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【摘  要】：本文介绍了华安保险总部大厦幕墙拉索结构张拉设计与施工，分析了拉索结构体系与钢结构体系的关系，提出了合理的构造措施，详细阐述了拉索分段、一次性张拉的施工方案，充分体现了索结构张拉简单、精确的特点。

【关键词】：点支式玻璃幕墙  单层索网结构  名义初应变  分段一次性张拉

一、工程概况

        华安保险总部大厦位于深圳福田中心CBD南区23-2街坊内，用地面积0.59公顷。该工程外立面围护系统由不锈钢拉索点支式玻璃幕墙、石材幕墙、构件式玻璃幕墙、铝合金装饰格栅等组成。华安保险总部大厦幕墙工程最大的特点是大型的钢框架体系及位于南、北立面的单层索网玻璃幕墙。拉索幕墙的拉索固定于两端钢结构上，每个面上单索幕墙面积约3730平米；玻璃选用12+1.52SGP+10钢化夹胶玻璃，分格多数为2500mm（宽）×1400mm（高），通过不锈钢夹板固定于不锈钢拉索上，横向拉索和竖向拉索均采用φ60不锈钢拉索（详见图1.1至图1.2）。

图1.1   拉索及钢结构三维图s

图1.2拉索&钢结构立面布置图

 

二、拉索设计标准节点

图2.1  拉索设计节点图

三、 拉索预拉力确定

       该工程索结构挠度变形以横向为主要控制方向，根据《索结构技术规程》要求，控制单索最大位移不超过横索计算跨度的1/40, 各拉索预拉力值如下：

 

四、拉索张拉力方案

4.1 模型计算分析

      施工状态下，在部分索先张拉的情况下，有可能对钢结构应力产生不利影响，而且后张拉的部分拉索对先张拉的拉索预应力也有影响。

      为采用最简单的张拉工艺就使索的实际预拉力值与理论预拉力值一致，了解张拉过程中拉索对钢结构的影响及有效监控张拉过程中钢结构的变形，我们采用有限元分析软件Ansys模拟张拉过程。

4.2  张拉原则

1）分段、对称张拉

      因张拉装置有限，我们将拉索分成多个区域进行分段张拉，并在张拉过程中实现左右对称张拉、上下对称张拉。拉索的分区图详见图4.2.1到图4.2.6所示。

2）按名义初应变对应的索力进行一次性张拉

        在Ansys软件中，拉索的预拉力是通过赋予每根索对应的初应变来实现的。因拉索的支座是弹性支座，故拉索预拉力和赋予的初应变并不满足简单的胡克定律。此时赋予的初应变定义为名义初应变。

①拉索索力与初应变关系

根据  (公式一）

式中：

       由上式可知，在拉索面积一定，弹性模量一定的情况下，拉索预拉力和初应变成正比。如果拉索支座的刚度足够大，在ANSYS计算软件中输入理论初应变值，即可达到拉索的理论预拉力值。

②名义初应变

    （公式二）

式中

        在ANSYSA软件中，拉索索力的控制是通过调节拉索初应变来实现的，倘若本工程拉索固定端的钢结构刚度足够大，在拉索张拉过程中不产生变形，则拉索的初应变和索力值应符合公式一，即拉索索力和拉索初应变成正比；但在本工程中由于钢结构刚度并非足够大，在拉索变形中会产生一定影响，此时拉索的初应变应综合拉索和钢结构共同的影响，此时拉索初应变符合公式二，为名义初应变。

③一次性张拉到100%名义初应变对应的索力值欲达到拉索的理论预拉力值，张拉过程需按模型中100%的拉索名义初应变对应的索力值进行张拉。拉索张拉过程如下：

第一步：竖索A区和E区张拉到100%名义初应变对应的索力值；（对应索力值详见附表一）

第二步：横索1区和5区张拉到100%名义初应变对应的索力值；（对应索力值详见附表一）

第三步：竖索B区和D区张拉到100%名义初应变对应的索力值；（对应索力值详见附表一）

第四步：横索2区和4区张拉到100%名义初应变对应的索力；（对应索力值详见附表一）

第五步：竖索C区张拉到100%名义初应变对应的索力；（对应索力值详见附表一）

第六步：横索3区张拉到100%名义初应变对应的索力；（对应索力值详见附表一）

       在拉索每一步张拉过程中，拉索实际预拉力与理论预拉力值不相符，这是因为后张拉索对先张拉索的索力有一定的影响，尽管张拉过程中拉索的索力值与理论预拉力值不相符，但当拉索全部按照100%名义初应变对应的索力值张拉完成后，拉索最终索力值将会与理论预拉力值相符。模型中拉索的名义初应变和拉索的理论预拉力详见表一。

4.3 张拉步骤

     在Ansys软件中，钢结构单元选用Beam188单元，拉索单元选用Link10单元，支撑杆选用Beam44单元，张拉步骤如图4.3.1至图4.3.7所示。

 

4.4  Ansys模拟分析结果整理

      在拉索张拉过程中，钢结构设置A、B两个监控点（详见图4.4.1）；整体计算模型约束详见图4.4.2：

    根据拉索张拉Ansys模拟分析，拉索张拉时对其它拉索及钢结构影响整理详见表二

      分析：1： 从上表可以看出，尽管每步施工状态的实际预拉力值与理论预拉力值并不相符，但在状态七张拉完毕后，各区拉索的实际预拉力值与理论预拉力值基本相符；

                 2： 从上表可以看出：钢结构的最大应力为123MPa,符合规范要求；

                 3： 上表中每一步张拉状态的钢结构变形值（X向和Z向）可作为施工过程中钢结构变形监控的依据。钢结构的监控点见图4.4.1所示的A、B两点。

 

五、 施工设备及张拉控制

        1）索体制作及工厂预张拉

        2）耳板、钢支座等的安装

        3）千斤顶的读表器的标定

        4）张拉工装设计及生产

 

5.2 张拉工装使用方法

 

       本工程采用图5.2所示工装来张拉拉索，与工装配套的为液压联动穿心带读表器的千斤顶，单个千斤顶的作用荷载为500kN。联动千斤顶共4套，张拉工装共4套。

       单根拉索张拉步骤如下：

       将钩块放入耳板内用M16的螺栓将挡板固定安装拉杆安装夹板，将拉索夹住空心千斤顶就位拧紧螺帽（张拉工装安装完毕）用液压泵向空心千斤顶中注入压力油当索头螺杆露出平板横梁时，拧上M110的圆螺母（注意：不需拧紧）继续张拉当张拉到额定油压时，拧紧螺母 释放千斤顶油压撤除张拉工装拧上锁紧螺母

 

5.3 索头位移量的计算方法

     采用油压千斤顶控制索力误差不得大于5%。拉索张拉时，应根据索头的位移量校核张拉增加的索力。

    位移量计算为： 

     ΔL— —张拉端索头位移量

    ΔL1— —本次张拉步骤拉索增加的位移量

 

    ΔL2—本索支座处钢结构的位移

   — —拉索的长度

   — —拉索弹性模量，Ф60的拉索弹性模量为1.55x10⁵N/mm²

   — —拉索截面积，Ф60拉索截面积为2122.64mm²

 

5.4 预拉力随温度调整

      表三：拉索实际预张力随温度不同控制表（单位：KN）

      注：

       1．F为各拉索预拉力设计值，详见“索预拉力示意图”。

       2．根据深圳市1953年有气象记录以来国家基本气象站的观测记录，深圳市的年平均气温为 22.6℃，极端最高气温

       38.7℃，最低气温0.3℃，可取25℃作为预拉力基准温度，施工预拉力应根据温度按上表作出调整。

     3．上表实际施加预拉力与基准温度下的预拉力的差值计算公式为：

     

     ΔF—施工预拉力与招标文件提供的预拉力值；

     E—不锈钢拉索弹性模量；

     α₁—不锈钢拉索线膨胀系数；线膨胀系数为1.66×10^-5(1/℃)；

     α₂—主体钢结构线膨胀系数；线膨胀系数为1.20×10^-5(1/℃)；

     ΔT—温度变化量；

     A—拉索截面积；

     4．拉索预张拉时误差应控制在理论值±5%之内；

 

5.5 索力检测

       施工过程中，采用液压千斤顶油表对拉索索力进行抽查复核。最后一步张拉步骤完成后，应对所有拉索索力进行复核并记录，当误差大于±5%时，对索力进行微调；24小时之后，再次对所有索力进行复核并记录，复核时间宜在早6点~8点。根据《预应力钢结构技术规程》，在安装玻璃前对索力进行索力检测，误差不应大于±10% 。

5.6 钢结构变形监控

       每完成一个张拉步骤后，应对钢结构的变形进行检测。检测监控时间应为早6点~8点，并制成表格，纪录存档。考虑到温度的影响后，当变形值超过设计值的20%且同时≥10mm时，应立即停止张拉，检查原因，并采取相应措施进行处理。待原因消除后，再进行后续工作。

六、 结束语

       本工程索网横向跨度约45米，竖向跨度约65米，索直径达到Ф60，在国内单索网工程中的跨度及直径均是较大的，为此，在深化设计及施工前期，业主和我方组织了多次国内权威专家参加的专项论证会，获得通过并专家好评；目前，索网支撑钢结构部分正在组织施工中。