單向單索結(jié)構(gòu)點(diǎn)支式玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單向單索結(jié)構(gòu)點(diǎn)支式玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要：本文主要闡述單向單索幕墻的結(jié)構(gòu)分析。包括點(diǎn)式玻璃的有限元分析，分析玻璃在六點(diǎn)和四點(diǎn)支撐情況的應(yīng)力和撓度，以及對(duì)支撐點(diǎn)處產(chǎn)生的應(yīng)力集中進(jìn)行討論并采取一定的措施。然后對(duì)單向單索進(jìn)行詳細(xì)的分析計(jì)算，采用非線性有限元進(jìn)行計(jì)算，必要時(shí)需要考慮邊緣支撐結(jié)構(gòu)的影響，建立整體模型進(jìn)行分析計(jì)算。最后對(duì)實(shí)際施工過(guò)程中遇到的情況，進(jìn)行說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：點(diǎn)式玻璃應(yīng)力集中球鉸預(yù)應(yīng)力單向單索整體模型

引言：現(xiàn)代人們對(duì)建筑物外觀的美觀要求越來(lái)越高，追求大空間，高通透，輕盈化，特別是一些大型的展覽中心，機(jī)場(chǎng)的候機(jī)樓等。單向單索幕墻一般只需要單向豎索來(lái)同時(shí)抵抗豎向和水平荷載，受力形式簡(jiǎn)單明確，結(jié)構(gòu)輕盈，占用的空間也相對(duì)較少。因此越來(lái)越多的大型公共建筑采用此種結(jié)構(gòu)形式。本文結(jié)合工程實(shí)例分析單向單索結(jié)構(gòu)的受力。

第一、工程實(shí)例概述

某工程位于上海，地面粗糙度按照C類(lèi)考慮，柱間間距為9000mm。擬采

用單向單索點(diǎn)式玻璃幕墻，拉索高度為6000mm，玻璃水平分格為1500mm，玻璃高度為4000mm和2000mm。采用的玻璃為15mm厚的單片鋼化玻璃。4000mm的高度采用六點(diǎn)支撐，2000mm的高度采用四點(diǎn)支撐。上海地區(qū)基本風(fēng)壓為0.55kPa，風(fēng)壓高度變化系數(shù)為0.65，風(fēng)荷載體型按照墻角位置系數(shù)為1.6.根據(jù)《索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》單索結(jié)構(gòu)的風(fēng)振系數(shù)取為1.2~1.5。則基本風(fēng)壓為Wk=0.55x0.65x1.6x1.5=0.858kPa。根據(jù)上海市建筑幕墻工程技術(shù)規(guī)范，幕墻的墻角邊風(fēng)壓值不應(yīng)小于1.5kPa。溫度按照±30℃考慮。拉索上端拉到主體結(jié)構(gòu)鋼管上，下端拉到主體混凝土結(jié)構(gòu)上。

水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值為qk=1.5kPa,自重為Gk=15mmx25.6kN/m3=0.384kPa,地震荷載qek=0.4xGk=0.15kPa根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB50068-2018，表8.2.9建筑結(jié)構(gòu)的作用分項(xiàng)系數(shù)可變荷載為1.5。此工程模型如下圖一所示

圖一

第二、單向單索幕墻點(diǎn)式支撐玻璃分析

采用SAP2000對(duì)玻璃進(jìn)行有限元分析計(jì)算。圖四為玻璃在固定夾具作用下的玻璃應(yīng)力云圖，從此云圖可以看出玻璃中間點(diǎn)位置處的應(yīng)該是最大的。圖五為玻璃在球鉸夾具作用下的玻璃應(yīng)力云圖，從此云圖可以看出玻璃中間點(diǎn)位置處的應(yīng)力依然是最大的，但相對(duì)于固定夾具作用下要小很多。比較兩張應(yīng)力云圖，約降低了60%。這樣在相同荷載作用下大幅度的降低的玻璃的應(yīng)力，減小玻璃的厚度，既安全又經(jīng)濟(jì)。固定夾具及球鉸夾具如下圖二和圖三所示

圖二固定夾具

圖三球鉸夾具

圖四固定夾具作用下應(yīng)力

圖五球鉸夾具作用下應(yīng)力

單向單索幕墻的的支承結(jié)構(gòu)是考慮拉索變形后形成的拋物線來(lái)抵抗外荷載的。根據(jù)《索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》單索玻璃幕墻的最大撓度不應(yīng)超過(guò)跨度的L/45。因此拉索的變形量還是很大的。眾所周知，玻璃為脆性材料。當(dāng)采用固定夾具來(lái)固定玻璃時(shí)，在如此大的變形情況下，玻璃是無(wú)法自由變形的，因此在支撐點(diǎn)處就是會(huì)出現(xiàn)很較大的應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致玻璃破碎。采用球鉸夾具的話，從圖二可以，球鉸夾具可以轉(zhuǎn)動(dòng)角度α/2+5°這樣玻璃可以相對(duì)的自由轉(zhuǎn)動(dòng)，以適應(yīng)拉索的大變形。這樣玻璃在支撐點(diǎn)處應(yīng)力就會(huì)減小很多，滿足玻璃強(qiáng)度要求，保證安全。

第三、單向單索幕墻索結(jié)構(gòu)分析

拉索是由索體和錨具組成的受力構(gòu)件。索體是拉索受力的主要部分，主要采用鋼絲束，鋼絞線和鋼絲繩。錨具應(yīng)能滿足安裝和調(diào)節(jié)的要求，錨具的極限承載力不應(yīng)低于索體的最小破斷拉力。。索體是只能承受拉力而不能受壓的，一旦索體內(nèi)力出現(xiàn)受壓，即說(shuō)明索體松弛了，即將退出工作，機(jī)構(gòu)失效。單索結(jié)構(gòu)是靠索體的跨中變形來(lái)抵抗水平荷載。預(yù)應(yīng)力拉索在沒(méi)有施加預(yù)應(yīng)力的時(shí)候剛度為零，無(wú)法承受荷載，結(jié)構(gòu)處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。在施加預(yù)應(yīng)力后，拉索承受水平荷載，產(chǎn)生垂直于索軸向的變形時(shí)，通過(guò)索中拉力形成結(jié)構(gòu)剛度，抵抗水平荷載。所以預(yù)應(yīng)力的大小是跟索的撓度是反比的關(guān)系。受力示意如下圖圖六所示：

圖六拉索受力示意圖

結(jié)合以上實(shí)例，采用有限元軟件SAP2000對(duì)點(diǎn)支撐單索玻璃幕墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，詳細(xì)介紹其原理和步驟；

1)索的模擬索體是柔性的，且只能承受拉力，不能承受壓力更不能起到抵抗彎矩的作用。因此在分析時(shí)不能考慮其抗彎剛度的影響。在SAP2000中可簡(jiǎn)化為采用框架截面，利用截面修正系數(shù)，將截面的主次慣性矩設(shè)置為較小的數(shù)值，并同時(shí)注意模型中框架截面面積與索體面積的修正。本工程擬采用直徑22mm的鋼索，索的斷面積為286mm2，軟件中采用圓鋼框架截面的面積為380mm2。因此截面面積需考慮0.75的修正系數(shù)。截面的抗彎剛度考慮0.01的修正系數(shù)，以實(shí)現(xiàn)不考慮抗彎剛度的影響。

2)預(yù)應(yīng)力的施加預(yù)應(yīng)力的施加可通過(guò)溫度和應(yīng)變兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。預(yù)應(yīng)力與溫度的關(guān)系為（α-材料的線膨脹系數(shù)）；預(yù)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系為。此工程采用應(yīng)變的方式施加預(yù)應(yīng)力；本工程擬施加的預(yù)應(yīng)力為100kN,因此需施加的應(yīng)變?yōu)?。由于拉索邊界條件的特殊性，應(yīng)變荷載的施加無(wú)法精確控制索體內(nèi)力，反復(fù)的施加調(diào)整，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力。因此采用指定索體目標(biāo)力即將預(yù)應(yīng)力的目標(biāo)力設(shè)置為預(yù)應(yīng)力（此工程為100kN）。SAP2000程序內(nèi)部以多次迭代的方式施加軸向變形，最終達(dá)到目標(biāo)軸向拉力。

3)索結(jié)構(gòu)非線性分析根據(jù)《索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》章節(jié)5.1.2索結(jié)構(gòu)應(yīng)分別對(duì)初始預(yù)應(yīng)力狀態(tài)和荷載作用狀態(tài)下進(jìn)行計(jì)算分析。分析時(shí)可不考慮材料非線性的影響，但應(yīng)該考慮幾何非線性。拉索只能受拉不能受壓，因此一旦分析的過(guò)程中出現(xiàn)壓力，說(shuō)明施加的預(yù)應(yīng)力不夠，需要加大預(yù)應(yīng)力。非線性工況的分析結(jié)果一般是不能直接線性疊加的，后一個(gè)非線性分析工況應(yīng)從前一個(gè)非線性分析工況結(jié)束時(shí)開(kāi)始，所有非線性分析工況按照確定的前后順序進(jìn)行疊加，最后一個(gè)非線性工況里包含了前面各個(gè)分析工況的所有結(jié)果。本工程考慮了預(yù)應(yīng)力PS（包括拉索本身自重）工況，自重工況D，溫度工況（TP,TN），水平荷載(WP,WN,qek)（風(fēng)荷載+地震荷載）。局部分析工況樹(shù)順序如下圖圖七所示

圖七分析工況順序

4)計(jì)算結(jié)果分析根據(jù)《索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》拉索的主要控制指標(biāo)為強(qiáng)度和撓度的校核。索體的撓度控制，單向單索的的撓度控制為不宜大于L/45(L為跨度)。永久荷載作用下，索不得出現(xiàn)松弛的現(xiàn)象?？勺兒奢d作用下，不得出現(xiàn)因個(gè)別因素的松弛，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。由于不同廠家索體抗拉強(qiáng)度值還是會(huì)有一定的離散性，因此拉索考慮2.0的抗力分項(xiàng)系數(shù)，以確保安全可靠。本工程采用22mm的不銹鋼拉索，鋼索的最小破斷拉力為336.23kN，實(shí)際的最不利效應(yīng)的拉力為166.5kN，336.23kN/166.5kN=2.02>2.0滿足強(qiáng)度要求。最大撓度變形為105mm,允許變形為6000mm/45=133mm>105mm，滿足變形要求。

第四、問(wèn)題及分析

拉索幕墻的設(shè)計(jì)和施工均有一定的難度。本工程在設(shè)計(jì)和施工的時(shí)候主要遇到兩個(gè)問(wèn)題。邊部的四點(diǎn)支撐的玻璃，有兩個(gè)點(diǎn)是固定在剛性較大的主體結(jié)構(gòu)上的，另外兩個(gè)點(diǎn)是固定到柔性拉索結(jié)構(gòu)上的。本工程玻璃分格為1500mm,，拉索最大變形達(dá)到105mm。經(jīng)分析計(jì)算，邊部玻璃約轉(zhuǎn)動(dòng)±4°,玻璃和型材之間采用EPDM膠條，膠條中間開(kāi)孔，以保證玻璃可以自由的轉(zhuǎn)動(dòng)。二就是在施工的時(shí)候，當(dāng)?shù)谝粚硬ＡО惭b完后，玻璃水平不齊，高高低低，視覺(jué)效果很差。現(xiàn)場(chǎng)工作人想當(dāng)然的增加拉索的預(yù)應(yīng)力，覺(jué)得可以通過(guò)這樣把玻璃拉平對(duì)齊。由于頂部是連接到鋼管上，預(yù)應(yīng)力的增加了，頂部鋼結(jié)構(gòu)的變形也變大，適得其反，反而沒(méi)起到任何作用。而且這樣貿(mào)然的增加預(yù)應(yīng)力，大大增加拉索的安全隱患。經(jīng)分析，頂部主鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)為焊接鋼管，焊接后出現(xiàn)扭曲，一旦施加預(yù)應(yīng)力，鋼管變形增大，導(dǎo)致后續(xù)一系列問(wèn)題。最后只能拆了重新施工，因此切記不可想當(dāng)然的進(jìn)行施工。

[結(jié)論及建議]：對(duì)單索結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析原理和應(yīng)用的掌握包括拉索對(duì)主體結(jié)構(gòu)影響的掌握，對(duì)拉索結(jié)構(gòu)的安全性至關(guān)重要，因此要特別重視前期設(shè)計(jì)階段結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析。單向單索點(diǎn)式玻璃幕墻結(jié)構(gòu)形式相對(duì)簡(jiǎn)單，大大節(jié)省了支撐結(jié)構(gòu)所占用的空間，是一種的全新的結(jié)構(gòu)體系。但是單索幕墻變形較大，設(shè)計(jì)需要考慮變形的協(xié)調(diào)性，采取合理的設(shè)計(jì)措施保證玻璃面板在受荷時(shí)不產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力集中。以保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全可靠以及后期施工的順利。

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