技术创新

超高超大单层索网玻璃幕墙施工技术

日期：2016-5-27 14:25:15　来源：互联网　浏览数：
　

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单层索网玻璃幕墙因具有良好的通透性而受到青睐，它解决了传统幕墙因支承结构遮挡面积较大，影响通透性、视觉效果较差等问题，同时亦具有整体结构简单、轻巧、便于施工等优点。
    单层索网幕墙是柔性张拉结构，在没有施加预应力之前没有刚度，其形状也不确定，必须通过施加适当的预应力，赋予其一定的形状，才能承受外荷。
    单层索网玻璃幕墙最早出现在欧洲，在我国应用较晚。其设计计算、加工制作、施工等成套技术还不够完善，尤其是钢索应力的施加和检测还需要在应用过程中不断摸索、总结和创新。
    1 ·工程概况
    为配合大堂部分整体建筑设计的效果，西门子上海中心A 楼特别设有兼具通透性和遮阳效果的柔性体系———单层索网幕墙。该索网幕墙位于1～9 层，覆盖正立面和两侧部分立面，呈“ ”形状，幕墙总高32.5 m，幕墙面积约2 300 m2。
    本工程单层索网玻璃幕墙采用横向扁钢和竖向碳钢绞线组成，玻璃板块通过钢夹板、夹板支撑等与幕墙主体结构连接。主要设计参数为：
    （1）索网幕墙总高32.5m、总延长米78.8m。
    （2）竖向钢索为φ36 mm 碳钢拉索，表面涂覆锌铝涂层；钢索截面积763 mm2，弹性模量1.7×105N/mm2，线膨胀系数1.2 ×10-5 N/mm2，张拉应力要求达到330 kN（约33.6 t）。横向水平扁钢为60 mm×30 mm。
    （3）采用钢化夹胶玻璃（10 mm+2.28 PVB+12 mm），分格尺寸为4 m×2.8 m。
    2· 工程特点、难点
    （1）索网幕墙在我国运用较少，尚无专门的施工验收规范。本工程这样超大型的索网幕墙更属罕见，其设计、安装、预应力施加和检测、检验都属于新课题，没有经验可借鉴。
    （2）索网幕墙预应力达330 kN，拉索直径达36 mm，拉索应力的张拉和检测是施工的重点和难点。拉索直径粗、预应力大，需要多次施加应力，且应力较常规值大很多，超过了常规检测仪器的检测范围。
    （3）该索网幕墙高32.5 m，而目前国内的幕墙四性试验室检测模型最高7 m，无法直接检测如此高的索网幕墙，故无法准确检测幕墙的平面内变形性能。
    （4）幕墙单元尺寸较大，安装质量要求高。每个单元幕墙垂直和水平向的误差均控制在3.5 mm以内，总长度偏差需控制在12 mm 内；玻璃4 个角位置的误差＜0.8 mm；2 个连续组件连接时的误差＜1.6mm。这些对施工提出了更高的质量要求。
    3 ·索网幕墙深化设计和施工
    （1）根据设计图纸，对索网幕墙进行深化设计、细部设计、工艺设计和计算。根据拉索张拉预应力值的设计计算，预拉力须达到330 kN (约33.6 t) ，需选用φ36 mm 的开放式螺旋钢绞线。幕墙组装钢构件采用精密铸造，并经压模成型，加工制作精度为±1 mm。
    （2）按设计要求编制详细的加工制作方案，如拼装、焊接工艺等文件。
    （3）根据现场每个索点的结构实测净空高度，并考虑索的伸长量、索的工作环境温度，以及将来施工过程中产生的伸长变形等因素，最终确定索的下料加工长度。
    （4）拉索放线定位。拉索幕墙部位的主体结构完成后，测定出每根索的轴心安装位置，用吊锤将轴心线引到最上部屋面梁下侧，并做出标记。
    （5）施加拉索应力。拉索安装就位后，即进行预应力张拉。对拉索施加的预拉力通过两端的锚固端传递到主体结构。预张拉设备采用专业设计的1 个钢挂钩作为压力板，预应力通过2 个压力泵时，压力泵与带有数字刻度的精密油压表连接，可准确控制通过精密油压表的应力。
    （6）拉索张拉顺序与步骤：
    ① 整个张拉顺序必须考虑对称同步张拉。先东、西2 个立面对称点同时张拉，再在南立面以中心轴（A3 轴）为对称轴，进行拉索对称张拉。
    ② 每根索分3 个阶段进行张拉：第1 阶段张拉到设计值的20%，即66 kN（6.72 t）；第2 阶段张拉到设计值的80%，即264 kN（26.88 t）；第3 阶段张拉到设计值的100%，即330 kN（33.6 t）。
    ③ 张拉达到100% 之后的24 h 内，检查所有拉索，如拉索发生预应力损失，则需补加应力。通过多次张拉复测，索网张拉完成的最终的索力状态为330 kN(允许偏差±2%）。
    （7）拉索施加预应力时，既要确保所施加的预应力值满足设计要求，同时应保证拉索处于正确位置。每根索张拉完毕后，需拧紧上下锚固端的锚固螺栓。如发现拉索的锚固螺栓有松脱现象，应对该拉索进行再次张拉，并拧紧锚固螺栓，直至拉索的测力值达到设计要求。
    （8）每根索张拉达到要求并将上下锚固端锚固螺栓拧紧后，应对锚固端底钢板和混凝土之间的缝隙进行灌浆处理。
    （9）水平钢连接板安装：
    ① 拉索张拉完毕，锚固端底板和混凝土结构灌浆完成后，即进行钢支座和钢板安装。水平钢连接板为拉索幕墙水平连接构件，同时作为拉索幕墙玻璃的支承构件，其安装精度要求也非常高。
    ② 通过采用水准仪，精确测定钢连接板的水平基准线并进行定位，使同一水平方向的钢爪偏差控制在±1 mm 内。
    （10）幕墙钢索、连接板等安装完成后，即可进行玻璃安装：
    ① 安装前应检查核对玻璃夹具安装位置，尤其是夹具的横向偏差≤2 mm。
    ② 安装顺序：先按设计要求，调整好底层的分格定位、水平标高，然后以此为基础，由下至上逐层安装。安装过程中还需要逐层复核、校正，避免累计误差过大。
    ③ 玻璃初步固定后应进行板块调整。调整的标准为“横平、竖直、面平”，横向胶缝也应水平。玻璃板块调整完成后，立即将夹具的紧固螺母拧紧。
    ④ 玻璃安装完成并核对无误后，即进行嵌缝注胶。先将填缝部位用规定的溶剂进行净化处理，嵌入胶条后再用硅酮胶进行注胶。
    4· 质量检测
    4.1 拉索应力
    （1）在锚具灌浆前对拉索应力进行复测，以确认是否存在应力损失。
    （2）目前国内常见的有3 种拉索应力检测方法:一是应变法；二是频率法；三是采用测力仪进行测力。应变法是根据拉索在荷载作用下的伸长率来测定；频率法是根据拉索在不同张紧情况下的频率来测定。实践证明，这两种方法在拉索应力的测定中都不理想，操作也不方便。本工程经各参建方一致同意，选用第3 种方法———应用弓形测力仪进行拉索应力检测。
    （3）目前，我国最大的测力仪测力范围仅在30 t 以下，且索的直径为22～34 mm。本工程拉索应力33.6 t，直径36 mm，超出了最大测力仪的检测范围，精度无法保证。
    （4）理论上，测力仪读数与拉索实际应力应该是一致的，但本工程测力仪超出检测的范围，测力仪读数与实际会存在一定偏差。经试验，用测力仪对拉索进行不同方向、不同位置的检测，偏差范围为±50 kN。为最大限度地减少测量误差，本工程在预应力施加后灌浆前，对每根索在同一位置、不同方向进行多次检测，并与预应力施加过程中记录的数值进行对比分析后再采用，多次检测的平均读数作为该索的应力检测值（见图1）。

    4.2 四性试验
    （1）本工程索网玻璃幕墙按欧洲标准进行设计，而深化设计则主要遵循原建筑设计、国内相关幕墙设计规范以及建设单位的个性要求进行，故幕墙检验检测标准较难确定，且国内相应的检测设备、标准尚不完善。
    （2）鉴于目前国内试验室硬件设施情况，只能采用7 m 高的模型进行四性试验。根据四性试验项目，平面内变形性能的检测无法直观反应本工程32.5 m 高索网幕墙的检测。通过现有条件和相关理论，根据弹性模量、应力增量相同推算，风荷载及地震荷载对7 m 高和32.5 m 高拉索幕墙层间结构偏移的影响效果是相同的，即层间位移角控制值γ 为恒定量，该结论也得到了专项评审专家的一致认可。据此，32.5 m 高索网幕墙平面变形性能可以采用7 m 高试验模型的平面变形性能来验证。经检测，本工程索网层间位移角γ=1/183，符合设计平面内变形性能要求。
    （3）单元索网玻璃高度为4 m，索网平面内变形时，玻璃中部索夹和玻璃的相对位置却保持不变；玻璃端部索夹仅限制玻璃垂直面的位移，则拉索在平面内的变形位移为（4 000/2）×（1/183）=11 mm，而索网玻璃之间的竖缝设计宽20 mm，满足平面变形要求，故索网的平面变形对玻璃的影响可以忽略不计（见图2）。

    4.3 拉索幕墙主体结构
    （1）拉索幕墙传到主体结构的竖向荷载，初始控制拉力为330 kN，风荷载下最大将达525 kN。主体结构严格遵循该要求进行设计，一旦超过该荷载，将造成楼面开裂，影响正常使用，甚至产生结构安全问题。
    （2）为确保主体结构安全，在钢索应力施加各阶段，我们对主体结构进行了变形和应力监测。
    （3）索网张拉阶段，采用水平仪对索网顶点的顶底主体结构进行位移检测，每个拉索的位置均设监测点，共布置27 个。经监测，结构变形非常小，均在设计允许范围以内，不会对结构产生任何不良影响。
    5 ·结语
    （1）幕墙索的预拉力确定是单层索网幕墙设计的一个难点，既应考虑温差、预应力损失等因素，又要考虑在外荷载作用下具有足够的刚度满足幕墙节点变形限值要求。
    （2）制定合理的预应力施工方案、合理划分张拉步骤、控制每个张拉步骤的受力变形实测值与理论计算值的吻合程度、选择合适的应力测试方法和仪器等都是拉索安装的重要控制点。本工程应力较大，超过了现有测力仪量程范围，通过试验对比分析和多方向测值取平均数等措施，进行应力检测。检测数据基本发映了拉索的实际受力，同时也得到了现场监理、业主和主管部门的认可，为类似工程提供了很好的借鉴。
    （3）索网幕墙各索应力均匀十分重要。由于索网应力是单根逐步施加的，故索间应力差不可避免地存在，但偏差不宜过大，尤其是相邻索的应力差应严格控制，这也是幕墙安全的重要保证。
    （4）为了解决锚具和拉索在达到工作状态前不均匀变形所产生的预应力损失，可以考虑适当超张拉。但应充分结合结构承载力要求，控制在设计允许范围之内。
    （5）考虑幕墙后期的使用安全，在索网幕墙总高度较高的情况下，应适当控制玻璃分割模数，不宜过大。
    （6）安装固定夹时，应加强紧固程度的质量控制，严禁螺栓缺失。
    （7）鉴于现有检测条件的限制，充分运用理论计算，解决超高索网幕墙平面变形检测的问题，为今后的索网幕墙四性检测提供有益的借鉴。
    （8）本工程通过各参建方充分沟通、认真策划、组织和实施，使索网幕墙达到设计预期的外观和使用效果，项目也已顺利竣工并投入使用（见图3）。