摘要：本文通過對單向單索幕墻體系結構邊界、索結構體系、阻尼桿、玻璃板面及夾具的設計分析，介紹了單索幕墻的一些設計思路和設計方法。
關鍵詞：單向單索玻璃幕墻、結構邊界、阻尼桿、玻璃面板、玻璃夾具、站房、高速列車
Abstract: in this paper single cable one-way system structure boundary, the curtain wall structure system, damping stem, glass panels and fixture design analysis, this paper introduces some of the single cable curtain wall design ideas and design method.
Key words: single cable one-way glass curtain wall, structure boundary, damping pole, glass panel, glass clamp, and high-speed train station
中圖分類號： TU318 文獻標識碼：A 文章編號：
前言：當今各類建筑的玻璃幕墻已不再是單純的維護結構了，除了表現其外觀獨特的裝飾效果外、保溫節能、結構細部的刻畫以及和環境的融合與交流也成為玻璃幕墻設計的基本要求，成都東客站南北立面玻璃幕墻采用了單向單索結構形式，就是旨在借其輕盈和結構勁度來提升建筑效果，借其極致的通透來營造建筑和環境的融合與交流氛圍(圖1)。
單索幕墻的結構設計較之框式幕墻，在結構分析方法和要考慮的因素上有相當程度的不同。
1. 結構原理和拉索初步選型：
一組依照建筑面型布置的鋼絞線經過張拉獲得各自的初始線剛度，玻璃板塊通過金屬夾具(或點爪)和鋼絞線作適當的固定，從而形成了有一定剛度的玻璃立面，玻璃板塊上的水平載荷和豎向載荷經夾具(或點爪)傳遞到索網體系上，造成索網體系變形和內力變化，在某個變形程度上形成新的平衡，通過對拉索直徑和預應力的控制，可獲得安全的平衡狀態。
在此平衡狀態下，拉索的變形形狀符合正切余弦函數(懸鏈線方程)：
Y=a *( COSH(X/a)-1);
式中，參數a的取值影響著懸鏈線的曲率;
本工程拉索的相對變形率取值1/50，索長度16670mm，因而：
當X=16670/2=8335時;
Y=16670/50=333.4;
通過插值計算可求出a=104250，拉索變形后方程為：
Y=104250 * (COSH(X/104250)-1);
選擇21個點描點作方程曲線圖如下：
對以上方程在(-8335,8335)區域內進行定積分計算，結合胡克定律即可得到拉索的近似直徑參數(約為28.8mm)，這就為下一步的有限元設計提供了參考依據。
拉索材料宜選用低松弛的奧氏體不銹鋼，考慮其裝飾和防銹蝕需求，通常選擇SUS316材料為佳。
由于鋼絞線平行于和貼近玻璃膠縫，其直徑也接近于玻璃的構造膠縫寬度，所以拉索幾乎對玻璃幕墻不產生額外的視覺遮擋(右圖)，同時，由于柔性索結構對加速度力不敏感，所以索幕墻較為適合在抗震烈度大和高速列車頻繁通過的站房應用。
單索幕墻有雙向單索和單向單索兩種形式，雙向單索作雙向張拉，橫索和豎索協同工作，其結構體系在風載荷作用下形成較為理想的高斯曲面，而單向單索僅有豎向張拉索，幕墻板塊的作用載荷均由豎索獨立承載，幕墻在設計時要更多考慮玻璃面板的邊界變形適應能力，本工程南北立面的索幕墻有于受結構邊界條件的限制，設計選用了單向單索結構體系，本文摘選幕墻體系中較為有代表性的R-N軸幕墻局部作分析介紹。
2. 結構邊界：
幕墻結構洞口由箱型鋼門梁(上弦標高+13.080)、大跨度鋼箱梁(下弦標高+29.750)、R軸混凝土結構柱、N軸混凝土結構柱圍合而成，洞口凈尺寸42000×16670(如圖5)，混凝土結構柱的柱頭約束依靠屋蓋桁架，由于混凝土結構柱側向剛度有限，因而設計時未考慮橫索的設置。
對本工程結構邊界而言，拉索兩端的鋼箱梁和門梁都要具有足夠的剛度，如果剛度不足，在風載荷作用下，隨著拉索內力的增加，鋼箱梁的變形下沉將無法滿足拉索有效張緊的邊界條件。鋼箱梁實際選用2500×800×50×50/Q345B,通過鋼牛腿和橡膠減震滑移支座座裝在混凝土柱側，這種設計旨在釋放鋼箱梁的軸向力和彎矩，并減小列車震動對幕墻體系的影響;鋼箱梁上部設置一個止擺銷釘，用以吸收風載荷對鋼箱梁產生的面外擺動(如圖6),門梁實際選用450×250×14×16/Q345B，兩側剛接與混凝土結構柱，下部剛接與樓面鋼梁。
3. 索結構體系：
在幕墻洞口內42米的寬度方向，布置了19列豎向拉索，拉索間距2100mm，直徑F30、材質為SUS316，各拉索通過連接耳板和上下鋼結構連接(圖7)、(圖8);
F30不銹鋼鋼絞線破斷力達542KN，索幕墻的剛度獲得正是基于鋼絞線的這種高抗拉強度，本工程單根拉索的初始預應力施加值設計為135KN，極限工況下拉索的預應力控制值為187.8KN,拉索綜合安全度系數為2.9，單根拉索的撓度控制值為1/50;
施工時，拉索預應力的施加依靠帶壓力讀數的油壓千斤頂進行，施工前千斤頂應進行測力標定。
4. 阻尼桿：
在風載荷作用下，單根拉索的變形形狀符合正切余弦函數(懸鏈線)特征，最靠近結構柱的邊部拉索和安裝在結構柱上的玻璃收邊鋼槽有較大和漸變的相對位移(最大約359mm)，這種位移量如果不加以抑制，將導致玻璃板塊四角有超標的不共面度甚至造成玻璃直接破裂，本工程通過設設置一組阻尼桿來達到抑制邊部拉索過度變形的目的。
如圖6，在風載荷F作用下，玻璃夾具由B點位移至B1點達到平衡，主彈簧繞A點旋轉并被壓縮，輔彈簧繞A點旋轉并被拉伸，通過控制兩個彈簧的軸向剛度，可以調整玻璃夾具的位移值BB1至滿足玻璃安全的設計要求，實際施工中主彈簧采用了剛度350N/MM的蝶形彈簧，附彈簧采用了剛度250N/MM的蝶形彈簧。
下圖左半部分為未安裝阻尼桿的玻璃面變形色示云圖，下圖右半部分為安裝了阻尼桿的玻璃面變形色示云圖，安裝了阻尼桿后，邊部拉索在風載荷標準值下的跨中位移由359mm減少至158mm，可見阻尼桿的抑制位移能力明顯。
5. 玻璃面板及夾具：
對于大空間維護結構的面板材料，從保溫節能角度考慮，中空玻璃和低輻射鍍膜是必然的選擇，本工程的玻璃板塊分格尺度為2100×1490mm，選擇了10+A12+10 LOW-E中空玻璃;
通常，幕墻玻璃面板的選型和連接構造節點設計，主要要考慮在自重、風載荷、地震載荷、溫度載荷作用下玻璃的強度和撓度滿足設計要求，但對于有高速列車通過地站房幕墻工程，應該將高速列車通過產生的土壤震動和列車風納入設計考慮的范疇，從查閱的相關資料獲悉，一列時速300KM/H的列車通過時，其對正線上方10米左右的玻璃板塊可產生最大約0.30g的加速度力，本設計中，將高速列車的這類影響折算成持續沖擊載荷帶入了結構計算，以保證結構體系的安全性能和疲勞強度滿足要求。
由于結構體系本身是大變形體系，從理論上講每件玻璃板塊的四個角都是不共面的(翹曲)，這種翹曲現象可從下面玻璃板面的變形色示圖中直觀看出：
玻璃的翹曲必然在其內部產生不均勻的應力分布，而且在玻璃內部形成一定的扭距，所以對于傳統的、建立在彈性薄板理論上的玻璃面板計算方法顯然和實際情況有較大偏離，本設計采用了有限元結構分析方法對幕墻體系進行整體分析，并對每件玻璃在各自的工作位置進行各自校核;
玻璃面板是載荷的第一承載體，同時玻璃又是脆性介質，作為玻璃駁接器具的玻璃夾具，其構造節點設計應充分考慮玻璃的翹曲效應，實際施工時選用了一種帶球鉸支座的玻璃夾具(右圖)，這種球鉸支座能隨著玻璃的變形產生三維旋轉，從而避免了在夾持部位玻璃板塊內產生的附加彎矩。
6. 結構分析主要結果數據：
6.1分析模型：
綜上所述，考慮到結構邊界的剛度對索結構體系有較大影響，所以將邊界結構和索網體系結合起來進行整體結構分析有利于提高分析計算的精度，本工程將門梁、門柱、鋼箱梁、鋼箱梁上部的裝飾結構和索網體系共同納入了分析模型進行整體分析計算：
6.2鋼箱梁的抗彎剛度：
在風載荷標準值工況下，鋼箱梁的撓度值80MM，相對撓度值=80/42000=1/525，相對于幕墻規范要求1/250有較大余量
6.3鋼箱梁的承載強度：
如下表，鋼箱梁的最大應力比為0.913 < 0.95，滿足設計要求;
6.4拉索的承載強度：
如下表，拉索的最大軸力值為187.8KN < 542/1.8 = 301 KN，滿足設計要求
6.5鋼箱梁對柱側牛腿的反力值：
在載荷標準值作用下，豎向力FZ=2108KN，無潤滑的橡膠和鋼之間的凈摩擦系數取值0.5-0.8，則橡膠支座提供的靜摩擦力為420-1686KN，鋼箱梁的軸力值(6.633KN)和面外傾覆力值(97.225KN)均未超過靜摩擦力值，因而鋼箱梁滑移支座是安全穩定的，滿足設計要求。
結語：單向單索幕墻的設計要慎重考慮結構邊界剛度及的體系自身的大變形影響，必要時應設置阻尼裝置來抑制玻璃的變形，站房幕墻設計還應考慮高速列車通過對幕墻產生的載荷
