钱 妍

单层单向索结构玻璃幕墙的受力性能研究

钱 妍

利用大型有限元分析软件SAP2000介绍了单层单向索结构玻璃幕墙的组成,并对江苏省南通市中国近代第一城展览馆幕墙工程进行了风荷载研究,得出了一些有益的结论,为玻璃幕墙在今后的设计研究积累了丰富的资料。

单层单向索结构玻璃幕墙,风荷载,时程分析

玻璃幕墙是古老的建筑艺术和现代高科技产品相结合的产物。自 20世纪 50年代兴起,经历了半个多世纪的发展,现已经成为现代大都市的重要标志和现代主义建筑的一个显著特征。随着现代结构新兴技术的发展以及玻璃工艺的提高推广,玻璃幕墙的结构形式由单一的框架式发展成为多元化：肋玻结构形式,钢桁架结构形式,网架结构形式,索桁架结构形式等等。而其中以预应力拉索或拉杆作为支撑结构的玻璃幕墙以其简洁、通透的特点在国内外得到了广泛的应用。

单层单向索结构玻璃幕墙是预应力索结构点支式玻璃幕墙中的一种重要类型,其幕墙玻璃的支撑结构为单层平面索结构,它可以是一个单索结构单元组成的,也可以是由多个单索结构组成的玻璃幕墙,大大节省了支撑结构所用的空间,对于玻璃幕墙支撑结构来说,是一种全新的受力体系。

1 单层单向索结构玻璃幕墙的组成

单层单向索结构玻璃幕墙是将玻璃面板通过单层单向索网结构及钢爪固定在锚定结构上的玻璃幕墙,所以此类结构主要由锚定结构、单层单向索桁架、玻璃面板、连接爪件及垫层材料几部分组成。

1)锚定结构。锚定结构是指支撑体系(由屋面梁、楼板梁、地锚、水平基础梁等组成),玻璃幕墙通过它将所承受索的荷载传向基础,同时锚定结构还对索桁架进行张拉作用,使索桁架形成幕墙系统。采用索结构玻璃幕墙对其锚定结构除了承受使用荷载(结构自重和活、雪荷载)和水平作用(风荷载、地震作用)外,还要承受张拉索桁架的预应力以及索桁架受荷后产生的拉力(反推力),所以索结构的锚定结构必须具有很强的刚度。2)索桁架。索桁架是柔性的张拉结构,通过在高强钢索上施加预应拉力使其具有一定的形状,并且靠结构变形后产生的拉力来抵御外荷载。随着荷载的作用,索结构的刚度也在不断变化。对于索桁架结构既要保证有足够的拉力来平衡外力,又要求其变形不至过大,保证玻璃幕墙的功能。索桁架不但要满足初始状态的力系平衡,还应具有一定的张力储备,保证索桁架承受最大设计水平作用时结构的稳定性。3)玻璃面板。玻璃面板是玻璃幕墙的重要组成部分,玻璃作为外墙围护不仅具有外形美观的特性,还要有一定强度的物理性能。点支式玻璃幕墙所用的玻璃,由于钻孔而导致孔边玻璃强度降低约 30%,因此点式玻璃幕墙必须采用强度较高的钢化玻璃,钢化玻璃另一个重要特性是使用安全,在遇到较大外力而破坏时产生无锐角的细小碎块(俗称“玻璃雨”),不易伤人。4)连接爪件。连接爪件又称驳接系统,它的作用是将玻璃和支撑体系(索桁架结构)连接起来,另外驳接爪还起到补偿玻璃加工与结构制作间产生的尺寸偏差的作用。驳接系统由不锈钢驳接头、驳接爪两部分组成。5)垫层材料。玻璃幕墙在使用过程中,为了避免连接爪件直接与玻璃板硬性连接而产生的摩擦噪声,同时可以防止玻璃与垫层之间的相对滑移,在玻璃与连接爪件之间应设有垫层材料。这种垫层材料具有韧性、弹性、耐久性以及一定的硬度,从而起到减少玻璃孔边缘局部应力,并使玻璃和连接爪件紧密结合的作用。

2 风荷载作用下单层单向索结构玻璃幕墙的受力性能研究

大量研究结果[1,2]表明,影响单层单向索结构玻璃幕墙性能的主要因素有：玻璃面板厚度、拉索的截面面积以及拉索的预拉力。本文以江苏省南通市中国近代第一城展览馆幕墙工程为实例,利用大型有限元分析软件SAP2000对单层单向索结构玻璃幕墙在风荷载作用下的各项指标进行研究。

2.1 模型的建立

对江苏省南通市中国近代第一城展览馆幕墙工程进行分析,取其一个标准结构单元,建立有限元模型。

2.2 模型的材料性质

1)玻璃的材料性质。本工程采用中空玻璃,为了便于有限元模型分析,将中空玻璃通过规范给出的公式,等效换算成单层玻璃。JGJ 102-2003玻璃幕墙工程技术规范规定,中空玻璃的折算厚度可按式(1)计算。其他各项指标如下：密度：2 560 kg/m3;弹性模量：0.72×105N/mm2;泊松比：0.2。

其中,t1,t2分别为中空玻璃内、外片玻璃的厚度。

2)单层索网平面支撑体系的材料性质。工程采用单层单向索网结构作为玻璃幕墙的支撑体系,单层单向索网的受拉构件为不锈钢拉索,其物理性能如下：密度：7 850 kg/m3;弹性模量：1.5×105N/mm2;泊松比：0.3;预拉力：60 kN。

3)连接爪件的材料性质。工程采用 224系列X型不锈钢爪,其物理性能如下：密度：7 850 kg/m3;弹性模量：2.06×105N/mm2;泊松比：0.3。

4)模态。本文给出了该模型前六阶模态,各模态的频率见表 1。

表1 各模态频率表

2.3 两种工况的比较

玻璃表面的最大应力以及玻璃幕墙的挠度是玻璃幕墙在使用过程中最为重要的两个因素。由于增大玻璃厚度可以有效的降低玻璃表面的最大应力以及幕墙的挠度,本文通过对工程实际应用提出一种改进的设计方法：在增加玻璃面板厚度的同时,适当减少拉索的截面面积。其可以达到有效改善玻璃幕墙的受力性能,并可节约钢材,增加结构的保温性能。

目前,中国玻璃幕墙规范中,在验算点支式玻璃幕墙边孔应力时,钢化玻璃的强度设计值为58.8MPa,本工程采用的拉索破断力为 1 470MPa。表 2给出了幕墙最大响应及其与极限值之比。

表2 幕墙最大响应及其与极限值之比

3 结语

本文选取江苏省南通市中国近代第一城展览馆幕墙工程进行实例研究。江苏省南通市中国近代第一城展览馆幕墙工程为单层单向索结构玻璃幕墙,本文选取了其中一个标准结构单元,运用 SAP2000有限元程序进行建模,并对其施加了 FORTRAN语

言模拟的风荷载时程曲线,进行时程响应分析。通过对比工程实际方案和文章提出的改进方案,得到以下结论：1)相对于工程实际设计方案,文章增大了玻璃面板厚度,减小了拉索直径。在风荷载作用下玻璃表面的最大应力以及最大顺风向位移都明显减小,幕墙的拉索最大应力明显增大。符合现有文献中玻璃幕墙的材料力学性能。2)通过两种工况下,幕墙各项性质与其最大值之比可以看出,本文提出的改进方案可以有效改善幕墙的受力性能,调整幕墙结构的能量储备,并能减少钢材的使用,以及增加结构的保温性能。建议在今后的幕墙设计中,应选取不同的构件进行试算,选取其中最优的结果。

[1]吕令毅,徐 宁.点连接式玻璃幕墙的分析设计施工[M].南京：东南大学出版社,2003.

[2]祁 涛.单层索网点支式玻璃幕墙的承载性能研究[J].湖南文理学院学报(自然科学版),2005,17(2)：55-57.

[3]洪天华.风荷载作用下点支式玻璃幕墙的动力性能研究[D].大连：大连理工大学,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

钱 妍(1979-),女,同济大学土木工程学院工程硕士研究生,上海 200092