單向單索結構點支式玻璃幕墻的結構設計

單向單索結構點支式玻璃幕墻的結構設計摘要：本文主要闡述單向單索幕墻的結構分析。包括點式玻璃的有限元分析，分析玻璃在六點和四點支撐情況的應力和撓度，以及對支撐點處產(chǎn)生的應力集中進行討論并采取一定的措施。然后對單向單索進行詳細的分析計算，采用非線性有限元進行計算，必要時需要考慮邊緣支撐結構的影響，建立整體模型進行分析計算。最后對實際施工過程中遇到的情況，進行說明。

關鍵詞：點式玻璃應力集中球鉸預應力單向單索整體模型

引言：現(xiàn)代人們對建筑物外觀的美觀要求越來越高，追求大空間，高通透，輕盈化，特別是一些大型的展覽中心，機場的候機樓等。單向單索幕墻一般只需要單向豎索來同時抵抗豎向和水平荷載，受力形式簡單明確，結構輕盈，占用的空間也相對較少。因此越來越多的大型公共建筑采用此種結構形式。本文結合工程實例分析單向單索結構的受力。

第一、工程實例概述

某工程位于上海，地面粗糙度按照C類考慮，柱間間距為9000mm。擬采

用單向單索點式玻璃幕墻，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的高度采用六點支撐，2000mm的高度采用四點支撐。上海地區(qū)基本風壓為0.55kPa，風壓高度變化系數(shù)為0.65，風荷載體型按照墻角位置系數(shù)為1.6.根據(jù)《索結構技術規(guī)程》單索結構的風振系數(shù)取為1.2~1.5。則基本風壓為Wk=0.55x0.65x1.6x1.5=0.858kPa。根據(jù)上海市建筑幕墻工程技術規(guī)范，幕墻的墻角邊風壓值不應小于1.5kPa。溫度按照±30℃考慮。拉索上端拉到主體結構鋼管上，下端拉到主體混凝土結構上。

水平荷載標準值為qk=1.5kPa,自重為Gk=15mmx25.6kN/m3=0.384kPa,地震荷載qek=0.4xGk=0.15kPa根據(jù)《建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準》GB50068-2018，表8.2.9建筑結構的作用分項系數(shù)可變荷載為1.5。此工程模型如下圖一所示

圖一

第二、單向單索幕墻點式支撐玻璃分析

采用SAP2000對玻璃進行有限元分析計算。圖四為玻璃在固定夾具作用下的玻璃應力云圖，從此云圖可以看出玻璃中間點位置處的應該是最大的。圖五為玻璃在球鉸夾具作用下的玻璃應力云圖，從此云圖可以看出玻璃中間點位置處的應力依然是最大的，但相對于固定夾具作用下要小很多。比較兩張應力云圖，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力，減小玻璃的厚度，既安全又經(jīng)濟。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力

圖五球鉸夾具作用下應力

單向單索幕墻的的支承結構是考慮拉索變形后形成的拋物線來抵抗外荷載的。根據(jù)《索結構技術規(guī)程》單索玻璃幕墻的最大撓度不應超過跨度的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。當采用固定夾具來固定玻璃時，在如此大的變形情況下，玻璃是無法自由變形的，因此在支撐點處就是會出現(xiàn)很較大的應力集中，從而導致玻璃破碎。采用球鉸夾具的話，從圖二可以，球鉸夾具可以轉動角度α/2+5°這樣玻璃可以相對的自由轉動，以適應拉索的大變形。這樣玻璃在支撐點處應力就會減小很多，滿足玻璃強度要求，保證安全。

第三、單向單索幕墻索結構分析

拉索是由索體和錨具組成的受力構件。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。錨具應能滿足安裝和調(diào)節(jié)的要求，錨具的極限承載力不應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，即說明索體松弛了，即將退出工作，機構失效。單索結構是靠索體的跨中變形來抵抗水平荷載。預應力拉索在沒有施加預應力的時候剛度為零，無法承受荷載，結構處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。在施加預應力后，拉索承受水平荷載，產(chǎn)生垂直于索軸向的變形時，通過索中拉力形成結構剛度，抵抗水平荷載。所以預應力的大小是跟索的撓度是反比的關系。受力示意如下圖圖六所示：

圖六拉索受力示意圖

結合以上實例，采用有限元軟件SAP2000對點支撐單索玻璃幕墻結構進行建模分析，詳細介紹其原理和步驟；

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。因此在分析時不能考慮其抗彎剛度的影響。在SAP2000中可簡化為采用框架截面，利用截面修正系數(shù)，將截面的主次慣性矩設置為較小的數(shù)值，并同時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)，以實現(xiàn)不考慮抗彎剛度的影響。

2)預應力的施加預應力的施加可通過溫度和應變兩種方式來實現(xiàn)。預應力與溫度的關系為（α-材料的線膨脹系數(shù)）；預應力與應變的關系為。此工程采用應變的方式施加預應力；本工程擬施加的預應力為100kN,因此需施加的應變?yōu)?。由于拉索邊界條件的特殊性，應變荷載的施加無法精確控制索體內(nèi)力，反復的施加調(diào)整，需要耗費大量的時間和精力。因此采用指定索體目標力即將預應力的目標力設置為預應力（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，最終達到目標軸向拉力。

3)索結構非線性分析根據(jù)《索結構技術規(guī)程》章節(jié)5.1.2索結構應分別對初始預應力狀態(tài)和荷載作用狀態(tài)下進行計算分析。分析時可不考慮材料非線性的影響，但應該考慮幾何非線性。拉索只能受拉不能受壓，因此一旦分析的過程中出現(xiàn)壓力，說明施加的預應力不夠，需要加大預應力。非線性工況的分析結果一般是不能直接線性疊加的，后一個非線性分析工況應從前一個非線性分析工況結束時開始，所有非線性分析工況按照確定的前后順序進行疊加，最后一個非線性工況里包含了前面各個分析工況的所有結果。本工程考慮了預應力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)（風荷載+地震荷載）。局部分析工況樹順序如下圖圖七所示

圖七分析工況順序

4)計算結果分析根據(jù)《索結構技術規(guī)程》拉索的主要控制指標為強度和撓度的校核。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)因個別因素的松弛，導致結構失效。由于不同廠家索體抗拉強度值還是會有一定的離散性，因此拉索考慮2.0的抗力分項系數(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，實際的最不利效應的拉力為166.5kN，336.23kN/166.5kN=2.02>2.0滿足強度要求。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、問題及分析

拉索幕墻的設計和施工均有一定的難度。本工程在設計和施工的時候主要遇到兩個問題。邊部的四點支撐的玻璃，有兩個點是固定在剛性較大的主體結構上的，另外兩個點是固定到柔性拉索結構上的。本工程玻璃分格為1500mm,，拉索最大變形達到105mm。經(jīng)分析計算，邊部玻璃約轉動±4°,玻璃和型材之間采用EPDM膠條，膠條中間開孔，以保證玻璃可以自由的轉動。二就是在施工的時候，當?shù)谝粚硬ＡО惭b完后，玻璃水平不齊，高高低低，視覺效果很差?，F(xiàn)場工作人想當然的增加拉索的預應力，覺得可以通過這樣把玻璃拉平對齊。由于頂部是連接到鋼管上，預應力的增加了，頂部鋼結構的變形也變大，適得其反，反而沒起到任何作用。而且這樣貿(mào)然的增加預應力，大大增加拉索的安全隱患。經(jīng)分析，頂部主鋼結構結構為焊接鋼管，焊接后出現(xiàn)扭曲，一旦施加預應力，鋼管變形增大，導致后續(xù)一系列問題。最后只能拆了重新施工，因此切記不可想當然的進行施工。

[結論及建議]：對單索結構的結構分析原理和應用的掌握包括拉索對主體結構影響的掌握，對拉索結構的安全性至關重要，因此要特別重視前期設計階段結構的力學分析。單向單索點式玻璃幕墻結構形式相對簡單，大大節(jié)省了支撐結構所占用的空間，是一種的全新的結構體系。但是單索幕墻變形較大，設計需要考慮變形的協(xié)調(diào)性，采取合理的設計措施保證玻璃面板在受荷時不產(chǎn)生過大的應力集中。以保證整個結構的安全可靠以及后期施工的順利。

[參考文獻]：

《玻璃幕墻工程技術規(guī)范》

JGJ102-2003

《上海市建筑幕墻工程技術規(guī)范》

DGJ08-56-2012

《建筑玻璃應用技術規(guī)程》

JGJ113-2015

《點支式玻璃幕墻工程技術規(guī)程》

CECS127:2001

《索結構技術規(guī)程》