常州大剧院倾斜式竖向单拉索点支式幕墙设计与施工

1.工程概况

　　常州大剧院工程位于江苏省常州市新北区黄山路、城北干道交叉口西北角，东侧隔黄山路与市体育中心、会展中心相望，西侧与市博物馆和规划展示馆遥相呼应，北侧是广场大道，与市民广场融为一体，包括1500座左右的大剧场、423座的多功能小剧场、4个大小不同的电影厅，总用地面积约为5.244公顷，总建筑面积约4.30万平方米，地下1层，地上4层，框架结构，建筑总高度34.800米(图1)。整个建筑外观造型独特，由于是绿色玻璃幕墙加上动感的设计，远远望去，如同一个流淌着的音符。

图1建成后的常州大剧院工程

　　2.幕墙专业工程概况

　　常州大剧院建筑幕墙工程幕墙面积约为43000平方米，按幕墙形式区分主要为陶土板幕墙系统、倾斜式不锈钢单向索承玻璃幕墙系统、隐框玻璃采光穹顶幕墙系统、全玻幕墙系统、钛合金蜂窝铝板幕墙系统、肋点式玻璃幕墙系统、隐框窗玻璃幕墙系统、椭圆形单层铝板屋面幕墙系统、蜂窝铝板挑檐幕墙系统、点式玻璃雨蓬系统等(图2)。

图2常州大剧院幕墙形式区分示意图

　　常州大剧院建筑幕墙工程按建筑部位来区分，分为立面幕墙及玻璃和金属屋面及装饰格栅两部分。立面幕墙在二层以上为内外两层，内外层幕墙间距约为2300mm(底部)和3750mm(顶部)。外层幕墙主要为倾斜式不锈钢单向(竖向)索承玻璃幕墙，菱形夹具形式，玻璃缝间开敞式构造，幕墙面积约为7300平方米，内层幕墙主要为陶土板幕墙及隐框玻璃窗幕墙和超长吊挂全玻璃幕墙形式;屋面主要包括球形隐框玻璃采光穹顶幕墙、钛合金蜂窝铝板及铝单板金属屋面、铝合金金属装饰格栅等。

　　3.不锈钢单向拉索幕墙设计

　　常州大剧院建筑总平面由四段不同半径的圆弧组成，在圆心点固定的基础上，不同的建筑标高位置其半径亦有所不同(图3)，随建筑标高的增加其半径也随之增加。由于建筑立面造型及建筑艺术效果表现的需要，外维护采用了单层单向(竖向)不锈钢拉索幕墙，建筑造型决定了其外倾斜式的构造特点。

图3单索幕墙底部建筑平面示意图

　　3.1总体设计

　　单层索网玻璃幕墙位于大剧院建筑标高5.3米以上，建筑标高19.300米以下，与地面夹角为83o，幕墙高度为14米，竖向共五块玻璃分格,水平向在每个箱型断面钢柱间共六块玻璃分格。玻璃最大分格尺寸为2821mm×1453mm，配置为10+1.52PVB+10钢化夹胶玻璃;拉索直径φ22.5mm，采用1×61不锈钢铰线，仅在玻璃竖向分格缝处设置，不设置水平受力索。为建筑表现形式需要，在从下至上第2、4块玻璃上各设置五根φ10mm水平五线谱装饰性拉索，悬挂动感音符标识，不参与结构作用。单层索网幕墙面板玻璃顶部及底部与混凝土结构梁之间设置铝合金格栅通风装置，作为内、外层幕墙的进风口和出风口。

　　3.2设计及计算参数的取值

　　基本风压：W0=0.40KN/㎡(江苏常州地区，50年一遇);

　　地面粗糙度：B类;

　　地震基本烈度为7度，近震考虑;

　　玻璃配置为钢化夹胶玻璃，10+1.52PVB+10，密度为25.6kN/m3，弹性模量E=0.72×105N/m㎡;

　　拉索采用φ22.5不锈钢拉索，规格1×61，弹性模量E=1.3×105N/m㎡，破断强度为340.66KN(单根不锈钢丝最小破断力Fy=1320Mpa);

　　温差：单拉索幕墙结构设计温差-20℃～60℃;单拉索幕墙玻璃表面设计温差-20℃～60℃。

　　3.3材料选用

　　玻璃:采用钢化夹胶玻璃，昆山台玻集团公司产品;

　　铝单板:3mm厚氟碳喷涂铝单板,铝合金材质3003H24，采用江苏合发集团“高格”牌产品;

　　玻璃胶:透明,杭州之江公司“金鼠牌”中性密封胶;

　　点式幕墙配件:所有不锈钢拉索、菱形夹具、驳接系统等材质SUS316,深圳坚朗公司产品。

　　3.4整体结构体系设计

　　由于主体土建结构承受不了单索的拉力，在整个主体土建结构周围采用了箱型断面的框格式钢结构，框格式结构与主体土建结构的连接采用铰接，使其能将水平荷载传递给主体土建结构，自身重量由主体土建结构承担。竖向单拉索顶、底部直接作用在框格式结构上下箱型断面的钢梁上，拉索拉力由框格式结构自身承担，不传递给主体结构(图4)。

图4单拉索幕墙结构支撑体系布置图

　　框格式钢结构均采用箱型断面，顶、底部箱型钢梁断面尺寸为450×400×22×14mm,立柱箱型断面尺寸为400×300×10mm。框格式钢结构在顶、底部箱型钢梁与立柱连接位置处采用铰接板与混凝土连接，立柱间设置5条竖向φ22.5mm不锈钢拉索，水平方不设受力索(图5)。

图5幕墙结构支撑体系剖视图

(①
幕墙玻璃，②不锈钢拉索，③底部箱梁，④顶部箱梁，⑤箱型立柱)

　　为保证幕墙玻璃的安全，应控制单索结构体系的变形，变形过大，会对幕墙玻璃造成不利影响;反之，单索变形控制过严，索的拉力亦随之增大，对单索边界支撑条件的刚度要求就越高。单层索网本身不变形时，不能抵抗法向荷载，只有产生变形后才有法向承载力，因而索网的挠度和结构受力密切相关。随着荷载的增加，结构的位移在增加，随之结构承载力也在增加。因而在相同荷载增量下，结构的位移增量随之减小，相应索的伸长量减小和索拉力增加的减少。为达到理想的设计效果，以L/45挠度限值来进行设计。为增加单层索网结构体系安全储备，竖向拉索采用φ22.5不锈钢绞线。

　　3.4.1幕墙结构传力途径

　　水平荷载由玻璃面板及不锈钢菱形夹具通过竖向不锈钢拉索传给顶部及底部450×400×22×14mm箱形钢梁，最后传递给顶部及底部混凝土梁;幕墙自重由竖向拉索通过顶部箱形钢梁和钢立柱传递给混凝土梁;竖向拉索的预张力及在荷载作用下产生的拉力由其周边框格式钢结构自身承担，不传递给主体结构。

　　3.5节点构造设计

　　3.5.1标准节点构造设计

　　竖向单层索网玻璃幕墙标准节点，采用了不锈钢菱形夹具连接的构造措施(如图6)，菱形夹具根部开凹槽，竖向不锈钢拉索采用2根M10×40不锈钢螺栓（词条“螺栓”由行业大百科提供）将其与菱形夹具不锈钢压块相连。利用不锈钢拉索与压块间的摩擦力来承担幕墙玻璃的自重(图6)。

图6竖向单层索网玻璃幕墙标准节点

(①幕墙玻璃，②不锈钢菱形夹具，③不锈钢竖向拉索，④不锈钢水平装饰拉索)

　　在施工中，采用内六角扭矩扳手将2根M10×40不锈钢螺栓拧紧，扭矩扳手的扭矩值的设定按下式进行计算：

　　M=k×d×p

　　式中：

　　d---螺栓公称直径;

　　p---螺栓轴力，p=G/u;

　　M---施加在螺母上的扭矩;

　　k---扭矩系数;

　　G---玻璃及菱形夹具等自重设计值;

　　u---不锈钢拉索与不锈钢压块间摩擦系数;

　　3.5.2竖向拉索端部节点构造设计

　　竖向不锈钢拉索顶部及底部节点锚固在顶部及地部箱形钢梁的外侧，为防止竖向单索在承受水平荷载变形时使拉索端部锚固端头螺杆产生弯曲，单拉索端头调节张拉装置采用半球铰机构(图7)。

　　为承受竖向不锈钢拉索的拉力，在顶部及底部箱形钢梁的外侧设计采用钢板拼焊成“U”型装置，U槽内底部钢板开大圆孔，上或下部放置半球铰机构带半球型(内凹)的压块，外凸半球型压块中间开螺纹孔，通过拉索锚固端头螺杆与内凹半球型不锈钢压块相吻合。拉索锚固端螺杆通过半球铰机构在“U”槽内底部钢板内沿垂直幕墙玻璃面有±5°的万向旋转自由度，来适应单索幕墙的比较大的柔性变形。为防止半球铰机构在转动时产生金属噪音及保证转动灵活，半球铰机构内安装有1mm厚ETFE垫片(聚四氟乙烯-乙烯共聚物)。

(①幕墙玻璃，②不锈钢拉索，③底部及顶部通风格栅，④底部及顶部箱梁，⑤铰接机构)

　　3.5.3水平五线谱装饰索节点构造设计

　　从下至上第2、第4块玻璃后竖向不锈钢拉索上设置5根φ10mm装饰性水平拉索(图8，)，用于悬挂音符标志。顶、底部φ10mm装饰性水平拉索置于不锈钢菱形夹具后，中间三根φ10mm装饰性水平拉索采用不锈钢夹具安装在竖向不锈钢拉索上，在平面上分成7段固定安装，水平装饰索两端均采用弹簧套筒支座固定。(图9)。

　　为避免φ10mm装饰性水平拉索参与结构作用，水平拉索在施工安装时给予100Kg的预张力，拉直即可，采用2个M10不锈钢螺栓通过不锈钢压块将其紧固在竖向拉索上，水平拉索在夹具上的固定孔径采用φ12mm，保证水平装饰索可以在孔内水平滑动。另外，为保证水平五线谱装饰索在竖索承受正负风压时不参与受力及不至于失去预拉力弯曲下垂，故水平φ10mm五线谱装饰索两端采用弹簧套筒支座固定(图10)。音符标识安装挂接在竖向拉索菱形夹具上，由竖向拉索承担其重量。

图10弹簧套筒支座示意图

　　4.结构计算

　　在结构计算过程中，采用ANSYS9.0对单拉索结构进行空间有限元分析，并对施工状态、正常使用极限状态、承载能力极限状态三种状态进行分析，为施工提供技术参数和指导。

　　4.1 拉索设计

　　对于拉索轴心拉压构件：

　　轴心拉力设计值：N ≤　ZB(拉索承载能力设计值)

　　4.2结构计算的基本理论

　　a.本工程结构设计采用承载能力极限状态法和正常使用极限状态法设计;

　　b.玻璃幕墙构件内力应采用弹性方法计算,其截面最大应力设计值不应超过材料强度的设计值:σ< f;

　　c.荷载和作用效应可按下式进行组合:

　　S=γGSGK+γwψwSwK+γEψESEK

　　玻璃幕墙结构按各效应组合中的最不利组合进行设计。

　　4.3计算工况

　　根据单索幕墙工程施工工艺以及结构承受载荷要求需要进行下面几种工况的幕墙结构模型程序计算。

　　4.3.1 施工状态模拟计算

　　a.1.0×拉索预拉力+1.0×自重。

　　4.3.2 正常使用极限状态计算

　　b.1.0×预拉力+1.0×自重+1.0×风荷载+0.6×地震荷载;

　　c.1.0×预拉力+1.0×自重+1.0×风荷载+0.6×ΔT(+60℃)。

　　4.3.3 承载能力极限状态计算

　　d.1.0×预拉力+1.2×自重+1.4×风荷载+0.6×1.3×地震荷载;

　　e.1.0×预拉力+1.2×自重+1.4×地震荷载+0.6×1.3×ΔT(-20℃)。

　　在施工深化设计过程中负责提供幕墙结构对建筑主体混凝土结构的支座反力，由设计院考虑负责建筑主体结构的安全复核。同时需要注意的是，但竖索幕墙拉索位移(变形)由于目前尚无国家标准，参照国内外大量类似工程经验以及相关试验结果，本工程按1/45控制。

　　需要指出的是，本工程拉索属于斜向单索体系，拉索位移应不考虑幕墙自重产生的位移，而是幕墙成形后外部荷载作用下产生的位移。

　　4.4有限元建模

　　模型计算采用的有限元程序ANSYS9.0,计算模型如图11。拉索模型计算基本假设为：

　　a.拉索构件材料完全符合线弹性;

　　b.拉索构件只能承受轴向拉力，不能承受轴向压力;

　　c.拉索构件不能承受任何方向的弯矩。

图11单索幕墙计算模型

　　4.5边界条件

　　结构计算模型下端箱形钢横梁采用三向铰支座与建筑物主体结构连接，上端箱形钢横梁采用竖向平面铰支座与建筑物主体结构连接。幕墙自重经箱形钢立柱传递给标高6.35米处的建筑主体混凝土结构梁。

　　4.6 荷载施加

　　计算工况包括幕墙结构承受外荷载作用要求的所有工况，构件本身的自重和地震荷载在有限元模型中为均布荷载，而玻璃自重及地震作用，以及风荷载等效为相应的集中荷载。钢结构自重由程序自动考虑。

　　4.7 计算结果

　　4.7.1施工状态计算结论

　　a.幕墙拉索张拉完毕+安装玻璃面板后，主体钢结构箱形横梁构件产生16.6mm的竖向位移;

　　b.幕墙拉索张拉完毕+安装玻璃面板后，主体钢结构箱形立柱构件产生26.6mm的竖向位移;

　　c.幕墙拉索玻璃完毕后，主体钢结构箱形梁构件产生16.6mm的竖向位移;因此主体钢结构制作安装应采取预起拱，以满足幕墙需要;

　　d.分析施工过程结构计算，竖向拉索了理论预拉力T=127.9KN，张拉完毕后其拉力稍稍减少;竖向拉索在整个张拉过程中的内力变化比较复杂，实际张拉施工时应严格根据计算报告采取合理措施。

　　4.7.2正常使用极限状态计算结论

　　a.幕墙在最不利荷载作用下，竖向拉索位移f=274.4mm<12450/45=276.7mm，因此拉索位移满足要求;

　　b.幕墙在最不利荷载作用下，箱形钢横梁位移f=22.4-15.9=6.5mm<8532/600=14.2mm，因此钢横梁位移满足要求;

　　4.7.3承载能力极限状态计算结论

　　a.幕墙结构在最不利荷载作用下，竖向拉索应力σ=590.4 N/m㎡< [σ]=630.8 N/m㎡，拉索应力满足要求;

　　b.幕墙结构在最不利荷载作用下，箱形钢横梁应力σ=159.3 N/m㎡< [σ]=205 N/m㎡，钢横梁应力满足要求;

　　c.幕墙结构在最不利荷载作用下，箱形钢立柱应力σ=114.3 N/m㎡< [σ]=215 N/m㎡，钢立柱应力满足要求。

　　5.不锈钢单向拉索幕墙施工

　　5.1施工张拉设备

　　考虑到ANSYS计算中设定的拉索理论预拉力在钢框架的变形、工况计算中拉索的预拉力会减小，故理论预拉力并不是施工时的有效预拉力，经计算，施工时有效预拉力为103KN，采用扭矩扳手人工张拉方法很难使单索达到预拉力值，实际施工时采用液压泵+液压千斤顶机械张拉方法。

　　5.2施工张拉顺序

　　在进行拉索张拉前，先将竖向不锈钢拉索安装到位，采用扭矩扳手先将拉索拉直，使拉索的拉力在10KN左右，拉索在每个施工张拉步骤中按“先中间，后左右两侧”的顺序进行，即在每个施工张拉步骤中先张拉钢框内中间竖向拉索，中间竖向拉索张拉完毕后，在张拉其左右两侧竖向拉索，以次进行，直到竖向拉索张拉完毕。

　　5.3施工张拉步骤

　　a.采用带拉力传感器的液压千斤顶进行第一级张拉，第一级张拉到预拉力值的25%，达到张拉值后测量单索支撑结构的变形情况;

　　b.待所有竖向单索第一级张拉完毕后进行第二级张拉，第二级张拉到预拉力值的50%，达到张拉值后测量单索支撑结构的变形情况及采用索内力测力仪测量拉索的内力;

　　c.待所有竖向单索第二级张拉完毕后进行第三级张拉，第三级张拉到预拉力值的75%，达到张拉值后测量单索支撑结构的变形情况及采用索内力测力仪测量拉索的内力。然后持续24小时后在进行第二次测量，对达不到预拉力值的拉索进行补偿和调整;

　　d.待所有竖向单索第三级张拉完毕后进行第四级张拉，第四级张拉到预拉力值的105%(5%为超张拉数值，具体超张拉数据，要依靠张拉设备装卸、环境温度、支撑钢结构变形等多种因素来加以判定)，达到张拉值后测量单索支撑结构的变形情况及采用索内力测力仪测量拉索的内力。然后持续72小时后在进行第二次测量，对达不到预拉力值的拉索进行补偿和调整，使每根拉索的预拉力值满足设计要求;

　　e.每阶段预拉力张拉值误差控制在±8%。

　　5.4施工注意事项

　　a.施工时预拉力值的确定要按施工时的气温变化调整预拉力，要按照合拢温度与预拉力值对照表最终确定每一级张拉预拉力值;

　　b.张拉设备的拉力传感器及索内力测力仪在使用前应进行标定，保证测量的准确性。

　　c.竖向单索张拉完毕且索夹具及驳接爪件安装后应进行沙袋配重试验。将相当于1.2倍玻璃重重的沙袋挂在每个节点处，与玻璃的重力线在同一竖向平面内，沙袋的挂放按玻璃安装顺序进行。对索的内力进行测量，并测量节点的位移情况，考察玻璃安装后索的内力变化情况及节点的位移和变形是否在设计允许范围内。在沙袋卸载后考察拉索的复位情况及内力变化，符合设计要求后方可进行玻璃的安装。

　刘长龙

铝门窗幕墙委员会专家组

工作单位：江苏合发集团有限责任公司

技术职称：总工程师、常务副总经理

专业：建筑幕墙设计、研发与管理

专长：索结构点支撑玻璃幕墙、大跨度空间玻璃幕墙体系、金属屋面系统的设计与研究。