中航复材1号科研楼采光顶张弦结构设计

中航复材1号科研楼采光顶张弦结构设计

邱奕文

深圳市三鑫科技发展有限公司北京市100012

摘要：在大跨度屋盖上设置玻璃采光顶进行室内采光，更符合节能、环保和健康自然的理念。而张弦结构采光顶以其结构轻盈、造型丰富等特点，受到建筑设计师的普遍青睐。鉴于张弦结构的诸多优点，中航复材1号科研楼项目结合工程的实际情况，屋面玻璃采光顶选用了张弦结构体系。

关健词：玻璃采光顶；大跨度；张弦梁；球形夹具

引言

中航复材1号科研楼采光顶，位于楼体顶部37米标高处，采用张弦支撑双向屋面网格的结构形式，平面尺寸为43.4m×43.4m。采光顶支撑体系为混凝土框架结构，屋面按双向交叉网格的方式划分，沿纵向共设置3榀张弦梁，张弦梁跨度43.4m，间距10.9米，矢高3.95m，撑杆数量为4个，矢跨比为1/11，上弦梁为400x400x20x30的矩形钢梁，下弦承重拉索为Φ80的高钒钢索，张弦梁平面外设置4道起稳定作用的Φ16高钒钢索。中庭采光顶屋面采用10+12A+8+1.52PVB+8钢化中空夹胶玻璃（如图1所示）。

1.2荷载作用

本工程结构安全等级为二级，结构重要性系数为1.0。采光顶结构承担的主要荷载：

（1）钢结构自重（由软件自行计算）

（2）玻璃及附属结构重量：0.8kN/m2

（3）风荷载：基本风压W0=0.45kN/m2建筑所处B类地区

（4）活荷载：0.5kN/m2

（5）雪荷载：0.4kN/m2

（6）温度荷载±30°

（7）抗震设防8度（加速度值为0.2g）

本工程主要考虑以下几种荷载基本组合工况，（标准组合为基本组合去掉分项系数得来，与基本组合的工况对应）

（1）1.2恒载＋1.4活载＋1.2预应力荷载

（2）1.35恒载＋1.4x0.7活载＋1.2预应力荷载

（3）1.0恒载＋1.4风荷载＋1.2预应力荷载

（4）1.2结构自重＋1.2半跨玻璃自重＋1.4半跨活载＋1.2预应力荷载

（5）1.2恒载＋1.4活载＋1.2预应力荷载＋T

（6）1.35恒载＋1.4x0.7活载＋1.2预应力荷载＋T

（7）1.2恒载＋1.4活载＋1.2预应力荷载－T

（8）1.35恒载＋1.4x0.7活载＋1.2预应力荷载－T

恒载＝钢结构自重＋玻璃自重

1.3边界条件

为适应张弦梁在索张拉、温度变化时产生的变形，张弦梁采用一端固定铰支座，一端滑动铰支座（如图3所示），即Z1～Z3支座xyz三向约束，Z4～Z6支座yz两向约束；考虑到更多的支座能传递地震作用力，同时又考虑温度作用的影响，两侧的12个支座采取部分（支座Z9、Z10、Z14、Z17）释放xy向约束，其它均xyz三向约束。

由以上结果可知：在最不利工况组合下，张弦梁下弦索、平衡索索力设计值与破断力的比值均≤0.5，满足《索结构技术规程》（JGJ257-2012）的要求；钢结构的应力比均≤1，满足《钢结构设计规范》（GB50017-2003）的要求。

（2）位移计算结果

初始预应力状态下，即整体钢结构安装、拉索张拉完成时，竖向位移92mm（如图4所示）

初始预应力状态后的最大挠度92+49=141mm，占屋面跨度的1/308，满足《索结构技术规程》（JGJ257-2012）不大于1/200的要求。

2、主要节点设计

2.1支座节点设计

张弦梁支座为拉索、钢梁、主体结构的交汇点，该点内力大，且有伸缩变形的要求，在此处，有如下几点有针对性的设计（如图6所示）：

a、保证张弦梁上弦钢梁形心，下弦拉索形心，支座形心交于一点；

b、拉索连接钢板与上弦钢梁上下翼缘板坡口焊接，并在腔内设置加劲钢板；

c、拉索与钢板连接处，钢板孔位两侧贴环板设计；

d、滑动端支座底部钢板与埋件钢板之间增加聚四氟乙烯垫层，钢板开长圆孔，使支座能在主体结构上滑动，达到适应结构温度变形，张拉变形的要求。

3、设计及施工要点

（1）在张弦结构中，矢跨比对张弦结构的刚度及结构的承载能力有很大影响，需根据设计要求合理选取这一参数；

（2）选择合理截面的梁与拉索，使其在最不利荷载工况组合下同时达到材料的极限状态；

（3）撑杆与上弦钢梁之间平面内为铰接，平面外为能传递部分弯矩的半刚接，为提高结构的整体稳定性，可通过在撑杆底端加设侧向稳定索来实现；

（4）预应力钢结构从结构的拼装，到预应力张拉完成，其间经历很多受力状态，在每一阶段预应力过程中，结构都经历一个自适应的过程，结构会经过自平衡而使内力重分布，形状也随之改变，故张弦梁可分两次张拉，第一次基本张拉到位，第二次张拉的是根据现场的实际情况针对拉索索力、结构位形的微调。在拉索张拉过程中，索力及结构变形值的监测极为重要，如发现异常，应暂停张拉，待查明原因，并采取措施后，再继续张拉；

（5）张拉设备进行安装时必须小心安放，使张拉设备形心与钢索重合，以保证预应力钢索在进行张拉时不产生偏心；

（6）拱的侧向刚度较小，单榀张弦梁需设置平面外的稳定支撑体系。

4、总结

中航复材1号科研楼张弦结构采光顶结构外观轻盈，体系简洁通透，将室内空间与自然天空融为一体，为本工程的画龙点睛之笔。

张弦结构可充分发挥拉索的抗拉性能及钢梁的受压性能，使压弯构件和抗拉构件取长补短，协同工作，达到自平衡，充分发挥了每种结构材料的作用。通过诸多工程应用也证明，张弦结构具有结构简单，传力明确，变形小，对主体结构影响小，施工方便快捷，建筑造型与结构布置能完美结合等优点。

参考文献

[1]《建筑结构荷载规范》GB50009-2012

[2]《索结构技术规程》JGJ257-2012

[3]《钢结构设计规范》GB50017-2003

[4]《采光顶与金属屋面技术规程》JGJ255-2012