目前,会展﹑剧院和体育场馆等大型公共建筑的幕墙和屋顶普遍追求大跨度和高通透性,而建筑主体结构不能承受幕墙大的反力。在这种情况下,采用纯拉杆或拉索结构的点支式玻璃幕墙,虽然结构杆件纤细,通透性好,由于索结构给建筑主体结构的反作用力很大, 建筑主体结构不能承受;采用钢结构点支式玻璃幕墙刚度很好,相对于索结构而言对建筑主体的作用力要小,但也存在杆件过密,过于粗大的缺点。自平衡索杆结构在保持这两种结构优点的同时又在很大程度上克服了这两种结构的缺点。自平衡索杆结构是由拉索(或拉杆)和刚性杆组成的结构体系所以通透性好;又由于预应力和内力在体系内部是平衡的,所以给建筑主体结构的反作用力很小。因此这种结构在工程实践中得到越来越广泛的应用.本文就自平衡索杆结构的设计、结构计算及施工进行分析。

　　一. 自平衡索杆结构简介

　　1.1  自平衡索杆结构是由拉索(或拉杆)和刚性杆组成的结构体系,由于预应力和内力在体系内部是平衡的,因此称之为自平衡索杆结构.

　　自平衡索杆结构由下图示1,2,3,4四个部分组成:

　　1.2  自平衡索杆结构的特点

　　1.2.1 支撑钢管和中心钢管应采用铰接。国内外有些工程采用焊接，当自平衡索杆结构受力之后，由于索的伸长量不一样，就会在支撑钢管和中心钢管的连接处产生弯矩，计算表明这对支撑钢管和中心钢管的强度和稳定性产生很大影响；

　　1.2.2 中心钢管为压弯构件，在钢架平面内弯矩很大，但是由于有拉索和支撑钢管的作用使其在钢架平面内失稳的可能性很小；而在钢架平面外由于弯矩很小，一侧有稳定索通过支撑钢管对其进行加强，稳定性也很好；

　　1.2.3 拉索为只承受轴向拉力的单向受力杆；

　　1.2.4 拉索通过夹具和销轴与刚性构件相连,拉索中施加有预应力，预应力的大小由计算确定；

　　1.2.5 自平衡索杆结构运用于大跨度空间的点支式幕墙的支持结构,相对于纯拉索或拉杆结构来说可选用较小直径的拉索或拉杆,可降低成本；同时，由于铰接钢架自身有刚度，可以只采用单排稳定索，计算表明，双排稳定索对加强自平衡索杆结构的稳定性并不比单排稳定索强；总之，自平衡索杆结构的成本在相同条件下比索结构低很多；

　　1.2.6 自平衡索杆结构通过支座与建筑主体结构相连.

　　1.3  自平衡索杆结构的工作原理

　　1.3.1  幕墙承受风荷载,自重荷载,地震荷载等,这些荷载通过面玻璃和驳接组件传递给自平衡索杆结构;

　　1.3.2  竖直方向的荷载由承重杆承受;水平方向上的荷载由自平衡索杆结构承受;正风压时, 自平衡索杆结构由于受力而弯曲,远离面玻璃的拉索受力增加而进一步张紧; 靠近面玻璃的拉索由张紧而逐渐松弛,直到拉力松弛到接近于零;受负风压时则反之;

　　1.3.3  中心钢管由于弯曲而抵抗一部分外力.它与拉索(拉杆)共同承受外载.

　　二.自平衡索杆结构设计

　　自平衡索杆结构由于可以采用拉杆也可以采用拉索,所以其细部结构设计不尽相同.拉杆采用销轴连接,拉索采用夹具压紧连接.下图A为拉杆式索杆结构, 图B为拉索式索杆结构.其细部连接不同,分别见图JD.01,JD.02:

　　三.自平衡索杆结构的受力计算

　　自平衡索杆结构由于存在弯矩、预应力,用手算的办法很难解决计算问题.我们借助SAP2000有限元计算软件进行建模计算.下面结合某工程对计算过程描述如下。

　　3.1建模(如下左图示).

　　3.1.1  对于不锈钢拉杆取E=206 GPa, f=180MPa;对于拉索取E=150GPa, f=570MPa；对Q235钢材取E=206 GPa, f=215MPa ;

　　3.1.2  自平衡索杆结构的支座一端绕Z轴方向转动放松,另一端绕Z轴转动和Y轴方向平动放松; 承重杆支座均为铰支,绕Y轴方向转动放松;

　　3.1.3  自平衡索杆结构的支撑钢管与中心钢管为铰接，因此支撑钢管在钢架平面内的弯矩要释放；拉索或拉杆与支撑钢管和中心钢管的连接也为铰接，在钢架平面内的弯矩也要释放；

　　3.1.4  对拉索或拉杆加预应力, 预应力大小根据计算结果反复调整;

　　3.2  加载

　　将幕墙所受面荷载转化成集中荷载施加于结构上.

　　3.3  计算

　　运行SAP2000进行计算,可以看出其轴力(如下右图所示)：

　　3.3.1  刚度校核：

　　        （8000/300＝26.7mm）

　　结     论：挠度满足设计要求

　　3.3.2  强度校核：

　　3.3.2.1  钢管Ф140×10mm

　　计算结果：

　　校核：

　　结     论：强度满足设计要求

　　3.3.2.2  拉杆Ф20mm

　　计算结果：

　　校核：

　　结     论：强度满足设计要求

　　3.3.3  钢管Ф140×10mm稳定性校核：

　　由于钢管Ф140×10mm为压弯构件,需要进行稳定性校核.

　　计 算 式：

　　

 

　　式    中：

　　计算结果：   

　　结    论： 构件稳定性满足要求。

　　3.4  计算总结

　　3.4.1  通过计算可知,中心钢管和拉索(拉杆)对承受外力均有贡献.如果增大中心钢管的抵抗矩(外径和壁厚),则拉索(拉杆)的直径会减小;反之, 如果增大拉索(拉杆)的直径, 则中心钢管的抵抗矩(外径和壁厚)会减小.由于增大拉索 (拉杆)的直径会增加成本,而增大中心钢管的抵抗矩(外径和壁厚)又会影响美观.因此,两者之间要作一些平衡.一般中心钢管的外径在Ф100为宜;

　　3.4.2  拉索(拉杆)的预应力值对自平衡索杆结构影响很大.在自平衡索杆结构承受外力后, 一侧拉索受力增加而继续伸长,一侧拉索受力减少而变形减少, 预应力也在减小,但施加的预应力在结构承受外力后的富余量保持在5%为宜;

　　3.4.3  拉索式自平衡索杆结构与拉杆式自平衡索杆结构的比较:

　　3.4.3.1  由于拉索比拉杆的强度高很多,因此,在相同外力和分格尺寸下拉索式自平衡索杆结构的拉索能承受更多的外力,所以中心钢管的抵抗矩(外径和壁厚较小,一般在Ф80~Ф100; 拉杆式自平衡索杆结构中心钢管的外径在Ф120左右;

　　3.4.3.2  由于拉索比拉杆的弹性模量低很多,因此,在相同外力和分格尺寸下拉索式自平衡索杆结构的变形比拉杆式大很多;

　　3.4.4  矢高(内外索之间的最大距离)对自平衡索杆结构的影响很大. 矢高越大,拉索(拉杆) 的直径和中心钢管的外径越小, 自平衡索杆结构的变形越小; 反之, 矢高越小,拉索(拉杆) 的直径和中心钢管的外径越大, 自平衡索杆结构的变形越大.因此,增大矢高可以降低成本,但是, 增大矢高会占据更多的建筑室内空间,同时又会影响美观. 矢高一般取结构长度的1/10,即H=L/10.

　　四. 自平衡索杆结构安装施工工艺(以拉索式为例说明)

　　4.1  钢结构支座定位安装  

　　4.1.1 根据放线结果结合预埋件位置，确定支座位置。如果高度有偏差， 应加钢垫板予以补偿；如果偏差太大，则需要特殊定制钢支座，通过以上措施保证支座孔的同轴度。

　　4.1.2 在调整支座位置过程中，支座只能点焊在预埋件上。一旦支座位置调整就位，应将支座与预埋件可靠的焊接，焊接高度和等级严格按照设计图纸执行.

　　4.2  自平衡索杆结构组装

　　4.2.1 考虑预应力的作用,计算出每根索的长度并下料；

　　4.2.2 根据分格尺寸，制作专用胎膜 ，将索梁结构的中心钢管和支撑钢管铰接并在胎膜上固定；

　　4.2.3 穿承力索,两端与中心钢管上的耳板连接，此时支撑钢管上的夹具不要将索压死，让索在夹具的索孔里轴向自由；

　　4.2.4 通过索的调节器调节索的长度，从而给索施加预应力，直到施加完100%预应力后，将索与支撑钢管连接牢靠；

　　4.2.5 依以上步骤组装其它各榀自平衡索杆结构；

　　4.3  自平衡索杆结构起吊安装.对于大型索梁结构可借助专门起吊设备或工具（如塔吊、汽车吊及葫芦）;

　　4.4  安装销轴;

　　4.5  穿承重索(或稳定索)，支撑钢管上的夹具将索压住，但不要压死，让索在夹具孔里轴向自由，待承重索按设计预应力分两个循环施加完毕后，用夹具将索与支撑钢管可靠连接。