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曲面索结构玻璃幕墙承载性能的探讨（二）

——寿光文化中心索结构幕墙

发布时间：2010-08-24

作者：王德勤

【摘  要】：本文从寿光市文化中心预应力索桁架结构点式玻璃幕墙的实际工程入手，对支承结构的设计、构造技术进行了讨论。对索结构点式玻璃幕墙的承载能力进行分析，特别是对于索结构点支式玻璃幕墙的预应力形成及部分重要节点处理方案和设计方法作了分析。
【关键词】：索结构点式玻璃幕墙，点支式支承，节点设计，预应力，钢索预张拉处理。

    2.2.3 索桁架结构点式玻璃幕墙的转角节点
    在曲面索结构玻璃幕墙的转角外观上采用了两种形式，在锐角转角位置上采用了三根大钢柱，形成空间钢桁架进行支承。用空间钢桁架的大刚度对水平布置的索桁架支坐反力进行支承。
    在直角转角处采用了对单根立柱进行预应力反向加强的办法，采用了并排多根钢索，从立柱的顶部到底部进行张拉、作整体的平衡。用此办法来抵抗由于水平布置的索桁架，在预应力施加时对钢立柱产生的侧向变形。(如图2.2.3)

图2.2.3 直角转角处采用了预应力反向加强节点

    2.2.4 预应力自平衡索桁架结构点式玻璃幕墙节点
    为解决A立面玻璃幕墙在受荷载时转角立柱的稳定性，设置了预应力自平衡索桁架结构作为A立面玻璃幕墙支承系统。
    山东寿光文化中心项目的自平衡索桁架的布设，是按水平方向布置的。在水平布置自平衡索桁架时，应该充分考虑到其在自重情况下产生的平面外变形和在受荷载过程中索桁架的稳定性。所以在自平衡索桁架的中部撑杆上，安装了平面外稳定索来确保索桁架在进入工作状态时的稳定性。(如图2.2.4-1、2.2.4-2)

图2.2.4-1 预应力自平衡索桁架中部节点俯视图

图2.2.4-2 自平衡索桁架中部节点剖视图

     2.2.5 索桁架结构点式玻璃幕墙的顶部、底部节点
    在顶部节点处理上应充分考虑到幕墙安装结束后，室内吊顶和内装收口的空间。由于山东寿光文化中心项目的顶部支承结构为钢结构支承，给幕墙在顶部收口和支承提供了便利的条件。(如图2.2.5-2)
    底部收口按常规应考虑到地面石材收口线，将竖向索的可调装置安装在竖向索的下端，以便在幕墙在使用状态时对索的内力进行调整和监控。(如图2.2.5-1)

    3、索桁架结构点式玻璃幕墙的承载能力分析
    本章以寿光市文化中心的实际工程为出发点结合参数分析的结论，应用大型有限元计算软件ANSYS，针对索结构玻璃幕墙支承体系给出了有限元分析的实用方法。考虑了模型在水平荷载作用下所表现出来的大变形、小应变和非线性的力学性能特点，对这类工程的结构分析具有一定的指导性。

    3.1 分析过程
    3.1.1 分析基本步骤
    （1）根据周围环境特点及建筑要求进行结构选型，并绘出简图。
    （2）找出理论依据及基本假定建立实体模型。确定边界条件、单元类型及单元之间的约束自由度，将实体模型简化为有限元模型。
    （3）根据项目特点确定各种荷载的取值。列出工况表，根据不同目标准则选取最不利工况。
    （4）确定分析方法和计算工具，得出计算结果。根据设计许可值要求对各种结果进行分析，最后给出结论。

    3.1.2 计算模型
    （1）边界条件：索结构在承受法向力时产生大变形，虽然结构单元受力变形，刚度未发生大的变化，但是几何刚度增大迅速。钢索张拉预应力后导致索体伸长，所以对周边支承点在钢索轴向相对位移极为敏感，轻微的位移都会导致内力骤变，从而引起结构破坏或刚度降低。因此在周边钢索支承结构刚度不足以满足钢索连接点支座位移量控制要求时，建议将这部分结构与钢索整体计算。
    （2）单元类型：钢索采用link10杆单元，ANSYS单元库中提供的link10单元是一个只拉（或只压）的两节点杆单元，每个节点有3个自由度。玻璃采用shell63板单元，shell63单元是一个能承受拉（压）力、剪力和弯矩的板单元，每个节点有6个自由度，包括3个线自由度和3个转动自由度，同时还考虑了应力刚化和大变形选项，玻璃面板采用此单元。在钢索节点和玻璃角点之间x和y方向则采用了带阻尼的combin14拉压弹簧单元来模拟节点约束，combin 14单元可以有纵向伸长以及扭转能力，没有质量。通过设置弹簧单元的选项，可以选择只有纵向伸长弹簧模型，它是一个单轴的单元，每个节点有三个节点自由度，不考虑弯曲和扭转。
    （3） 荷载取值：施加在幕墙上的直接作用有风荷载、自重等。间接作用有地震和温度作用等。
     ①、风荷载：要针对正常使用极限状态和承载力极限状态两方面的要求采用相应的风荷载值。风荷载标准值由基本风压ω计算或风洞试验得到。《建筑结构荷0载规范（GB50009）对垂直作用在幕墙、采光顶等围护结构表面单位面积上的风荷载标准值采用下述表达式：

ω_k=β_gzμ_sμ_zω₀   （3.1.2）    
式中   ω_k—风荷载标准值（kN/m²）
       β_gz—高度z处的阵风系数
       μ_s—风荷载体型系数
       μ_z—风压高度变化系数 z
       ω₀—幕墙所在地区的基本风压（kN/m²）
    （1）基本风压：基本风压是以当地比较空旷平坦地面上，离地10m高记录统计所得50年一遇10min平均最大风速的标准，按ω₀ =ν₀₂ /1600确定的风压值。

    《建筑结构荷载规范》（GB50009）规定，对风荷载比较敏感的高层建筑，根据重要性不同，分别采用重现期为50年或100年作为基本风速的取值依据，按极值I型分布，可导出不同重现期基本风压与重现期为50年的基本风压ω₀ 的近似关系：
    重现期为100年的基本风压：ω₁₀₀=1.2ω₀基本风压值按《建筑结构荷载规范》中的“全国基本风压分布图”采用。
    （2）风压高度变化系数：《建筑结构荷载规范》（GB50009）将地面粗糙度分为A、B、C、D四类。A类指近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠等；B类指空旷田野、乡村、丛林、丘陵及房屋比较稀少的乡镇和城市郊区；C类指有密集建筑群的城市市区；D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。
    （3）风荷载体型系数：对竖直的平面玻璃幕墙结构外表面：正压区按《建筑结构荷载规范》采用；负压区对墙面取μ_s=-1.0，对墙角边取μ_s=-1.8。对封闭式建筑内表面，按外表面风压的正负情况取－0.2或0.2。
    （4）阵风系数：对于维护结构，由于其刚性一般较大，在结构效应中可不必考虑其共振分量，此时可仅在平均风压的基础上，近似考虑脉动风瞬时的增大因素，通过阵风系数来计算其风荷载。阵风系数β_gz按《建筑结构荷载规范》确定。
    ②、温度荷载：索结构所受温度荷载的不利影响比大多数结构体系更加严重。根据索构造不难发现钢索处于半室外空间，长期受外界环境温度影响，索体工作温度变化快、幅度大，结构在正常使用期间温差按照±40°计算。受温度变化单索应力线性变化，当温度升高较大时将严重消弱体系承载能力；当温度降低较大时钢索内力增大，使得原有温度条件下的钢索内力平衡被打破，导致内力重新分配，钢索内力增大。
    此外，施工过程当中还要根据预张拉时的气温变化与有限元计算温度的差异调整钢索实
际预拉力，确保索内应力在温度变化过程中的均衡状态和安全性。
    ③、结构自重：结构自重按各部分的体积与容重的乘积计算。考虑材料规格尺寸的偏差及附属性构造零件，其荷载分项系数也可取为γ_G=1.2。
    ④、预拉力：预拉力的取值直接影响到体系刚度，通常设计索结构最大挠度控制取值按
《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ-102-2003，《建筑幕墙》 GB/T21086_2007结构单跨的1/200，以往的工程设计经验是当预拉力取钢索最大内力的50％时，钢索最大挠度满足控制要求。钢索最大内力可用拟梁法近似得出，拟梁法是假定在受法向力后钢索位移至变形允许值时达到平衡状态，对支座而言由跨中反弯点的位移值与拉力的乘积来抵抗该点的弯矩。在ANSYS程序中是通过输入初始应变施加，经试算后使钢索最大挠度较为精确的控制在结构单跨的1/200，此时钢索内力最小，选择的钢索规格最合理，实际加载取整数施加便于控制。
    ⑤、地震作用：地震作用是指地震时的地震波通过地基使建筑物产生振动的惯性力作用。包括幕墙结构的建筑结构，在地震荷载作用下与地震烈度、建筑物地基的性质、结构物的刚度、质量大小及其分布状况等都有关系，理论上应该通过结构地震随机振动分析确定其对不同结构的影响。但实际计算时，一般可采用简化方法。幕墙无需考虑竖向地震作用。水平地震作用（垂直于墙面方向或沿墙面水平方向）的标准值PEk，可近似按下式计算：
式中
PEk=β_Eα_maxG_k                  （3.1.2） 

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作者：王德勤

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