一种顶部设有钢桁架的拉索幕墙支承体系及其施工方法技术领域
本发明涉及一种建筑拉索幕墙支承体系技术领域，特别是涉及一种用于顶部设有钢桁架的拉索幕墙支承体系及其施工方法。
背景技术
拉索幕墙是将玻璃悬挂在钢索网上的幕墙形式，这种玻璃幕墙跨度大、简洁通透，具有强烈的时代气息，深得广大建筑师和民众的喜爱。为了形成一个开敞的中庭，建筑师可以将水平钢索固定在建筑两侧的立柱上，将竖向钢索上端固定在钢桁架上、下端固定在地梁上。幕墙钢索需要施加很大的预应力才能产生横向刚度来支撑玻璃幕墙，相应地，两侧建筑立柱和钢桁架就需要承受很大的钢索产生的巨大拉力。对于支承这种拉索幕墙钢桁架，目前支座设计上主要有两种处理方式：
一种方式是滑动连接，即将钢桁架的一端采用三向固定的铰支座、另一端采用单向滑动支座分别支承在两侧建筑上。这种连接方式在幕墙竖向钢索张拉预应力时桁架支座可以自由转动、对主体不产生次应力；但这种连接属于弱连接，无法将两侧建筑牢固连接起来，在水平钢索张拉预应力或地震时，两侧建筑将产生较大变形。当拉索幕墙很高大时，这种变形就会很大，会对在两侧建筑产生很大内力，有时还会造成幕墙损坏，因此这种滑动连接方式对主体结构和幕墙都很不利。
另一种方式是固定连接，其可以将钢桁架的两端均采用三向固定的球铰支座与两侧建筑连接，由于支座需要承受的竖向力和水平力都很大，球铰支座常常很难满足设计要求。也有设计者直接将钢桁架的上、下弦与两侧建筑立柱上的埋件焊接，利用钢桁架将两侧建筑连成一个整体。这种焊接连接方式结构整体性很好，但在幕墙竖向钢索张拉预应力时桁架支座不能自由转动，将使两侧建筑产生很大的次应力，对主体结构也很不利。
发明内容
本发明提供一种顶部设有钢桁架的拉索幕墙支承体系及其施工方法，解决现有支承拉索幕墙支承体系节点结构复杂、不能同时满足在竖向钢索预应力张拉时支座可自由转动且在水平钢索预应力张拉或地震时利用钢桁架将两侧建筑牢固连接的效果的技术问题。
为实现上述技术目的，本发明所采用如下技术方案：
一种顶部设有钢桁架的拉索幕墙支承体系，所述拉索幕墙的幕墙钢索包括竖向钢索和水平钢索，其特征在于，包括以下几个部分：
建筑主体结构，位于拉索幕墙左右两侧，提供水平钢索左右侧的拉结固定点；
下部支承结构，位于拉索幕墙的底部，提供竖向钢索底部的拉结固定点；
钢桁架，所述钢桁架架在两侧的建筑主体结构的上端，由上弦、下弦、中间腹杆和端腹杆组成，提供竖向钢索顶部的吊挂固定点；所述钢桁架的端部与建筑主体结构之间采用双向加强连接方式，包括横向连接和竖向连接，所述竖向连接通过设在钢桁架与建筑主体结构顶端之间的竖向承力支座实现；所述横向连接通过设在钢桁架与建筑主体结构侧面之间的水平承力支座实现；所述横向连接通过设在钢桁架与建筑主体结构侧面之间的、在幕墙的竖向钢索进行预应力张拉完毕后才进行安装的水平承力支座实现。
作为优选的技术方案，在所述钢桁架的两个下角部分别开有一个用于架在建筑主体结构上、大小与支承部分主体结构相适应的矩形缺口，所述竖向承力支座安装在建筑主体结构顶面与矩形缺口顶部的上弦端节点或端腹杆之间；所述水平承力支座安装在建筑主体结构侧面与矩形缺口侧面的下弦之间。
进一步的，在分别位于钢桁架两端的两个竖向承力支座中，其中一个是三向固定型球铰支座，另一个为沿钢桁架伸长方向单向滑动的单向滑动型球铰支座。
进一步的，所述水平承力支座是水平钢板组，所述水平钢板组包括互相平行设置的1～4块水平钢板，水平钢板的左右两端分别与建筑主体结构侧壁和下弦的端部焊接固定。
进一步的，所述钢桁架的杆件可以采用H型钢、圆钢管或矩形钢管，钢桁架可以为单片桁架、三角型立体桁架或矩形立体桁架。
进一步的，所述建筑主体结构是由框架柱和框架梁组成的框架结构、框架支撑结构或剪力墙结构，所述钢桁架架在两侧建筑主体结构的框架柱上。
进一步的，所述框架柱为混凝土柱，其顶部设柱顶预埋件，侧壁设柱侧预埋件，所述柱顶预埋件与竖向承力支座的底部焊接连接，所述柱侧预埋件与水平承力支座的一边焊接连接。
进一步的，所述下部支承结构是钢筋混凝土墙或者钢筋混凝土梁。
进一步的，所述下弦、水平承力支座与框架梁三者的水平向中轴线对应重合。
此外，本发明还提供上述顶部设有钢桁架的拉索幕墙支承体系的施工方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、材料准备：包括幕墙拉索、竖向承力支座和水平承力支座的材料准备或制作；
步骤二、钢桁架的初步加工：依据设计尺寸，将钢桁架的两个下角部上分别开一个用于架在建筑主体结构上、大小与支承部分主体结构相适应的矩形缺口；
步骤三、钢桁架的吊装：上端建筑主体结构施工完毕后，将钢桁架吊装至两侧建筑主体结构顶端，依据缺口部位定位架在两侧的建筑主体结构的框架柱上；
步骤四、安装竖向承力支座：竖向承力支座的底部与框架柱顶部的柱顶预埋件焊接，竖向承力支座的顶部与矩形缺口顶部的上弦端节点或端腹杆焊接固定；
步骤五、安装竖向钢索：将竖向钢索的上端挂接在下弦上，竖向钢索的下端与下部支承结构连接固定；
步骤六、对竖向钢索进行预应力张拉：对竖向钢索进行预应力张拉，使钢桁架完成竖向变形；
步骤七、安装水平承力支座：将水平承力支座的水平钢板水平焊接在框架柱顶部的柱顶预埋件与矩形缺口侧面的下弦之间，使钢桁架、建筑主体结构与下部支承结构连成整体；
步骤八、安装水平钢索：将水平钢索与建筑主体结构连接，对水平钢索进行预应力张拉，至此，拉索幕墙支承体系的施工完成。
本发明的有益效果如下：
1、相对于常规钢桁架一端只设一种支座的做法，本发明将其分解为竖向承力支座和水平承力支座，以分别承担拉索幕墙顶部钢桁架的巨大的竖向力和沿桁架纵向水平力，双向支座固定方式增加了结构强度，解决了常规支座难以解决的问题，而且结构简单、施工方便，竖向承力支座直接支承在建筑主体结构上端面上，简化了节点构造，大大增加了结构安全度；
2、由于水平承力支座是在钢桁架和竖向承力支座安装后，幕墙竖向钢索进行预应力张拉完毕，待钢桁架主要竖向变形完成后再进行安装的，因此大大减小了钢桁架竖向变形引起的主体结构次应力，使钢桁架在竖向力作用下可以自由转动，对主体结构很有利；
3、水平承力支座牢牢将主体建筑结构两侧联系起来，可以充分发挥钢桁架的顶撑作用，大大减小幕墙水平钢索张拉时主体建筑结构产生的水平变形，依靠水平钢板将幕墙水平钢索预应力及地震等产生的水平力传递到钢桁架上，不但承载力强度高，受力可靠，而且可以适用钢桁架微小的竖向变形，这样对主体建筑结构及拉索幕墙都很有利。
下面结合一个工程实例，进一步说明本发明的优点：
某拉索幕墙位于两座建筑之间，幕墙跨度32m、高度24m，钢桁架竖向承力支座一端采用三向固定型球铰支座、另一端采用沿钢桁架伸长方向单向滑动的单向滑动型球铰支座，竖向承载力设计值均为5000KN；水平钢板2.1采用2块25mm厚、400mm宽的Q345钢板，水平承载力设计值为6200KN，很好地满足了工程要求。
综上，本发明解决了支承拉索幕墙的钢桁架在竖向钢索张拉预应力时支座可以自由转动、在水平钢索张拉预应力或地震时又能利用钢桁架将两侧建筑牢固连接的技术问题，很好地满足拉索幕墙的受力要求，有效协调钢桁架与两侧建筑的变形问题。
附图说明
图1为本发明涉及的顶部设有钢桁架的拉索幕墙支承体系的整体结构示意图；
图2为本发明涉及的顶部设有钢桁架的拉索幕墙支承体系的端部节点结构示意图；
图3为图2中A-A剖面的剖面结构示意图；
图4为图3中水平承力支座2与柱顶预埋件3.3的连接结构示意图；
图5为本发明涉及的钢桁架的实施例1的截面结构示意图；
图6为本发明涉及的钢桁架的实施例2的截面结构示意图；
图7为本发明涉及的钢桁架的实施例3的截面结构示意图。
附图标记：1-竖向承力支座、2-水平承力支座、2.1-水平钢板、2.2-连接焊缝、3-建筑主体结构、3.1-框架柱、3.2-框架梁、3.3-柱顶预埋件、3.4-柱侧预埋件、4-下部支承结构、5-钢桁架、5.1-下弦、5.2-上弦、5.3-中间腹杆、5.4-端腹杆、6-幕墙钢索、6.1-竖向钢索、6.2-水平钢索。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。
如图1所示，这种顶部设有钢桁架的拉索幕墙支承体系，包括：建筑主体结构3，所述建筑主体结构3可以是由框架柱3.1和框架梁3.2组成的框架结构，也可以是框架-支撑结构、或者剪力墙结构，根据工程设计决定，框架柱4.1可以为钢柱或混凝土柱；下部支承结构4，所述下部支承结构4是钢筋混凝土墙或者钢筋混凝土梁，位于幕墙底部；钢桁架5，所述钢桁架5支承在所述建筑主体结构3上端；钢桁架包括上弦5.2、下弦5.1、中间腹杆5.3和端腹杆5.4；幕墙钢索6，包括竖向钢索6.1和水平钢索6.2，竖向钢索6.1和水平钢索6.2呈网状布置，用来悬挂幕墙玻璃，所述竖向钢索6.1上端吊挂在所述钢桁架5上，下端与所述下部支承结构4连接，所述水平钢索6.2两端与所述建筑主体结构3连接。
这种顶部设有钢桁架的拉索幕墙支承体系，如图1所示，所述钢桁架5两端分别设有竖向承力支座1和水平承力支座2；所述竖向承力支座1主要承担桁架竖向力、在桁架竖向平面内允许转动,一般固定安装在建筑主体结构3顶部与钢桁架端腹杆5.4之间，也可以将框架柱3.1向上延伸一点，将该支座安装在框架柱3.1顶部与钢桁架上弦端节点5.4之间；所述水平承力支座2主要承担平行与垂直与桁架的水平力、并允许产生竖向变形，固定安装在建筑主体结构3侧面与钢桁架下弦5.1之间；所述水平承力支座2是在钢桁架5和竖向承力支座1安装后，幕墙竖向钢索6.1进行预应力张拉完毕，待钢桁架5主要竖向变形完成后再进行安装的。当框架柱3.1为混凝土柱时，框架柱3.1的顶部设柱顶预埋件3.3，侧壁设有柱侧预埋件3.4，柱顶预埋件3.3与竖向承力支座1的底部固定连接，柱侧预埋件3.4与水平承力支座2的一边焊接固定；为钢柱时，将竖向承力支座1和水平钢板2直接与钢柱连接。
如图2所示，本实施例中，竖向承力支座1为球铰支座；优选地，两个竖向承力支座1中，一个是三向固定型球铰支座，另一个为沿钢桁架长度方向单向滑动的单向滑动型球铰支座；竖向承力支座1还可以采用橡胶垫支座，但橡胶垫支座竖向承载力不如球铰支座高，而且将产生一定竖向变形，因此其效果不如球铰支座好。
水平承力支座2所述水平承力支座2在钢桁架5竖向承力支座安装后、幕墙竖向钢索6.1进行预应力张拉完毕、待钢桁架5主要竖向变形完成后才进行安装的，可以采用竖向单向滑动的单向滑动型球铰支座，优选的，如图3、图4所示，水平承力支座2为互相平行水平设置水平钢板2.1，水平设置的钢板可以适应一定的竖向变形，又能承受较大的水平力，可靠性更高，造价更便宜，比球铰支座效果更好。水平钢板2.1固定安装在建筑主体结构3侧壁与钢桁架下弦5.1之间，高度与框架梁4.2对应。在幕墙竖向钢索6.1预应力张拉后，水平钢板2.1分别与柱侧预埋件3.4和钢桁架的下弦5.1采用焊缝2.2进行连接，完成整个支座安装。水平钢板2.1数量、厚度、尺寸可以根据受力大小来确定。优选的，水平钢板2.1数量为1～4块板，厚度为10～30mm，长度为200～400mm。所述下弦5.1、水平承力支座2与框架梁3.2三者的水平向中轴线应对应重合。
在本发明上述实施例的顶部设有钢桁架的拉索幕墙支承体系中，钢桁架杆件截面可以采用H型钢、圆钢管、矩形钢管，钢桁架可以采用单片桁架，也可以采用由2根上弦、1根下弦组成的三角型立体桁架，还可以采用由2根上弦、2根下弦组成的矩形立体桁架。如图5所示，钢桁架可以为单片桁架，上下弦均为H型钢截面，参照图2，桁架每端设有1个竖向承力支座1和1个水平承力支座2与建筑主体结构3连接。如图6所示，钢桁架可以为三角形立体桁架，上下弦均为矩形钢管，参照图2，桁架每端设有2个竖向承力支座1和1个水平承力支座2与建筑主体结构3连接。如图7所示，钢桁架也可以为矩形立体桁架，上下弦均为矩形钢管，参照图2，桁架每端设有2个竖向承力支座1和2个水平承力支座2与建筑主体结构3连接。跨度不大时，可以采用单片桁架，跨度大时，采用三角形或者矩形立体桁架承载力更高，空间稳定性更好。
本发明还提供上述顶部设有钢桁架的拉索幕墙支承体系的施工方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、材料准备：包括幕墙拉索6、竖向承力支座1和水平承力支座2的材料准备或制作；
步骤二、钢桁架5的初步加工：依据设计尺寸，将钢桁架5的两个下角部上分别开一个用于架在建筑主体结构3上、大小与支承部分主体结构相适应的矩形缺口；
步骤三、钢桁架5的吊装：上端建筑主体结构3施工完毕后，将钢桁架5吊装至两侧建筑主体结构3顶端，依据缺口部位定位架在两侧的建筑主体结构3的框架柱3.1上；
步骤四、安装竖向承力支座1：竖向承力支座1的底部与框架柱3.1顶部的柱顶预埋件3.3焊接，竖向承力支座1的顶部与矩形缺口顶部的上弦端节点5.5或端腹杆5.4焊接固定；
步骤五、安装竖向钢索6.1：将竖向钢索6.1的上端挂接在下弦5.2上，竖向钢索6.1的下端与下部支承结构4连接固定；
步骤六、对竖向钢索6.1进行预应力张拉：对竖向钢索6.1进行预应力张拉，使钢桁架5完成竖向变形；
步骤七、安装水平承力支座2：将水平承力支座2的水平钢板水平焊接在框架柱3.1顶部的柱顶预埋件3.3与矩形缺口侧面的下弦5.2之间，使钢桁架5、建筑主体结构3与下部支承结构4连成整体；
步骤八、安装水平钢索6.2：将水平钢索6.2与建筑主体结构3连接，对水平钢索6.2进行预应力张拉，至此，拉索幕墙支承体系的施工完成。
本发明解决了支承拉索幕墙的钢桁架在竖向钢索张拉预应力时支座可以自由转动、在水平钢索张拉预应力或地震时又能利用钢桁架将两侧建筑牢固连接的技术问题，不但适用于顶部设有钢桁架的拉索幕墙支承体系，也适用于跨度较大、荷载重、需要将两侧建筑可靠连接的钢桁架。