浙商财富中心建筑采光顶张弦梁结构设计
                                                                                                                                                        
                                          （杨欢军      浙江亚厦幕墙有限公司，浙江 杭州 310002）
      [提要] 对浙商财富中心采光顶张弦梁结构进行了设计，分析了张弦梁结构的设计及施工方法。为工程设计中应用提供了有益的参考。同时针对类似结构设计提出了建议。

　　[关键词] 拉索结构 采光顶 张弦梁 结构设计
　　[中文分类号] TU391          [文献标识码] B      [文章编号]
　　DESIGN OF THE BEAM STRING STRUCTURE IN TRANSPARENT ROOF OF FORTUNE PLAZA
　　Yang Huanjun
　　(Zhejiang Yasha Curtain Wall Co., Ltd, Zhejiang Hangzhou 310002 )

　　Abstract: The beam string structure in transparent roof of ZheJiang Business Fortune Plaza was designed. The design and construction methods of this structure were analyzed, some valuable advises were proposed, which provide useful experience for the practical engineering.
　　Keywords: cable structure; transparent roof; beam string; structure design.

　　0、工程概况
　　浙商财富中心位于杭州市西湖区，4号楼的采光顶结构位于两栋楼之间，建筑效果如图1所示。采光顶支撑结构采用钢-索组合的张弦梁结构形式。张弦梁结构是由上弦刚性梁（桁架）、撑杆以及下弦柔性索组成的自平衡体系[1]，其受力特点可归纳为：发挥刚性和柔性两类材料的受力特性；施加预应力，提高结构刚度；给刚性压弯构件（或结构）提供跨中弹性支承，改变弯矩分布，降低弯矩峰值；利用结构自平衡特性减小支座端的水平推力[2]。结构上部为带肋玻璃，中心下部挂20米长吊灯，结构外悬挑梁上挂27米长玻璃肋承受立面玻璃传来的荷载。张弦梁作为幕墙支承结构体系，它构造简单，索的工作效率大大提高，幕墙的体形更加薄、透、轻盈。

　　本文结合工程要求及受力情况，对张弦梁结构进行了设计，分析了张弦梁结构的设计及施工方法。可供相关工程设计人员提供有益的参考。
　　1、张弦结构的设计
　　近几年张弦结构在建筑工程中应用快速发展，尤其是在一些大型场馆等公共建筑中。常见的有上海浦东国际机场(一期工程)航站楼钢结构研究与设计[3]，中国石油大厦连体中庭索结构设计[4]，上海源深体育馆预应力张弦梁设计计算[5]，厦门会展中心二期张弦结构预应力施工技术[6]，珠海十字门商务中心喜来登酒店玻璃采光顶张弦结构设计[7]等。
　　本文介绍的结构形式如图2所示。屋面部分采用张弦梁形式，张弦梁成散射状布置，每榀张弦梁跨度约从22m～32m变化，端部与周边主体结构大钢梁或混凝土梁连接。结构上覆盖玻璃，为了保证幕墙玻璃的安全，避免对幕墙造成不利影响，应调整索的预应力大小控制结构的整体变形。索的预拉力过小，整体结构向下变形过大；反之，索的预拉力过大，会导致风吸时结构反拱过大，对索边界的连接要求也会越高，索本身材料也浪费。

　　本工程设计参数为按玻璃自重25.6kN/m2计算，恒荷载按屋面（考虑玻璃、玻璃肋、连接转接构件、及除灯架之外的其它悬挂荷载）计算后取1.0kN/m2，立面悬挂每2.1米（考虑玻璃、玻璃肋）75kN，钢架下吊灯及灯架总重30kN；活荷载按不上人屋面考虑取0.5kN/m2，并考虑活荷载不均匀分布工况；地区基本风压W0＝0.45kN/m2，风压高度变化系数μZ按荷载规范取，屋面风载体型系数μs取-0.6，风振系数βZ取2.0，立面悬挂点传来风荷载每2.1米+29.9kN，-36.8kN；基本雪压W0＝0.45kN/m2；地面粗糙度类别为B类，场地类别IV类；地震基本烈度6度。温度升降按±300C考虑。钢梁材质为Q345B，拉索选用坚朗公司316不锈钢拉索。
　　采用3D3S计算程序，考虑连接悬挑钢梁的土建1号矩形钢梁1600X750X35X35、2号矩形钢梁1000X500X32X32及张弦梁左端的3号矩形钢梁600X400X20X20一起受力，建立索和钢架的整体受力模型，如图3所示。拉索定义为只拉单元并施加预应力，计算中考虑索的几何非线性。整体结构最大变形按L/400来控制。经计算径向钢梁选用矩形450x250x14x14，拉索选用直径φ32mm的1x91不锈钢拉索，拉索初始预应力为130kN左右，每根索略有变化，变化值很小，安全系数取2。周边撑杆选用圆管φ89x6，中间撑杆选用圆管φ351x16，环向钢梁选用矩形300x150x8x8。

　　张拉预应力的施工状态时，在预应力和钢梁自重组合下，结构中心撑点向上最大位移36mm。施工完成后的全部荷载态时，在1.0所有恒荷载下结构中心撑点向上最大位移10.8mm；在最不利标准组合1.0恒荷载+1.0屋面风吸荷载+1.0降温荷载下结构中心撑点向上最大位移26.3mm，如图4所示。在竖向荷载控制的不利组合中钢梁和拉索的最大应力比发生在最短榀张弦梁处，分别为0.3和0.8。结构位移和杆件应力比、稳定性均满足要求。
　　如不考虑连接的两栋楼主体结构受力，在上述结构设计的基础上，对土建结构的1,2，3号主钢梁替换成通透性更好的钢桁架或张弦梁形式进行了整体计算，整个结构也可满足要求。因桁架和张弦梁结构轴向和局部抗弯刚度无法满足主体结构要求，本工程中主体钢梁是不能被替换的。类似工程土建主钢梁如果未考虑参与主体受力，主钢梁可替换成钢桁架或张弦梁形式，整个结构设计成一端可以滑动形式。
　　2、节点设计
　　中心撑杆节点形式如图5所示。从计算结果来看，上部钢梁应力比及控制点变形都不大，综合考虑施工和加工因素，钢梁交汇节点没有采用铸钢节点，而用上盖板为沿着各散射方向切割的整板，下盖板为沿着各散射方向切割的分块板，中间腹板为沿着各散射方向焊接在一起的隔板，上下盖板与腹板采用坡口熔透焊接成整体形式。考虑节点与各钢梁现场焊接的操作空间，上部钢梁交汇段直径设计为3m。因结构受力及拉索张拉时撑杆下端受不平衡拉力作用，撑杆与上部钢梁连接设计成可沿各个方向转动的形式，采用φ400x20内球缺通过短钢管与上部钢梁节点中心对接焊接，内球缺外套一φ450x20的外球缺和短钢管，短钢管上端与上部钢梁交点下翼缘顶紧不焊，内外球缺之间可以相互转动，撑杆的压力靠内外球缺的接触传递。撑杆下端与拉索的连接设计成：将沿各个散射方向的耳板焊接成的整体插入撑管端部预开槽内与管壁焊接，之后盖上14mm端部封板，拉索通过钢销与各个方向的耳板连接，耳板厚度及孔边距设计时需考虑索头尺寸参数。

　　拉索与梁端连接节点形式如图6所示。矩形钢梁端部上下翼缘内退，仅腹板通过高强螺栓与主体结构相连。连接耳板插入钢梁端部上下翼缘预开槽内并焊接，之后梁端盖上14mm端部封板，拉索再通过钢销与耳板连接。
　　其它周边撑杆上端与钢梁采用沿着梁方向转动的销轴形式的铰接节点，下端与拉索夹具相连，拉索穿过索夹具可自由伸缩。
　　3、结构的施工
　　索结构的施工是一个连续化的过程,其结构的受力状态也是一个变化的过程。上一阶段的结构内力和位移必然会对下一阶段的内力和位移产生影响。
　　在进行拉索张拉前，先将不锈钢拉索安装到位，使拉索的拉力在10KN左右。张拉设备的拉力传感器及索力测力仪在使用前应进行标定，保证测量的准确性。拉索在每个施工步骤的张拉按先短向榀，后长向榀的顺序进行。通过反复调节每根索预应力大小使X和Y向水平位移接近0控制撑杆平衡。
　　采用带拉力传感器的液压千斤顶进行第一级张拉，第一级张拉到预拉值的25％，达到张拉值后测量结构中心撑杆处梁顶监控点的位移及采用索力测力仪测量拉索的内力。监控点的位移没有异常后进行第二级张拉，第二级张拉到预拉值的50％，依旧测量监控点位移和索内力。第三级张拉到预拉值的75％，达到张拉值后测量监控点位移和索内力。然后持续24小时后再进行第二次测量，对达不到预拉值的拉索进行补偿和调整。第四级张拉到预拉值的105％，达到张拉值后测量监控点位移和索内力，然后持续72小时后再进行第二次测量，对达不到预拉值的拉索进行补偿和调整，使每根拉索的预拉值满足设计要求。每阶段预拉力张拉值误差控制在±5％。
　　理论计算的拉索每级张拉对应的控制中心撑点位移如下：未施加预应力对应向下位移41mm，25%预应力对应向下位移22mm，50%预应力对应向下位移3mm，75%预应力对应向上位移15.5mm，105%预应力对应向上位移36.0mm。因本工程的施工时并未采用整体吊装方案，而是将中心节点支撑在事先设置好的临时支架上，各钢梁与节点和周边结构连接，此时中心撑点位移为0，对应超过约50%拉索预应力才能使中心点与支架脱离，后续拉索张拉在这个基础上继续进行。施工时按上述对应关系测量中心撑点位移，中心点每级荷载对应的最大位移如不对应时应停止张拉，查找原因。
　　与刚性构件不同，索在长期张力作用下会发生一定的松弛和徐变现象，而张弦结构作为玻璃幕墙的支承结构，其松弛和徐变必然对整体结构受力性能及玻璃本身产生影响，设计施工时应引起重视。
　　4、结论和建议
　　通过以上对本工程拉索支承结构设计的介绍和分析，可以得出以下主要结论和建议：
　　(1)为了保证幕墙玻璃的安全，应控制结构的变形，结构的变形和预应力密切相关。
　　(2)拉索张拉时应分级进行，并计算各级预应力下控制点的位移，以作为施工张拉依据。
　　(3)如土建主钢梁未考虑参与主体受力，主钢梁可采用通透性更好的钢桁架或张弦梁形式。
　　(4)为了尽力保证索的理想受力状态，施工过程要严格按照设计要求执行。

　　参考文献
　　1.  白正仙，刘锡良等，新型空间结构形式—张弦梁结构[J]，空间结构，2001，7.
　　2.  张毅刚，张弦结构的十年(一)——张弦结构的概念及平面张弦结构的发展[J]，工业建筑，2009，10.
　　3.  汪大绥，张富林等，上海浦东国际机场（一期工程）航站楼钢结构研究与设计[J]，建筑结构学报，1999，2.
　　4.  陈林，束伟农，中国石油大厦连体中庭索结构设计[J]，建筑结构，2011，9.
　　5.  刘晟，苏旭霖等，上海源深体育馆预应力张弦梁设计计算[C]，首届全国建筑结构技术交流会论文集，2006，43-46.
　　6.  徐瑞龙，尤德清等，厦门会展中心二期张弦结构预应力施工技术 [J]，工业建筑，2008，12.
　　7.  罗光华，某酒店玻璃采光顶张弦结构设计[J]，门窗幕墙信息，2012，8.