋面上的重力荷载）由双向拉索共同承受；当索网长短边尺度之比大于1.5时，法向荷载也可以考虑只由短向索承受，长向索只作为稳定索。,钢索端部的固定,1.钢索端部应采用冷挤压锚具连接螺丝端杆，然后再固定在周边结构上。螺丝端杆应有张拉和调节钢索拉力的功能。 2.固定钢拉索的主体结构或周边构件应能承受钢索的最大拉力，并且不产生过大的位移或变形。 3.在两座独立的建筑或在相邻塔楼之间布置索网时，连结两座建筑的钢索端部应有能适应两座建筑相对位移的连接装置。,索网的设计要点,钢索 端部锚具 与主体结构或周边构件的连接 风荷载和地震作用 分析方法,钢索,用于索网的钢绞线直径不宜小于12mm。钢绞线的单根钢丝直径不宜小于1.2mm。 拉索宜采用不锈钢绞线、高强钢绞线，可采用铝包钢绞线。采用高强钢绞线时，其表面应作防腐层。 钢索的总安全系数约为2.5。钢索的受拉强度设计值应按其极限抗拉强度的标准值除以材料分项系数1.8，并按其等效截面面积换算后采用。当已知钢绞线的极限抗拉承载力时，其抗拉承载力设计值应取该值除以系数1.8后采用。 此外，采用冷挤压锚具时，钢绞线的承载力还应考虑折减系数0.9。,端部锚具,钢拉索不应进行焊接，其端部应采用冷挤压锚具，锚具应带法兰螺丝端杆，用扭力板手旋转法兰螺杆可以对拉索施加拉力、调整拉力。 锚具及端杆宜采用不锈钢制造，优先采用牌号为0Cr17Ni12Mo2(316)的奥氏体不锈钢。,与主体结构连接,拉索通过螺丝端杆、连接垫板或预埋件连结到混凝土构件上；或者通过焊接将端杆连接到钢构件上和大门钢框上。 当需要在不同温度条件下保持拉索的恒定拉力时，可在端部附加定刚度的弹簧。 在两座独立的建筑或两座塔楼之间张拉索网时，连接两座建筑的水平拉索端部，应设置能适应两座建筑或两个塔楼相对水平位移的装置。当相对位移较小时，这种装置可以采用多铰摇臂机构、滚轴机构或叠层橡胶支座；相对位移很大时还可以采用专门的弹簧机构。索两端的最大相对位移，非抗震设计时可取连接标高处两座建筑在风荷载作用下的水平位移之和；抗震设计时可取该处地震作用下水平位移之和的三倍。,分析方法,索网是在大挠度下工作的，结构分析应考虑几何非线性影响。 索的端部支承条件由支承构造确定，可以是可动铰、不动铰、弹簧支座甚至是完全固定。 分析时应考虑初拉力和温度的作用。 内力分析宜采用通用有限元分析程序，如ANSYS、SAP、3D3S等。,工程应用,大尺度的平面索网幕墙 多跨组合索网幕墙 带端部弹簧装置的索网幕墙 非平面索网幕墙,大尺度的平面索网幕墙,德国慕尼黑凯宾斯基酒店，在两座高层客房楼之间的屋面下，布置了尺度为40m30m（高）的两片索网幕墙，围成一个酒店大堂 （图3、图4）。,大尺度的平面索网幕墙,网索分格1.5m1.5m，室内非常通透（图5）。 钢索直径为19mm，竖向索上端固定在钢板屋面拱上，下端通过铸钢件固定在钢筋混凝土地梁上。在最大瞬时风力作用下，最大挠度为跨度的1/35，达900mm。,大尺度的平面索网幕墙,北京中关村文化商厦中庭幕墙，索网达70m27m（图8、图9）。采用夹板式支承玻璃（图10、图11）。,多跨组合索网幕墙,多跨组合索网幕墙,北京中国青年旅行社大厦（图12、图13）中庭由6片大小不同的索网幕墙竖向排列而成，索网尺寸分别为9m20m、7.9m20m和14.5m20m（三片）。,天津泰达市民中心大三角锥高度达136m，复盖了一座14层的酒店（图14）。三角锥在80m以下部分，由单层索网玻璃幕墙包封，每片索网的分格9.4m9.4m。钢索间距为2.35m2.35m（图15、图16）。,在强烈地震区两座独立建筑物之间的幕墙布置索网时，为防止地震中建筑物变形过大而将钢索拉断，端部往往设置大位移弹簧装置。 图17为用于北京土城移动电信局和北京国家网络中心的弹簧装置。钢索在无外力时初拉力为150kN，在设计荷载下最大拉力为410kN。在正常工作条件下，由保险钢杆（最大拉力410kN）直接传递钢索拉力。在强烈地震下，保险钢杆拉断，由设计受力410kN的弹簧传递拉力，保持恒定数值，使钢索安全工作。,图17 弹簧连接器 正常工作（左）和保险装置失效后的工作（右）,图18图20为北京土城移动电信局的索网幕墙，从图21可见水平索端部的弹簧装置，图22和图23是国家网络中心类似的索网结构。 这两座建筑幕墙的索网分格为1.5m1.5m，最大挠度控制为1/50。,非平面索网幕墙,图24为目前世界上最大的幕墙索网结构北京新保利大厦。幕墙索网尺寸为90m65m（宽），由两根240mm的主索划分为三块，形成棱镜形表面（图25）。主索由150根和199根钢铰线组成，最大初拉力达11000kN和15000kN，上端固定在剪力墙上，下端