航海博物馆双曲面高预应力索网报告12.13

1、上海中国航海博物馆双曲面超预应力上海中国航海博物馆双曲面超预应力索网玻璃幕墙设计及施工报告索网玻璃幕墙设计及施工报告 20122012年年1212月月工程的特点和难点工程的特点和难点 二二设计方案设计方案 三三目目 录录一一工程概述工程概述施工方案施工方案 四四结构计算结构计算 五五工程的特点和难点工程的特点和难点 二二单层曲面索网玻璃幕墙风屋面侧面隐框玻璃幕墙风帆屋面中国航海博物馆中央帆体幕墙工程基本体系由风帆屋面风帆屋面，异异型双曲面超预应力单层索网玻型双曲面超预应力单层索网玻璃幕墙璃幕墙以及边侧玻璃幕墙边侧玻璃幕墙等3部分构成（图1.1）。中央帆体的建筑外形犹如两片风帆，位于12m 屋顶

2、平台上，高度约58m（风帆顶端），风帆底部两支点间距约70m。单层曲面索网玻璃幕墙支撑在两片风帆钢结构壳体之间，幕墙最宽处约24m，幕墙垂直总高40m（沿高度方向最大弧线长度约54m）。每片索网由18根32和56根24水平索水平索组成，两者相互约束形成张紧的双曲面（图1.2）。一、工程概述一、工程概述 图1.1上海中国航海博物馆中央帆体正立面效果图二、工程的特点和难点二、工程的特点和难点 该类型的异型双曲面超预应力单层索网玻璃幕墙在国内尚属首例首例，在世界上也属罕见。中央帆体的超预应力单层索网不仅是玻璃幕墙的支承体系，而且是联系二片帆体钢结构成整体、形成结构体系总刚度的关键部分，因此不仅索网的

3、最后形状要满足玻璃幕墙安装的精度要求，而且索网的预张索力还必须能保证在以后多种工况下索网始终处于张紧的工作状态，在预索张拉过程中钢结构也始终处于安全状态。为了实现这些个目标，必须解决以下施工难点施工难点：2.1索张拉施工过程模拟计算及施工方案的选择索张拉施工过程模拟计算及施工方案的选择。2.2索端预埋钢管的设计及定位索端预埋钢管的设计及定位。2.3异型单层索网幕墙预应力的控制异型单层索网幕墙预应力的控制。2.4夹具的设计和玻璃面板的加工制作夹具的设计和玻璃面板的加工制作。针对本工程的特点和难点，以下从设计、施工和结构计算方面解析本工程。三、设计方案三、设计方案3.1索张拉设计方案的分析索张拉设

4、计方案的分析 3.1.1索张拉施工模拟的必要性：索张拉施工模拟的必要性： 如果索网的终态找形目标（即张拉施工完成时的索网形状和预应力状态张拉施工完成时的索网形状和预应力状态）确定，完全可以根据索网的形状和预应力状态反演索网的零应力下料长度，在施工中可以通过标定索零应力长度的方法进行张拉施工，在张拉各索的时候直接把索张拉至标定的索零应力长度位置固定即可，而且理论上可以一次张拉成功，即所谓定长张拉。但实际上，这种通过控制索的零应力长度的张拉方法受到结构加工精度、索下料长度准确性等多方面因素的影响，容易产生较大的误差，因此在施工中往往通过控制因此在施工中往往通过控制索张拉力和位移进行施工张拉索张拉力

5、和位移进行施工张拉。由于施工条件和设备的限制，施工中不可能所有的索同时张拉，一般采用分批分步采用分批分步的张拉方法的张拉方法。由于后批索的张拉会影响前批张拉索的索力，每批索均按终态找形目标的索力进行张拉并不合适，为了最终达到终态找形目标的张拉力分布需要反复调整。因此有必要对施工过程进行数值模拟，考虑各批索张拉的相互影响，精确控制考虑各批索张拉的相互影响，精确控制整个张拉过程中各索的索张力，从而减少调整的次数，提高施工过程可控性及施工整个张拉过程中各索的索张力，从而减少调整的次数，提高施工过程可控性及施工精度。精度。3.1.2本工程索网张拉施工模拟概述：本工程索网张拉施工模拟概述：中国航海博物馆

6、中央帆体单层双曲索网张拉施工模拟计算是采用合适的分采用合适的分级张拉方案最终实现以级张拉方案最终实现以“找形计算结果找形计算结果”为目标的过程模拟为目标的过程模拟。施工模拟计算是真实施工过程的预演，通过模拟计算分析，需考察张拉过程中索是否退出工作或索力的安全性、以及后张拉索对已张拉索的影响，依据分级施工模拟计算结果指导实际张拉工作。本工程张拉施工模拟计算采用两种张拉方案进行分析比较本工程张拉施工模拟计算采用两种张拉方案进行分析比较，分别为：分别为：方案一：横索为主张拉方案方案一：横索为主张拉方案方案二：竖索为主张拉方案方案二：竖索为主张拉方案模型计算和试验都表明，竖索下端分次分组张拉施工方案竖

7、索下端分次分组张拉施工方案是可行的，但还存在索力目标实现困难和难以兼顾张拉行程(索网形状)的问题。经深入考虑，采用“位移和力双控制”的方法(其中以位移控制为主、索力控制为辅)，对竖索张拉方案进行改进，可以克服和避开原竖索张拉方案里存在的困难。因此最终索网张拉方案选取为竖索张拉，调整横索。3.2拉索夹具的设计拉索夹具的设计由于异型单层双曲索网的造型靠横竖索之间的互相约束来实现，为此选用功能较为全面的拉索夹具，锁死横索和纵索的相对位置锁死横索和纵索的相对位置，但横索夹和竖索夹之间能相但横索夹和竖索夹之间能相互转动，以减小由于夹具的原因导致拉索出现折角等现象互转动，以减小由于夹具的原因导致拉索出现折

8、角等现象。还要满足拉索夹具还要满足拉索夹具的抗滑移承载能力必须能够承受拉索索力差以及因横索和竖索之间的距离所产生的抗滑移承载能力必须能够承受拉索索力差以及因横索和竖索之间的距离所产生的对拉索夹具的扭矩的对拉索夹具的扭矩。（示意如下图）?32?24M30拉索夹具图 L=定值横索竖索锁死相对位置3.3玻璃夹具的设计玻璃夹具的设计本工程玻璃为点支撑形式，安装要与索网系统相对独立；因此玻璃夹具应和拉玻璃夹具应和拉索夹具采用分离式设计索夹具采用分离式设计，玻璃夹具夹持玻璃玻璃夹具夹持玻璃处易设计成为柔性铰接连接柔性铰接连接，从而既消除了索网结构的变形对玻璃的影响又化解了曲面玻璃加工偏差对玻璃安装带来的困

9、难。（示意如下图）M301010 37.52玻璃夹具图 柔性铰接连接?32?24玻璃夹具、索夹具组合图1、玻璃夹具、玻璃夹具2、索夹具、索夹具2、连接销钉、连接销钉3.4拉索的端部连接和埋件的设计拉索的端部连接和埋件的设计3.4.1拉索端部连接的设计：拉索端部连接的设计：索网边部索网边部连接条件应设置为铰接铰接，确保索网与周围边界条件的协调变形协调变形。因此边部拉索的端部边部拉索的端部连接设计可以为球头状的和耳式的锚具球头状的和耳式的锚具，是根据实际情况设置的。（示意如下图） 球头连接耳板连接3.4.2埋件的设计：埋件的设计：预埋件设置为第一阶段埋件第一阶段埋件和第二阶段埋件第二阶段埋件。第一

10、阶段埋件直接连接于主体结构第第一阶段埋件直接连接于主体结构第二阶段埋件，为辅助传力装置（锚具），用于调整各种情况对第一阶段埋件影响所二阶段埋件，为辅助传力装置（锚具），用于调整各种情况对第一阶段埋件影响所产生的偏差产生的偏差（包含轴线定位、点定位和埋件长度）。分阶段埋件示意 主体结构主体结构与主体结构与主体结构连接连接调整偏差调整偏差与主体结构与主体结构连接连接调整偏差调整偏差拉索的端部连接组合图 主体结构主体结构第一阶段埋件第一阶段埋件第二阶段埋件第二阶段埋件球头状锚具球头状锚具3.5预应力张拉装置的设计预应力张拉装置的设计在预应力钢结构中，索的张拉方式索的张拉方式一般可以归结为两类方式：即

11、一般可以归结为两类方式：即索端支座外张拉索端支座外张拉方式方式和和索端支座内张拉方式索端支座内张拉方式。张拉方式介绍：索端支座外张拉，即在支座外放置千斤顶直接对钢索施加拉力，张拉阶段张拉结束后，用专用扳手将索端螺母拧紧。索端支座内张拉方式，必须设计和配置专用的张拉传力装置。传力装置的一端设置在支座上，另一端施力设置在索端上，由千斤顶施力，完成支座和索端相向对拉的张拉作业。传力装置有钢绞线传力和钢棒传力二种形式，各有特点，但都必须根据具体结构方式量身定做。将在工程中对于不同的阶段以及不同的施工场合，采取相应形式。第二预埋件传力辅助装置示意图外张拉空间够大采用外长拉，相反采用内张拉本工程张拉施工采

12、用专用千斤顶以及钢绞线传力装置本工程张拉施工采用专用千斤顶以及钢绞线传力装置：传力装置采用高强低松弛钢绞线、夹片式锚具以及承压钢构，张拉力施加采用手提式液压千斤顶，由于钢绞线具有重量较轻和延伸率大的特点，而且其相应的张拉反力装置也较小，适合在对位移控制精度较低、张拉力较大、高空以及作业面适合在对位移控制精度较低、张拉力较大、高空以及作业面较为复杂的施工场合。较为复杂的施工场合。预应力张拉装置3.6玻璃的加工制作玻璃的加工制作索网的网格大小不同、曲面各异（见图），施工前需要详细计算幕墙分格及玻璃板块的尺寸、曲面形态，并进行编号。索网形态及应力达到设计要求后，重新实测每块玻璃的尺寸、曲面形态，与计

13、算尺寸进行调整，然后由专业厂家进行下料生产，因玻璃的更换较为困难因玻璃的更换较为困难，所有玻璃均应做热浸处理，以减小自爆率热浸处理，以减小自爆率。索网网格示意 网格大小不同、曲面各异玻璃需热浸处理四、施工方案四、施工方案“索网模型试验”表明：竖索张拉方案优于横索竖索张拉方案优于横索张拉方案并且实施可行张拉方案并且实施可行。对比采用竖索方案原因：竖索方案，竖索躺在横上铺挂，舒展流畅，相邻影响较小，所需张拉辅助装置少； 横索方案会出现索网塌陷，张拉影响大到相邻索退出工作，高空张拉作业量大。索 网 施 工 模 拟 计 算(优 化 方 案 ， 提 供 阶 段 控 制 数 据 )施 工 测 量 网 布

14、设埋 件 空 间 坐 标 计 算钢 桁 架 安 装 阶 段 复 测埋 件 定 位 、 相 贯 线 量 测 ，协 助 单 位 埋 件 焊 接球 铰 安 装钢 桁 架 支 撑 拆 除 前 后 复 测按 标 准 长 度 挂 水 平 索 (二 端 )按 标 准 长 度 挂 竖 索 (上 端 )解 除 索 包 装 层 ， 标 索 夹 位 置索 夹 安 装竖 索 下 端 初 次 张 拉 (对 称 、 分 批 )调 匀 水 平 索 力 ， 索 网 成 形 张 紧控 制 点 索 力 形 状 测 量竖 索 下 端 第 i次 张 拉 (对 称 、 分 批 )第 i次 控 制 点 索 力 形 状 测 量水 平 索

15、力 调 整4.1索网的施工路线：4.2埋件的定位与测量4.2.1测量布网：为了消除不同控制点之间的误差，采用与钢结构吊装控制采用相同的控制点和控制网；如果无法采用相同的控制点，则要采用同一套坐标系统，这样可以消除不同坐标系统之间的测量误差。可以很好的拟合预埋件与钢结构的位置关系。无论是平面控制还是高程控制，测量结果的最后精度，与所选的测量控制网有关。4.2.2控制点的移交与复核在进行布网前，先要进行控制点的交接与复核。验收合格后，进行下步工作。4.2.3钢结构的复核在进行预埋件放样前，首先对钢结构位置进行复核，如果偏差较大，预埋件的具体放样位置根据实际情况进行调整。4.2.4预埋件放样为了将预

16、埋件准确地定位于空中，在不同的位置，分别可以采用以下三种方法确定位预埋件的空间位置。4.2.4.1投影法1：先将预埋件的轴线放样到另外一个高度确定的平面上，通过一定方法将预埋件连接套筒位置找准、固定，然后将焊接预埋件顶端定位焊接。4.2.4.2投影法2：先将预埋件的轴线放样到另外一个高度确定的平面上，通过该平面焊接预埋件顶端，再将连接套筒固定。4.2.4.3轴线替代法：轴线替代法就是制作一个放样装置，直接放样出预埋件轴线上的两点，通过替代轴线的方法，将预埋件放样到空中。4.2.5分阶段设置埋件 预埋件设置分为二阶段埋件。第一阶段根据设计方案进行轴线定位和点定位。第二阶段埋件，调整对第一阶段埋件

17、影响所产生的偏差。4.3索网的下料、预标定、运输和保护索网的下料、预标定、运输和保护4.3.1超预应力单层索网玻璃幕墙所使用的钢索的工作状态是处于持续永久受力状态，为减少钢索应力松弛，同时也为了在施工张拉过程中尽可能保持应力与应变线性关系，钢索在制作后、预标定前都必须进行预张拉处理。预张拉的拉力取用钢索破断力的50%，经3次反复张拉，历时1.5h，确保钢索的弹性模量偏差不超过10%。 4.3.2钢索宜在适当拉应力状态下断料和预标定。因为索在初始状态下各索段的应力值不同，因此必须转换成同一应力下的索段长度后才能断料和预标定。4.3.3预应力钢索及配件运输及吊装过程中尽量避免碰撞挤压，避免索安装时

18、损伤，在挂索以后再拆除索包裹材料。然后依据索段基本预标定点，量取标定索夹位置。每根索长及预标定线都有其唯一性。4.4索网的安装索网的安装4.4.1将需要安装部位的拉索提前一天作好计划,将安装拉索的型号、规格、数量和编号分别登记,运至现场。4.4.2采用卷扬机配备相应滑轮组进行索提升、安装施工。4.4.3先安装水平索，安装顺序从上到下。水平索二端(固定端)穿入埋件，拧上 球铰,调整水平索二端节段到设计标准长度。4.4.4后安装竖向索，安装顺序从左到右(或从右到左)。竖向索上端(固定端)穿入埋件，拧上球铰,调整竖向索上端节段到设计标准长度。竖向索垂躺在水平索上，竖向索下端自由垂荡(张拉端)。4.4

19、.5拉索安装过程中必须注意不要碰击拉索或刮伤拉索表面。为防止脚手架或其他结构对拉索的损伤，可采用在相关位置设置挂索滑轮进行防护。4.4.6按照索上定位标记安装索夹，稍锁紧螺栓初步定位，索夹位置准确无误后拧紧螺栓达到设计的扭矩，索夹位置相对于横竖索完全固定。索网的安装主要分为：索网的安装主要分为：拉索的吊挂拉索的吊挂及及索夹的安装索夹的安装4.5索网张拉施工工艺索网张拉施工工艺工程索网张拉实行位移和力双控位移和力双控，以位移控制为主、力控制为辅的控以位移控制为主、力控制为辅的控制方法制方法。竖索下端张拉，为防止预应力损失，采用了超预应力张拉，张拉行程估计会达400mm以上，制作长度不同的传力装置

20、，水平索两端及竖索上端仅需配置短行程传力装置。索埋件构造应方便索端长度调整。4.5.1索网尽可能对称张拉，前后对称(正立面与背力面)、左右对称、上下对称，按批张拉。4.5.2初定分步张拉次数为：设计值20%、设计值50%、设计值80%和设计值100%。初定批按排：竖向索左右对称各5根(4根)，或水平索上下对称各5根。批按排工作内容可以是张拉也可以是调整。（张拉顺序及批次见图）4.5.3竖索下端安装传力装置。4.5.4竖索下端张拉至20%设计值。第一批左右各5根，第二批中间8根。4.5.5可用扳手拧动水平索二端和竖向索上端的螺母(记录下索端长度的调整量)，调匀索力，消除误差。4.5.6竖索下端张

21、拉至50%设计值。第一批左右各5根，第二批中间8根。4.5.7用索力计索力计检测记下索力，用全站仪全站仪记录下测点位移。4.5.8竖索下端张拉至80%设计值。第一批左右各5根，第二批中间8根。4.5.9用索力计检测记下索力，特别注意水平索二端调整的对称性，不要发生索的水平移动。用索力计反复检查调整索力，主要是索端节段。索网初步张紧，用全站仪记录下测点位移。4.5.10竖索下端张拉至100%设计值。第一批左右各5根，第二批中间8根。4.5.11用索力计检测记下索力，用全站仪记录下测点位移。实测值和理论值对照分析，考虑使用预案，进行调整计算分析制订调整方案。4.5.12索力调整。因索力较大，改用传

22、力装置千斤顶调整。4.5.13用索力计检测记下索力，用全站仪记录下测点位移。详见流程图。索张拉调整流程 索力检测点 4.6索网幕墙玻璃的制作安装索网幕墙玻璃的制作安装玻璃的安装由上而下，玻璃安装好后，应调整玻璃上下、左右、前后缝隙的大小，使相邻玻璃的翘曲不应超过单片玻璃厚度的一半，再根据计算确定玻璃安装时需要的扭矩值在扭矩扳手设置扭矩值，拧紧不锈钢内六角螺钉，将玻璃固定住，玻璃配置采用TP8+12Ar+TP8+1.52PVB+TP8厚，采用双面打胶密封。玻璃由上而下安装安装顺序调整面板缝隙双面打胶密封玻璃、夹具、索组合后节点图五、结构计算五、结构计算5.1索网施工模拟方案的选择本工程借助本工程

23、借助Ansys有限元分析软件进行施工模拟计算有限元分析软件进行施工模拟计算,找出合理的分步分批的张拉顺序和索力调找出合理的分步分批的张拉顺序和索力调整顺序、索控制力和控制位移。整顺序、索控制力和控制位移。异型双曲面单层索网是张力结构，只有处于张力下才成形。施工模拟计算可分为索网找形（及初步成形张紧）、分步分批张拉模拟和索力调整三个部分。 通过对横索为主张拉和竖索为主张拉两个方案进行模型张拉试验和数值仿真计算得出以下结通过对横索为主张拉和竖索为主张拉两个方案进行模型张拉试验和数值仿真计算得出以下结论：论：1）仿真计算两方案比较(1)横索张拉相近索力影响很大，甚至会导致索退出工作，无法实现张拉目标

24、。 竖索张拉相近索力影响也不小，但竖索在全过程始终处于较好的张紧状态竖索在全过程始终处于较好的张紧状态。(2) 横索长度尽管小于竖索，但横索的张拉行程与竖索相近。横索长度尽管小于竖索，但横索的张拉行程与竖索相近。(3)从模型仿真计算分析看，竖索张拉方案明显优于横索张拉方案从模型仿真计算分析看，竖索张拉方案明显优于横索张拉方案。2）模型张拉试验两方案比较(1)竖索张拉方案a.施工流畅，横索挂索后，竖索躺在横上铺挂，不会出现横索张拉方案的索网塌陷现象。b.竖索张拉方案能实现，但必须增加索网初步张紧成形调整工作。竖索张拉相互影响也不小，索力调整仍较困难，且很难兼顾张拉行程(索网形状) c.张拉辅助装

25、置少，竖索张拉只需18个辅助装置，而横索张拉需要56个辅助装置。d.易于施工，竖索18根地面张拉很简洁方便，横索56根空中张拉困难且危险。(2) 横索张拉方案无法实现，张拉时处于无计划无序状态。因此最终索网张拉方案选取为竖索张拉，调整横索。因此最终索网张拉方案选取为竖索张拉，调整横索。3）竖索张拉方案的改进模型计算和试验都表明，竖索下端分次模型计算和试验都表明，竖索下端分次分组张拉施工方案虽可行的，但还存在分组张拉施工方案虽可行的，但还存在索力目标实现困难和难以兼顾张拉行程索力目标实现困难和难以兼顾张拉行程(索网形状索网形状)的问题。经深入考虑，采用的问题。经深入考虑，采用“位移和力双控制位移

26、和力双控制”的方法的方法(其中以位其中以位移控制为主、索力控制为辅移控制为主、索力控制为辅)，对竖索，对竖索张拉方案进行改进，可以克服和避开原张拉方案进行改进，可以克服和避开原竖索张拉方案里存在的上述困难竖索张拉方案里存在的上述困难。横索左右端、竖索上端挂索和索夹安装后，竖索下端存在向上的位移(相对初始状态)。竖索下拉的过程是位移量减小的过程，把下拉分成为总位移量80%、50%、20%和0%的四个位移段，每个位移段再划分成先张拉1至5和14至18竖索组(第1组)、后张拉6至13竖索组(第2组)。在位移控制为主动的张拉方法里，索力成了从属被动力的反映。（编号如图）5.2索网体系建模结构计算过程概

27、述5.2.1创建ANSYS模型过程计算软件采用的通用有限元分析软件ANSYS 进行。1.索采用ANSYS中一种单元形式进行模拟。2.添加约束侧幕墙支承结构下端约束为铰接；帆体三铰拱桁架以及边缘桁架的四个落地主支承点约束为铰接；竖索下端钢预埋件的约束情况为固定端。中央帆体结构ANSYS 模型约束情况5.2.2荷载取值及加载1.风荷载a、基本风压按0.6kN/m2；b、风振系数取2.0。c、对索网玻璃面由下至上分为四个高度区域，其风压高度系数分别为（1.17+1.38）/2、1.52、（1.63+1.80）/2；（1.80+1.92）/2。d、索网幕墙体型系数分片确定，沿宽度方向分为三个区域，沿高度方向分为四个区域。参见示意图3-2-1。风荷载通过面板直接施加。2.结构重量帆体钢结构自重、玻璃面板自重有程序自动考虑。3.温度荷载温度荷载按照招标文件技术要求进行取值。钢结构为正负30 度，拉索结构为正负20 度。5.2.3不同工况下确定索承载力在建模计算过程中，考虑了22种组合工况。1.在全部22 种组合工况下，横索和竖索中最大张力分别为179kN、309kN，均小于索的受拉承载力（标称直径24mm 和32mm 的索的受拉承载力分别为316kN、563kN），能满足规范