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玻璃幕牆索結構概念設計分析及其要點

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玻璃幕牆索結構概念設計分析及其要點

發布日期:2019-11-14 作者: 點擊:

 玻璃幕牆索結構是近年來在國內外應用較為廣泛的一種新型幕牆結構型式。這種玻璃幕牆給人們帶來輕盈通透的視覺,特別適用於大型機場航站樓、會展中心、體育館、城市綜合體、超高層等公共建築中。眾所周知,索結構承擔玻璃幕牆的抗風支承結構的主要功能。它是一種特殊的結構,由於它的平麵外剛度較差,風荷載作用下會產生大撓度變形,表現出較明顯的幾何非線性特征。這種幕牆新結構體係以其特有的簡潔美觀、構造簡單、施工方便、成本低廉、不占室內空間等眾多優點而倍受業內外人士的青睞。由於玻璃幕牆索結構僅僅是主體建築的外圍護結構,隻有依賴主體結構具備邊界條件作為索結構的支承關係才能成立,在外荷載作用下,索的拉力非常大,給主體結構帶來較大的不利作用。這種由圍護結構分體係和主體建築總結構體係的相互關係複雜,必須依靠結構設計師運用結構概念設計知識來作結構設計合理判斷。所謂概念設計一般指不經詳細計算,尤其在一些難以作出精確理性分析或在規範中難以規定的問題中,依據主體結構體係和幕牆索結構體係之間的力學關係、結構破壞機理、和工程經驗所獲得的基本設計原則和設計思想,從整體的角度來確定幕牆結構的總體布置和細部構造措施的宏觀控製。

  2、索結構的概念設計分析

  2.1、索結構力學原理

  索結構抗風的力學原理和特點,可以用直線拉索抗風的力學原理和特點來代表。眾所周知,直線拉索施加了一定的預拉力後,就具備了一定的側向剛度,但這種剛度是很差的,風荷作用下會產生大撓度變形,如圖1所示。




  索撓度f與索截麵A,索拉力H外荷載qw之間均為非線性相關,必須用非線性理論進行計算分析。將直線拉索與常規的梁式結構作一比較,梁的抗風能力是由梁的截麵彎矩M,剪力Q和支座反力R提供的,如圖2所示。



當外荷載和梁的跨度確定後,這些M、Q、R也都確定了。當需要調整截麵尺寸時,隻有梁的撓度f發生變化,而這些內力參數是不會改變的,梁的強度控製和撓度控製可以獨立進行。對直線拉索來說,其抗風能力是由索拉力N,撓度f,支座反力H、R等提供的,當荷載和跨度確定後,索拉力N、撓度f和索截麵積A之間都是可變的,沒有固定的關係,可以作出多種不同組合的設計。現仍以圖1為例,對有關參數之間的關係作一分析。拉索承受風荷qw後,跨中彎矩

,跨中撓度為f,支座水平反力為H。由靜力平衡原理可知,

。當外荷qw和跨度L確定後

, 是一個常數,即Hf=常數,所以f越大H就越小。而支座反力H=Ho+Hq,其中預拉力Ho是可以人為調控的。通過調控Ho也就使得撓度f得到了調控。加大預拉力,可使f減小,但索的內力增大了。Hq是索從直線狀態變為有撓度f的曲線狀態時,索彈性伸長產生的索力增量對支座的水平作用力。索的截麵越大Hq就越大,Ho可越小,當索截麵加大到一定程度時,索中可以不加預拉力Ho就可滿足拉索的抗風要求,但這樣的設計索截麵太大,經濟上不合理。當荷載和跨度確定後,處理好索截麵、預拉力和撓度這三者之間的關係,索結構設計的重要任務。

  2.2、 索結構受力特點

  1)、直線拉索承受風荷後,必然產生撓度,隻有撓曲後的索才能將風荷向支座傳遞,撓度越大,抗風的能力越強。限製拉索的撓度,就是限製了索的抗風能力,所以拉索產生撓度是索具備抗風能力的必要條件,這是直線拉索和平麵索網抗風有別於其它結構的一個顯著特點。

  2)、拉索抗風前應施加一定的預拉力,預拉力越大,撓度反應越小,剛度越好,但索的總拉力也增大了,索本身的強度安全係數下降了,施工的難度增加了,周邊支承結構的負擔也加重了,所以預拉力又不應加得太大。如果索拉力太大,索本身的強度安全係數已不能滿足安全要求,隻有增大索截麵才行。

  3)、設計、施工中往往需要調整截麵,一般認為以大代小總是安全的,這對常規結構可以,對索結構則不一定安全,因為索斷麵增大後,撓度反應減小,索力增大,周邊結構的安全就可能受到威脅,所以調整截麵後必須重新分析。

  4)、常規結構的有關規範,從使用角度出發,都是限製結構變形的,因為這樣的限製不會影響結構承載能力的發揮,但對直線拉索來說,則必須允許產生大撓度變形,隻有產生了大變形,才會產生抗風能力,才會收到好的抗風效果,

  5)、直線索結構隻能承受拉力,不能承受壓力和剪力,隻有允許索結構產生較大幾何變形才能具備抗風的能力。控製預拉力大小是影響索結構抗風能力和經濟效果的關鍵因素。

  3、 索結構概念設計要點

  筆者通過多年來的工程實踐,總結出玻璃幕牆索結構在設計過程中要注意如下要點:

  3.1、幕牆索結構設計成立的必要條件就是其邊界結構,由索結構的力學原理分析可以看出,索結構在受力狀態下,其對支座的反力比常規設計下的梁結構大很多倍,因此邊界結構設計非常重要。若是主體結構除了承受自身荷載外,還要額外承擔幕牆索結構傳遞來的巨大拉力。

  3.2、主體結構若無邊界條件,必須另外設計邊界結構創造條件來實現索結構的支承目的。這裏要注意新的邊界結構和主體結構關係互相適應。

  3.3、直線索結構宜設計成單層索網,若不具備條件,由於單向單索結構體係跨中方向變形很大,宜在兩側幕牆端部設置伸縮縫或適應變形構造設計。

  3.4、索結構的預拉力不宜過大,按照《索結構技術規程》規定,單索結構最大撓度與其短邊跨度之比不得大於 1/45,索桁架最大撓度與跨度之比不得大於 1/200。

  3.5、索結構應分別進行初始預拉力和荷載作用下計算分析。由於單索結構的荷載作用與效應呈非線性關係,因此其計算應考慮幾何非線性影響。

  3.6、基於索結構對支承結構的變形敏感,支承結構變形對索的預拉力影響較大,因此建議有條件時將索結構和邊界結構一起計算。在施工張拉期間,應考慮索結構張拉順序計算互為影響,並且需做施工張拉模擬分析。

  3.7、斜麵幕牆不宜設計單索結構,必須設計的話,建議設計單層平麵索網結構,其構造設計應考慮消除索結構在幕牆自重作用下變形影響。

  3.8、索結構穿過主體結構要考慮與主體結構實際受力傳遞關係,其節點構造要分別滿足主體結構支承作用和變形影響。

  3.9、索結構的兩端與邊界結構連接構造設計應考慮方便預拉力調節和測量。

  3.10、為防止意外偶然因素影響,可以考慮設計彈簧裝置作為索結構的保險作用(如圖3),該彈簧裝置可以根據建築效果需要設計在上方還是下方,是外露還是隱藏式(注意圖中僅示意,水平方向設置可以參考豎向)。



  3.11、索結構不宜跨越建築伸縮縫,若由於設計需要必須跨越的話,應該充分計算主體結構伸縮變形對索結構的內力影響,其節點構造也必須考慮適應主體結構變形。

  3.12、要認真重視多家單位設計關係,索結構和邊界結構設計往往是兩家單位,更有甚者會存在多家單位設計,這時候必須主動和其他單位緊密協調,把索結構支座反力準確無誤傳遞給其他結構設計單位。並且還要考慮其他設計單位設計的邊界結構變形給索結構帶來不利影響。一般來說,由主體設計把兩個結構體係放在一個結構模型共同計算,考慮了互為影響,其計算結果準確度高。為消除各自結構設計考慮不周留下安全隱患打下了良好基礎。

  3.13、在建築主要立麵出人口設計索結構玻璃幕牆時,其豎向索結構下端支承在門鬥或雨棚結構上,支承結構要考慮索結構產生巨大拉力和風方向水平力,必要時把此結構和索結構建立統一模型共同計算。

  4、結語

  結構設計不是規範加計算,同樣索結構計算也是如此。一些人認為“隻要計算機算出來結果能滿足規範要求,就算設計成功”是錯誤的。有經驗的結構設計師往往不需先計算,就能根據建築結構和圍護結構關係來構思和判斷整個結構體係的安全性合理性,從而明確總結構體係和分結構體係之間最佳受力要求。特別是在方案設計階段,能通過概念性近視計算或估算進行探索,優化以致最後確定各分體係構件的合理尺寸,並確定設計方案的可行性。在整個設計過程中,應以正確的判斷力來把握設計。必須理解吃透規範條文,而不是生搬硬套,更不能盲目從一體化計算機設計和計算程序,任其隨意擺布。在玻璃幕牆索結構設計中尤其如此。隨著大量場館建築或超高層建築層出不窮,大跨度公共建築越來越多采用索結構玻璃幕牆,為人們在不斷增加物質文明同時也增添了不少精神文明的內容。然而僅管索結構的應用優勢明顯,由於玻璃幕牆索結構必須依賴其邊界結構的關係,若設計不當則會產生許多負麵影響,甚至導致設計安全事故。設計管理不到位導致在工程實踐中出現各種隱患已經屢見不鮮。各單位間發生矛盾扯皮也影響施工工期,嚴重影響工程質量,造成了不必要的經濟損失甚至安全隱患。特別是對於大跨度的索結構設計必須慎重。因此作為幕牆結構設計師必須要掌握豐富踏實的整體結構概念設計技能,理順主體結構體係和和索結構分體係的複雜關係。並且抱有對設計負有終身責任製的精神,充分認識索結構概念設計特點,牢牢把控索結構設計要點,緊密和主體結構設計單位合作,保證玻璃幕牆索結構設計安全可靠,經濟合理、科學完美。

  參考文獻

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  8、 花定興,昆明新機場航站樓拉索結構施工張拉設計分析;《大型複雜鋼結構—建築工程施工新技術與應用》中國建築出版社2012.3

  9、 花定興,華安保險總部大廈玻璃幕牆單層平麵索網結構施工張拉設計分析;《鋼結構與金屬屋麵新技術應用》 中國建築出版社2015.4


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