[摘 要] 本文介紹了昆明新機(jī)場航站樓幕墻拉索結(jié)構(gòu)張拉設(shè)計(jì)與施工，分析了幕墻結(jié)構(gòu)體系與主體結(jié)構(gòu)的關(guān)系，提出了合理的構(gòu)造措施，詳細(xì)闡述了拉索結(jié)構(gòu)分級分步張拉合理的施工方案，充分體現(xiàn)了航站樓單索點(diǎn)支式玻璃幕墻與鋼彩帶組成“金鑲玉”的絢麗效果。
1、工程概況
昆明新機(jī)場位于昆明市官渡區(qū)大板橋鎮(zhèn)，航站樓建筑面積約54.83萬平方米，建筑幕墻面積約15萬平方米。航站樓主要由前端主樓、前端東西兩側(cè)指廊、中央指廊、遠(yuǎn)端東西Y型指廊和登機(jī)橋等部分組成。昆明新機(jī)場航站樓幕墻工程最大特點(diǎn)是南立面約53米高的EWS-5系統(tǒng)點(diǎn)式玻璃幕墻單層索網(wǎng)體系與主體彩色鋼箱梁結(jié)構(gòu)融為一體。索的預(yù)拉力和鋼彩帶變形相互影響其力學(xué)關(guān)系復(fù)雜，柔性單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)在巨型箱型鋼結(jié)構(gòu)中豎向滑動(dòng)的結(jié)構(gòu)體系為國內(nèi)外行業(yè)內(nèi)首創(chuàng)。單索結(jié)構(gòu)點(diǎn)支式玻璃鑲嵌在金黃色波浪形鋼結(jié)構(gòu)彩帶內(nèi)并渾為一體巧妙地組合成“金鑲玉”幕墻（見圖一）。
1.1、EWS-5.1拉索幕墻概況
南立面幕墻長度約324米，幕墻高度為33米~53米，豎索穿過鋼彩帶從屋頂拉到地面，每個(gè)玻璃分格一根豎索，共108根，其中Ф30為68根，Ф36為20根，Ф40為20根。橫索直徑Ф40，共9層，每層在彩帶處分成很多小段，橫索共有121根。中間ф40豎索和橫索，兩邊ф36豎橫索 兩端ф30豎索（見圖二）。
拉索結(jié)構(gòu)施工張拉設(shè)計(jì)分析-立面圖
鋼彩帶為700x2500x70尺寸不等的箱型鋼結(jié)構(gòu)，考慮到如果豎索在鋼彩帶之間分段連接，豎索張拉時(shí)非常繁瑣，而且會(huì)因?yàn)閺埨χ黧w鋼彩帶來局部變形，這對主體鋼彩帶是非常不利的。豎索既要適應(yīng)中間鋼彩帶上下變形，又要傳遞玻璃幕墻水平風(fēng)荷載給鋼彩帶，還要防止高應(yīng)力鋼絲在反復(fù)豎向滑移中磨損破壞，這對節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)要求很高。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，深化設(shè)計(jì)時(shí)采用了定滑輪的設(shè)計(jì)思路，索沿豎向可滑動(dòng)，水平可傳力。變滑動(dòng)為轉(zhuǎn)動(dòng)，摩擦力大為減小。這是定滑輪在國內(nèi)幕墻拉索體系中的首次應(yīng)用（見圖三、圖四）。
拉索結(jié)構(gòu)施工張拉設(shè)計(jì)分析-堅(jiān)索穿鋼彩帶寬節(jié)點(diǎn)做法
上圖中定滑輪固定在鋼彩帶預(yù)留的孔洞中，豎索穿過定滑輪，上下可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，水平能傳遞荷載給鋼彩帶，定滑輪的摩擦系數(shù)非常小，能有效的防止豎索磨損。為了更有效的防止不銹鋼豎索磨損，定滑輪采用摩擦系數(shù)比較小材料，這樣，即使有磨損，高預(yù)應(yīng)力的不銹鋼絲也能得到保護(hù)。為使滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)后有效復(fù)位，在滑輪兩側(cè)設(shè)置了彈簧裝置（見圖四）。考慮到鋼箱梁內(nèi)盡量設(shè)計(jì)構(gòu)造簡單及施工方便，橫索采用分段設(shè)計(jì)和施工，對應(yīng)箱形鋼彩帶連接位置在箱體內(nèi)設(shè)置鋼肋板加強(qiáng)。
1.2拉索邊界條件：
豎索頂部與鋼彩帶通過耳板鉸接（見圖五），底部與混凝土大梁通過耳板鉸接（見圖六），中間穿過鋼彩帶通過滑輪連接（只傳水平力，豎向可滑動(dòng)見圖三）。橫索各段均與鋼彩帶通過耳板鉸接（見圖七）。拉索與支座連接節(jié)點(diǎn)圖如下：
1.3拉索預(yù)拉力的確定
根據(jù)玻璃幕墻技術(shù)規(guī)范要求，對點(diǎn)支式玻璃幕墻單索結(jié)構(gòu)計(jì)算，通過控制單索最大位移不超過計(jì)算跨度的1/50,綜合考慮各段范圍單索最終預(yù)拉力如下：
拉索Ф30：120kN；拉索Ф36：200kN；拉索Ф40：280kN；
2、拉索張拉方案
2.1張拉原則
① 分級張拉：由于索的預(yù)拉力較大，考慮到索結(jié)構(gòu)與鋼彩帶互為影響，為使波浪形鋼彩帶受力均勻，預(yù)拉力分為三級張拉，即第一級張拉預(yù)拉力30%，第二級張拉到預(yù)拉力70%，第三級張拉到預(yù)拉力的100%。
② 分步張拉一：先豎索后橫索
考慮到如果先張拉橫索，會(huì)有“懸索效應(yīng)”，橫索在自重下會(huì)產(chǎn)生撓度，因此，先把所有豎索張拉到30%預(yù)拉力后，再張拉橫索。
③ 分步張拉二：先中間后兩邊
張拉豎索時(shí)，先對稱張拉Ф40豎索，再對稱張拉Ф36豎索，最后對稱張拉Ф30豎索。
2.2張拉步驟
第一步：豎向Φ40拉索30%預(yù)拉力
第五步：豎向Φ40拉索70%預(yù)拉力
第九步：豎向Φ40拉索100%預(yù)拉力
第二步：豎向Φ36拉索30%預(yù)拉力
第六步：豎向Φ36拉索70%預(yù)拉力
第十步：豎向Φ36拉索100%預(yù)拉力
第三步：豎向Φ30拉索30%預(yù)拉力
第七步：豎向Φ30拉索70%預(yù)拉力
第十一步：豎向Φ30拉索100%預(yù)拉力
第四步：豎向Φ30拉索30%預(yù)拉力
第八步：豎向Φ30拉索70%預(yù)拉力
第十二步：豎向Φ30拉索100%預(yù)拉力
2.3模擬計(jì)算分析
施工狀態(tài)分析：施工狀態(tài)下，在部分索先張拉的情況下，有可能對鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力產(chǎn)生不利影響，而且后張拉之部分拉索對先張拉的拉索預(yù)應(yīng)力也有相互影響。在分步分級的張拉施工過程中，對主體鋼結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測也是很有必要的。
為了精確了解索的張拉對鋼結(jié)構(gòu)的影響，我們采用有限元分析軟件Ansys模擬張拉狀態(tài)，為了防止鋼結(jié)構(gòu)自重對鋼結(jié)構(gòu)自身應(yīng)力和撓度的干擾，我們在模型中忽略鋼結(jié)構(gòu)自身重力，這樣，模型中產(chǎn)生的鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力和撓度云圖都是拉索之預(yù)張力產(chǎn)生的。
根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的Midas鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，將鋼屋蓋網(wǎng)架作為南立面鋼彩帶彈性支座，我們導(dǎo)入到Ansys中，并加入索結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)單元選用Beam44單元，拉索單元選用Link10單元，整體計(jì)算模型簡略，頂部約束局部情況如圖八：
根據(jù)EWS-5.1拉索張拉Ansys模擬分析，拉索張拉時(shí)對其他拉索及鋼結(jié)構(gòu)影響整理如下表：
注1：Z為重力方向，Y為風(fēng)荷載方向。
注2：列表中拉索軸力表中灰色區(qū)域?yàn)?ldquo;主動(dòng)張拉區(qū)”，其他索力為“被動(dòng)影響區(qū)”。
分析：根據(jù)上表得知，根據(jù)我們設(shè)定的前十二種張拉狀態(tài)，在每種張拉狀態(tài)下，主動(dòng)張拉區(qū)對被動(dòng)影響區(qū)影響都較小，對鋼結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力也都較小，鋼結(jié)構(gòu)X方向最大位移為2.97mm，Z方向最大位移為6.75mm。
3、張拉變形監(jiān)控
張拉過程中，應(yīng)對主體鋼結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行監(jiān)控，通過Ansys模擬分析，找出變形不利點(diǎn)，在每個(gè)張拉步驟后進(jìn)行變形監(jiān)測，如超過理論值則停止張拉，與設(shè)計(jì)院、監(jiān)理單位共同分析原因，原因分析清楚方能繼續(xù)施工。
考慮到溫度不同，主體鋼結(jié)構(gòu)水平及豎向均有溫度變形，要求變形監(jiān)測必須在早8點(diǎn)之前，并且每次監(jiān)測時(shí)，不僅應(yīng)記錄鋼結(jié)構(gòu)變形量，還應(yīng)記錄監(jiān)測溫度，每次監(jiān)測時(shí)溫度相差不得超過5°。
3.1 EWS-5.1系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)變形監(jiān)控
采用Ansys對EWS-5.1幕墻系統(tǒng)作全過程施工模擬分析，可知最不利變形點(diǎn)如圖九所示：
A點(diǎn)坐標(biāo)：水平方向距離S01軸20米，標(biāo)高39.5米（距離地面44.7米）；
B點(diǎn)坐標(biāo)：水平方向距離S01軸15米，標(biāo)高29.25（距離地面34.45米）
C點(diǎn)坐標(biāo)：位于WE軸，距離S01軸162米，標(biāo)高18.4米（距離地面23.6米）
注：S01軸為對稱軸 見表1表2
A、B、C點(diǎn)在±5°溫度作用下，鋼結(jié)構(gòu)自身產(chǎn)生的水平及豎向的位移為（mm）：
因此，在施工步驟中，表一中的監(jiān)測變形誤差值不應(yīng)超過表二的限值。考慮到監(jiān)測誤差和精度等原因，實(shí)際控制為，考慮到表二的誤差之后，鋼結(jié)構(gòu)變形監(jiān)控值不應(yīng)超過理論計(jì)算值的20%和3mm的較大值；否則應(yīng)停止張拉，分析原因。
4、施工張拉控制
南立面主入口“金鑲玉”索結(jié)構(gòu)幕墻，為了減少索結(jié)構(gòu)對鋼結(jié)構(gòu)受力的影響，豎索穿過鋼彩帶并能相對鋼彩帶豎向移動(dòng)，對鋼彩帶只傳遞水平力而不傳遞豎向力。南立面主入口拉索的張拉方案也是施工技術(shù)的一大難點(diǎn)，既要提高效率，又不能在張拉過程中對鋼彩帶有過大影響，我們采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)反復(fù)對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬張拉分析計(jì)算，確定了詳細(xì)的張拉方案。拉索的張拉設(shè)備也是重點(diǎn)，我們針對不同的拉索節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了不同的張拉工裝，張拉過程非常快捷，工人經(jīng)過簡單培訓(xùn)，一次張拉步驟只需約5分鐘左右，較大提高了施工效率，根據(jù)拉索索頭的不同，我們采用兩種工裝來張拉拉索。與工裝配套的為液壓聯(lián)動(dòng)穿心帶讀表器的千斤頂，單個(gè)千斤頂?shù)淖饔煤奢d為300kN。聯(lián)動(dòng)千斤頂共 圖 十液壓千斤頂4套，張拉工裝共8套。（詳見圖十）
4.3預(yù)拉力隨溫度調(diào)整
注：通過查閱歷史資料，昆明歷史最低溫度不低于0°，最高溫度不高于35°，年平均溫度約為15°，因此我們?nèi)?5°作為預(yù)拉力基準(zhǔn)溫度，預(yù)拉力應(yīng)根據(jù)合攏溫度按上表作出調(diào)整。
5、結(jié)語
昆明新機(jī)場航站樓南立面采用單索點(diǎn)支式玻璃和金黃色波浪形鋼結(jié)構(gòu)彩帶融為一體組合成“金鑲玉”幕墻，富麗堂皇的鋼彩帶配合單索點(diǎn)支式玻璃幕墻充分體現(xiàn)了我國近年來難得出現(xiàn)的建筑設(shè)計(jì)理念和建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)的完美結(jié)合。航站樓幕墻結(jié)構(gòu)采用了單索和主體鋼結(jié)構(gòu)混合受力的支撐結(jié)構(gòu)新技術(shù)，在深化設(shè)計(jì)、樣板制作、施工各階段，業(yè)主方組織了多次并通過國內(nèi)權(quán)威專家論證。施工張拉過程中經(jīng)過各種檢測索結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及其變形均小于設(shè)計(jì)控制要求。該工程已順利通過竣工驗(yàn)收，并獲得專家驗(yàn)收組的一致好評。昆明新機(jī)場航站樓南立面金鑲玉的玻璃幕墻建筑通透效果必將為這座七彩云南民族特色的標(biāo)志性建筑增添絢麗色彩（建成后南立面內(nèi)外照片分別見下圖）。
參考文獻(xiàn)
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作者簡介：深圳市三鑫幕墻工程有限公司總工程師、教授級高級工程師、全國一級注冊結(jié)構(gòu)工程師。
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