錢 妍

單層單向索結(jié)構(gòu)玻璃幕墻的受力性能研究

錢 妍

利用大型有限元分析軟件SAP2000介紹了單層單向索結(jié)構(gòu)玻璃幕墻的組成,并對江蘇省南通市中國近代第一城展覽館幕墻工程進行了風(fēng)荷載研究,得出了一些有益的結(jié)論,為玻璃幕墻在今后的設(shè)計研究積累了豐富的資料。

單層單向索結(jié)構(gòu)玻璃幕墻,風(fēng)荷載,時程分析

玻璃幕墻是古老的建筑藝術(shù)和現(xiàn)代高科技產(chǎn)品相結(jié)合的產(chǎn)物。自 20世紀 50年代興起,經(jīng)歷了半個多世紀的發(fā)展,現(xiàn)已經(jīng)成為現(xiàn)代大都市的重要標志和現(xiàn)代主義建筑的一個顯著特征。隨著現(xiàn)代結(jié)構(gòu)新興技術(shù)的發(fā)展以及玻璃工藝的提高推廣,玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)形式由單一的框架式發(fā)展成為多元化：肋玻結(jié)構(gòu)形式,鋼桁架結(jié)構(gòu)形式,網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式,索桁架結(jié)構(gòu)形式等等。而其中以預(yù)應(yīng)力拉索或拉桿作為支撐結(jié)構(gòu)的玻璃幕墻以其簡潔、通透的特點在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。

單層單向索結(jié)構(gòu)玻璃幕墻是預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)點支式玻璃幕墻中的一種重要類型,其幕墻玻璃的支撐結(jié)構(gòu)為單層平面索結(jié)構(gòu),它可以是一個單索結(jié)構(gòu)單元組成的,也可以是由多個單索結(jié)構(gòu)組成的玻璃幕墻,大大節(jié)省了支撐結(jié)構(gòu)所用的空間,對于玻璃幕墻支撐結(jié)構(gòu)來說,是一種全新的受力體系。

1 單層單向索結(jié)構(gòu)玻璃幕墻的組成

單層單向索結(jié)構(gòu)玻璃幕墻是將玻璃面板通過單層單向索網(wǎng)結(jié)構(gòu)及鋼爪固定在錨定結(jié)構(gòu)上的玻璃幕墻,所以此類結(jié)構(gòu)主要由錨定結(jié)構(gòu)、單層單向索桁架、玻璃面板、連接爪件及墊層材料幾部分組成。

1)錨定結(jié)構(gòu)。錨定結(jié)構(gòu)是指支撐體系(由屋面梁、樓板梁、地錨、水平基礎(chǔ)梁等組成),玻璃幕墻通過它將所承受索的荷載傳向基礎(chǔ),同時錨定結(jié)構(gòu)還對索桁架進行張拉作用,使索桁架形成幕墻系統(tǒng)。采用索結(jié)構(gòu)玻璃幕墻對其錨定結(jié)構(gòu)除了承受使用荷載(結(jié)構(gòu)自重和活、雪荷載)和水平作用(風(fēng)荷載、地震作用)外,還要承受張拉索桁架的預(yù)應(yīng)力以及索桁架受荷后產(chǎn)生的拉力(反推力),所以索結(jié)構(gòu)的錨定結(jié)構(gòu)必須具有很強的剛度。2)索桁架。索桁架是柔性的張拉結(jié)構(gòu),通過在高強鋼索上施加預(yù)應(yīng)拉力使其具有一定的形狀,并且靠結(jié)構(gòu)變形后產(chǎn)生的拉力來抵御外荷載。隨著荷載的作用,索結(jié)構(gòu)的剛度也在不斷變化。對于索桁架結(jié)構(gòu)既要保證有足夠的拉力來平衡外力,又要求其變形不至過大,保證玻璃幕墻的功能。索桁架不但要滿足初始狀態(tài)的力系平衡,還應(yīng)具有一定的張力儲備,保證索桁架承受最大設(shè)計水平作用時結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。3)玻璃面板。玻璃面板是玻璃幕墻的重要組成部分,玻璃作為外墻圍護不僅具有外形美觀的特性,還要有一定強度的物理性能。點支式玻璃幕墻所用的玻璃,由于鉆孔而導(dǎo)致孔邊玻璃強度降低約 30%,因此點式玻璃幕墻必須采用強度較高的鋼化玻璃,鋼化玻璃另一個重要特性是使用安全,在遇到較大外力而破壞時產(chǎn)生無銳角的細小碎塊(俗稱“玻璃雨”),不易傷人。4)連接爪件。連接爪件又稱駁接系統(tǒng),它的作用是將玻璃和支撐體系(索桁架結(jié)構(gòu))連接起來,另外駁接爪還起到補償玻璃加工與結(jié)構(gòu)制作間產(chǎn)生的尺寸偏差的作用。駁接系統(tǒng)由不銹鋼駁接頭、駁接爪兩部分組成。5)墊層材料。玻璃幕墻在使用過程中,為了避免連接爪件直接與玻璃板硬性連接而產(chǎn)生的摩擦噪聲,同時可以防止玻璃與墊層之間的相對滑移,在玻璃與連接爪件之間應(yīng)設(shè)有墊層材料。這種墊層材料具有韌性、彈性、耐久性以及一定的硬度,從而起到減少玻璃孔邊緣局部應(yīng)力,并使玻璃和連接爪件緊密結(jié)合的作用。

2 風(fēng)荷載作用下單層單向索結(jié)構(gòu)玻璃幕墻的受力性能研究

大量研究結(jié)果[1,2]表明,影響單層單向索結(jié)構(gòu)玻璃幕墻性能的主要因素有：玻璃面板厚度、拉索的截面面積以及拉索的預(yù)拉力。本文以江蘇省南通市中國近代第一城展覽館幕墻工程為實例,利用大型有限元分析軟件SAP2000對單層單向索結(jié)構(gòu)玻璃幕墻在風(fēng)荷載作用下的各項指標進行研究。

2.1 模型的建立

對江蘇省南通市中國近代第一城展覽館幕墻工程進行分析,取其一個標準結(jié)構(gòu)單元,建立有限元模型。

2.2 模型的材料性質(zhì)

1)玻璃的材料性質(zhì)。本工程采用中空玻璃,為了便于有限元模型分析,將中空玻璃通過規(guī)范給出的公式,等效換算成單層玻璃。JGJ 102-2003玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范規(guī)定,中空玻璃的折算厚度可按式(1)計算。其他各項指標如下：密度：2 560 kg/m3;彈性模量：0.72×105N/mm2;泊松比：0.2。

其中,t1,t2分別為中空玻璃內(nèi)、外片玻璃的厚度。

2)單層索網(wǎng)平面支撐體系的材料性質(zhì)。工程采用單層單向索網(wǎng)結(jié)構(gòu)作為玻璃幕墻的支撐體系,單層單向索網(wǎng)的受拉構(gòu)件為不銹鋼拉索,其物理性能如下：密度：7 850 kg/m3;彈性模量：1.5×105N/mm2;泊松比：0.3;預(yù)拉力：60 kN。

3)連接爪件的材料性質(zhì)。工程采用 224系列X型不銹鋼爪,其物理性能如下：密度：7 850 kg/m3;彈性模量：2.06×105N/mm2;泊松比：0.3。

4)模態(tài)。本文給出了該模型前六階模態(tài),各模態(tài)的頻率見表 1。

表1 各模態(tài)頻率表

2.3 兩種工況的比較

玻璃表面的最大應(yīng)力以及玻璃幕墻的撓度是玻璃幕墻在使用過程中最為重要的兩個因素。由于增大玻璃厚度可以有效的降低玻璃表面的最大應(yīng)力以及幕墻的撓度,本文通過對工程實際應(yīng)用提出一種改進的設(shè)計方法：在增加玻璃面板厚度的同時,適當減少拉索的截面面積。其可以達到有效改善玻璃幕墻的受力性能,并可節(jié)約鋼材,增加結(jié)構(gòu)的保溫性能。

目前,中國玻璃幕墻規(guī)范中,在驗算點支式玻璃幕墻邊孔應(yīng)力時,鋼化玻璃的強度設(shè)計值為58.8MPa,本工程采用的拉索破斷力為 1 470MPa。表 2給出了幕墻最大響應(yīng)及其與極限值之比。

表2 幕墻最大響應(yīng)及其與極限值之比

3 結(jié)語

本文選取江蘇省南通市中國近代第一城展覽館幕墻工程進行實例研究。江蘇省南通市中國近代第一城展覽館幕墻工程為單層單向索結(jié)構(gòu)玻璃幕墻,本文選取了其中一個標準結(jié)構(gòu)單元,運用 SAP2000有限元程序進行建模,并對其施加了 FORTRAN語

言模擬的風(fēng)荷載時程曲線,進行時程響應(yīng)分析。通過對比工程實際方案和文章提出的改進方案,得到以下結(jié)論：1)相對于工程實際設(shè)計方案,文章增大了玻璃面板厚度,減小了拉索直徑。在風(fēng)荷載作用下玻璃表面的最大應(yīng)力以及最大順風(fēng)向位移都明顯減小,幕墻的拉索最大應(yīng)力明顯增大。符合現(xiàn)有文獻中玻璃幕墻的材料力學(xué)性能。2)通過兩種工況下,幕墻各項性質(zhì)與其最大值之比可以看出,本文提出的改進方案可以有效改善幕墻的受力性能,調(diào)整幕墻結(jié)構(gòu)的能量儲備,并能減少鋼材的使用,以及增加結(jié)構(gòu)的保溫性能。建議在今后的幕墻設(shè)計中,應(yīng)選取不同的構(gòu)件進行試算,選取其中最優(yōu)的結(jié)果。

[1]呂令毅,徐 寧.點連接式玻璃幕墻的分析設(shè)計施工[M].南京：東南大學(xué)出版社,2003.

[2]祁 濤.單層索網(wǎng)點支式玻璃幕墻的承載性能研究[J].湖南文理學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2005,17(2)：55-57.

[3]洪天華.風(fēng)荷載作用下點支式玻璃幕墻的動力性能研究[D].大連：大連理工大學(xué),2007.

Research on stressed performance of single-layer and one-way cable structural glass curtain wall

QIAN Yan

The paper introduces the components of the single-layer and one-way cable structural glass curtain wallby a large scale of finite elementanalysis software SAP2000,undertakes the wind loading capacity research on the exhibition's curtain project in Nantong city of Jiangsu,which was regarded as the firstexhibitionmuseum in modern China,and has somebeneficial conclusions,so as to accumulate profound data for the design and research on the glass curtain wall in future.

single-layer and one-way cable structure glass curtain wall,wind loading,time-travel analysis

TU767.6

A

1009-6825(2011)03-0023-02

2010-09-20

錢 妍(1979-),女,同濟大學(xué)土木工程學(xué)院工程碩士研究生,上海 200092