绿地南昌国际博览城会展中心项目位于南昌市红谷滩新区, 其建筑高度为41.3m (到女儿墙) 。主体结构形式为钢筋混凝土框架-剪力墙结构, 采用大跨度钢桁架屋盖。幕墙系统建筑面积为5万m², 金属屋面系统建筑面积为13万m², 整体效果见图1。

　　 会展中心立面幕墙采用大跨度单层索网支撑的点支式玻璃幕墙系统, 横向标准分格为2.5m, 拉索跨度为28m, 无论是单向拉索的跨度, 还是拉索的间距, 在国内工程中都极为少见。

　　 本工程最大的亮点是拉索转角位置的设计, 其特点是转角位置没有结构柱, 支撑结构使用单索, 以保证整体通透的建筑效果 (图2) 。因此转角单索幕墙的设计是该工程的难点和重点之一。

　　 转角索网幕墙中转角拉索与相邻索在正面风荷载方向存在较大的位移差, 玻璃两边的位移差导致玻璃发生旋转;此外, 单根索的变形由两端头至跨中逐渐增大, 导致玻璃四个角点不共面, 发生翘曲, 角部玻璃尤为明显。因此, 角部玻璃的旋转及翘曲分析也是该工程的重点之一。

　　 转角拉索幕墙采用TP12+12A+TP12超白中空钢化玻璃面板, 面板高1 938mm, 支撑结构采用ϕ48高钒索^[1,2]。通过不同刚度的横向弹簧杆将竖向拉索连成整体, 共同承担转角分格的侧向风荷载。标准横向分格为2 500mm, 转角处分格采用1 250mm, 以减小转角玻璃传递给转角索的侧向力, 方便转角方案设计。转角拉索整体模型见图3, 其中K为弹簧杆刚度。

　　 本工程玻璃的支撑依靠索夹具固定在单索上, 和传统打孔固定玻璃的方式相比, 夹具无法承担玻璃平面内的位移, 因此需要考虑玻璃相对于夹具的位移值, 避免因相对位移过大, 玻璃脱出夹具。

　　 设计考虑的荷载^[3,4,5]为:1) 恒荷载: 包括幕墙结构体系自重、玻璃及其附属构件自重;2) 风荷载: 比较计算的风压值与风洞试验报告的风压值, 取不利值 (正风压标准值1.15kPa, 负风压标准值1.30kPa) ;3) 温度作用:室内拉索按±40℃考虑;4) 水平地震作用:幕墙水平地震作用标准值按规范计算确定。

　　 根据风压的正负情况, 考虑四种风向工况 (图4) , 并与恒荷载、地震作用及温度作用进行组合。

　　 分析角部拉索 (图5) , 转角拉索连接转角两个面的玻璃面板, 承受两个方向风荷载, 任一方向风荷载作用都会使转角拉索在另一幕墙平面内产生位移, 为防止玻璃脱离夹具, 此位移值必须严格控制。

　　 常规方案之一是在转角处设置结构柱, 转角索与结构柱连接 (图6) , 以避免转角区域两侧的荷载互相影响, 控制转角索位移, 此方案最大缺陷是转角结构柱影响了整体通透性, 与建筑设计中采用索网幕墙所追求的建筑效果产生了冲突。

　　 常规方案之二是通过设置普通刚性横向杆将角部索与其两边若干根索连接, 由数根索共同抵抗侧向风压, 此方案因横杆为刚性杆, 各根索的平面内位移一致, 索之间无相对位移。而最远端索在玻璃面内与其相邻索存在较大相对位移 (图7) , 易导致边部区域的玻璃脱离夹具、玻璃胶缝拉裂。

　　 为了既照顾到建筑效果, 又能保证边部玻璃的结构安全, 本工程设计了横向弹簧杆方案, 在转角区域将转角索与相邻有限根索用横向弹簧杆进行拉结。通过反复分析, 调试横向弹簧杆刚度, 使转角区域的拉索幕墙在平面内的位移值实现均匀过渡, 相邻索之间的相对位移控制在较小值, 再通过夹具设计, 保证玻璃在夹具中的搭接量, 确保玻璃不会从夹具中脱落。

　　 转角索方案设计时, 采用SAP2000建模进行非线性分析, 经多次调整弹簧刚度, 最终在靠近转角三跨采用大刚度弹簧杆 (弹簧刚度K=80kN/m) , 其余远离转角跨采用小刚度弹簧杆 (弹簧刚度K=30kN/m) , 通过不同刚度弹簧杆的设置, 实现了平面内位移由转角索向两边的均匀过渡, 由幕墙平面内位移值U₂, (表1) 可知相邻索最大平面内相对位移值为42.1-30.9=11.2mm。本工程采用直径160mm的玻璃夹具, 玻璃间竖向胶缝宽度20mm, 足以吸收11.2mm的平面内位移值。

　　 在弹簧杆的细节设计上也作了严格要求, 既保证了弹簧刚度满足设计要求, 又控制了弹簧最大压缩量为12mm, 再次保证了玻璃在夹具中的搭接值。弹簧杆由中间杆、压缩弹簧、拉伸弹簧、滑动活塞及末端件组成, 弹簧刚度由弹簧直径确定, 活塞与杆体左右各预留12mm缝隙, 控制整个杆件的拉伸、压缩量, 弹簧杆构造及现场实景见图8。

　　 玻璃两边位移值不一致时, 玻璃将发生旋转, 玻璃旋转将使玻璃在夹具中的搭接量减少, 且玻璃旋转容易挤压夹具, 导致玻璃破裂。因此设计时首先应尽可能减小相邻索的相对位移, 从而减小玻璃旋转角度;其次应该通过夹具设计降低玻璃挤压夹具程度。绿地南昌国际博览城会展中心项目转角拉索方案设计时, 通过调整转角区各索的预拉力, 使转角索垂直幕墙面方向的位移值U₁ (56mm→270mm→422mm→513mm) (表1) 均匀过渡, 相邻索的相对位移得到控制。

　　 在设计夹具时, 通过位移模拟分析, 采用了12mm厚的可压缩垫片来降低玻璃旋转时的挤压程度 (图9) 。

　　 转角索网幕墙玻璃的四个角点位移不一致, 产生翘曲。因此, 玻璃设计时, 需考虑玻璃翘曲的不利影响, 对玻璃面板进行最不利工况下的有限元分析, 保证玻璃安全。本工程选取翘曲值最大的角部玻璃进行分析, 玻璃四个角点位移见图10。

　　 有限元分析得出最不利工况 (工况二) 下玻璃表面应力云图 (图11) 。玻璃表面最大应力为28.783MPa<钢化玻璃边缘承载力值67.0 MPa^[1], 玻璃强度满足规范要求。

　　 (1) 转角索网幕墙采用横向弹簧杆连接, 通过调整弹簧杆刚度, 使侧向位移由转角索向两边均匀过渡, 既解决了夹具式索网幕墙转角区域玻璃在平面内变形过大的问题, 又实现了建筑外立面要求的视觉通透性。

　　 (2) 通过调整转角区各索的预拉力, 使转角区各索具备了不同的刚度, 从而实现转角区各索沿正面风荷载方向位移的均匀过渡, 相邻索的相对位移得到控制, 减小玻璃因两边索位移不一致所产生的旋转量。通过增加玻璃夹具可压缩垫片的厚度, 满足了玻璃旋转时的挤压量, 避免玻璃过度旋转挤压破坏。

　　 (3) 转角索网幕墙角部玻璃因四角点位移不一致, 导致玻璃翘曲变形。设计时应通过有限元软件分析玻璃翘曲应力, 保证玻璃结构安全。