单向单索结构点支式玻璃幕墙的结构设计

单向单索结构点支式玻璃幕墙的结构设计

费秀凤

嘉特纳幕墙（上海）有限公司

摘要： 本文主要阐述单向单索幕墙的结构分析。包括点式玻璃的有限元分析，分析玻璃在六点和四点支撑情况的应力和挠度，以及对支撑点处产生的应力集中进行讨论并采取一定的措施。然后对单向单索进行详细的分析计算，采用非线性有限元进行计算，必要时需要考虑边缘支撑结构的影响，建立整体模型进行分析计算。最后对实际施工过程中遇到的情况，进行说明。

关键词： 点式玻璃 应力集中 球铰 预应力 单向单索 整体模型

引言： 现代人们对建筑物外观的美观要求越来越高，追求大空间，高通透，轻盈化，特别是一些大型的展览中心，机场的候机楼等。单向单索幕墙一般只需要单向竖索来同时抵抗竖向和水平荷载，受力形式简单明确，结构轻盈，占用的空间也相对较少。因此越来越多的大型公共建筑采用此种结构形式。本文结合工程实例分析单向单索结构的受力。

工程实例概述

某工程位于上海，地面粗糙度按照C类考虑，柱间间距为9000mm。拟采

用单向单索点式玻璃幕墙，拉索高度为6000mm，玻璃水平分格为1500mm，玻璃高度为4000mm和2000mm。采用的玻璃为15mm厚的单片钢化玻璃。4000mm的高度采用六点支撑，2000mm的高度采用四点支撑。上海地区基本风压为0.55kPa，风压高度变化系数为0.65，风荷载体型按照墙角位置系数为1.6.根据《索结构技术规程》单索结构的风振系数取为1.2~1.5。则基本风压为Wk=0.55x0.65x1.6x1.5=0.858kPa。根据上海市建筑幕墙工程技术规范，幕墙的墙角边风压值不应小于1.5kPa。温度按照±30℃考虑。拉索上端拉到主体结构钢管上，下端拉到主体混凝土结构上。

水平荷载标准值为qk=1.5kPa,自重为Gk=15mmx25.6kN/m³=0.384kPa,地震荷载qek=0.4xGk=0.15kPa根据《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068-2018，表8.2.9建筑结构的作用分项系数可变荷载为1.5。此工程模型如下图一所示

图一

单向单索幕墙点式支撑玻璃分析

采用SAP2000对玻璃进行有限元分析计算。图四为玻璃在固定夹具作用下的玻璃应力云图，从此云图可以看出玻璃中间点位置处的应该是最大的。图五为玻璃在球铰夹具作用下的玻璃应力云图，从此云图可以看出玻璃中间点位置处的应力依然是最大的，但相对于固定夹具作用下要小很多。比较两张应力云图，约降低了60%。这样在相同荷载作用下大幅度的降低的玻璃的应力，减小玻璃的厚度，既安全又经济。固定夹具及球铰夹具如下图二和图三所示

图二 固定夹具 图三 球铰夹具

图四 固定夹具作用下应力 图五 球铰夹具作用下应力

单向单索幕墙的的支承结构是考虑拉索变形后形成的抛物线来抵抗外荷载的。根据《索结构技术规程》单索玻璃幕墙的最大挠度不应超过跨度的L/45。因此拉索的变形量还是很大的。众所周知，玻璃为脆性材料。当采用固定夹具来固定玻璃时，在如此大的变形情况下，玻璃是无法自由变形的，因此在支撑点处就是会出现很较大的应力集中，从而导致玻璃破碎。采用球铰夹具的话，从图二可以，球铰夹具可以转动角度α/2+5°这样玻璃可以相对的自由转动，以适应拉索的大变形。这样玻璃在支撑点处应力就会减小很多，满足玻璃强度要求，保证安全。

单向单索幕墙索结构分析

拉索是由索体和锚具组成的受力构件。索体是拉索受力的主要部分，主要采用钢丝束，钢绞线和钢丝绳。锚具应能满足安装和调节的要求，锚具的极限承载力不应低于索体的最小破断拉力。。索体是只能承受拉力而不能受压的，一旦索体内力出现受压，即说明索体松弛了，即将退出工作，机构失效。单索结构是靠索体的跨中变形来抵抗水平荷载。预应力拉索在没有施加预应力的时候刚度为零，无法承受荷载，结构处于不稳定的状态。在施加预应力后，拉索承受水平荷载，产生垂直于索轴向的变形时，通过索中拉力形成结构刚度，抵抗水平荷载。所以预应力的大小是跟索的挠度是反比的关系。受力示意如下图图六所示：

图六 拉索受力示意图

结合以上实例，采用有限元软件SAP2000对点支撑单索玻璃幕墙结构进行建模分析，详细介绍其原理和步骤；

索的模拟 索体是柔性的，且只能承受拉力，不能承受压力更不能起到抵抗弯矩的作用。因此在分析时不能考虑其抗弯刚度的影响。在SAP2000中可简化为采用框架截面，利用截面修正系数，将截面的主次惯性矩设置为较小的数值，并同时注意模型中框架截面面积与索体面积的修正。本工程拟采用直径22mm的钢索，索的断面积为286mm²，软件中采用圆钢框架截面的面积为380mm²。因此截面面积需考虑0.75的修正系数。截面的抗弯刚度考虑0.01的修正系数，以实现不考虑抗弯刚度的影响。

预应力的施加 预应力的施加可通过温度和应变两种方式来实现。预应力与温度的关系为 （α-材料的线膨胀系数）；预应力与应变的关系为 。此工程采用应变的方式施加预应力；本工程拟施加的预应力为100kN,因此需施加的应变为。由于拉索边界条件的特殊性，应变荷载的施加无法精确控制索体内力，反复的施加调整，需要耗费大量的时间和精力。因此采用指定索体目标力即将预应力的目标力设置为预应力（此工程为100kN）。SAP2000程序内部以多次迭代的方式施加轴向变形，最终达到目标轴向拉力。

索结构非线性分析 根据《索结构技术规程》章节5.1.2索结构应分别对初始预应力状态和荷载作用状态下进行计算分析。分析时可不考虑材料非线性的影响，但应该考虑几何非线性。拉索只能受拉不能受压，因此一旦分析的过程中出现压力，说明施加的预应力不够，需要加大预应力。非线性工况的分析结果一般是不能直接线性叠加的，后一个非线性分析工况应从前一个非线性分析工况结束时开始，所有非线性分析工况按照确定的前后顺序进行叠加，最后一个非线性工况里包含了前面各个分析工况的所有结果。 本工程考虑了预应力PS（包括拉索本身自重）工况，自重工况D，温度工况（TP,TN），水平荷载(WP,WN,qek)（风荷载+地震荷载）。局部分析工况树顺序如下图图七所示

图七 分析工况顺序

计算结果分析 根据《索结构技术规程》拉索的主要控制指标为强度和挠度的校核。索体的挠度控制，单向单索的的挠度控制为不宜大于L/45(L为跨度)。永久荷载作用下，索不得出现松弛的现象。可变荷载作用下，不得出现因个别因素的松弛，导致结构失效。由于不同厂家索体抗拉强度值还是会有一定的离散性，因此拉索考虑2.0的抗力分项系数，以确保安全可靠。本工程采用22mm的不锈钢拉索，钢索的最小破断拉力为336.23kN，实际的最不利效应的拉力为166.5kN，336.23kN/166.5kN=2.02>2.0 满足强度要求。最大挠度变形为105mm,允许变形为6000mm/45=133mm>105mm，满足变形要求。

问题及分析

拉索幕墙的设计和施工均有一定的难度。本工程在设计和施工的时候主要遇到两个问题。边部的四点支撑的玻璃，有两个点是固定在刚性较大的主体结构上的，另外两个点是固定到柔性拉索结构上的。本工程玻璃分格为1500mm,，拉索最大变形达到105mm。经分析计算，边部玻璃约转动±4°,玻璃和型材之间采用EPDM胶条，胶条中间开孔，以保证玻璃可以自由的转动。二就是在施工的时候，当第一层玻璃安装完后，玻璃水平不齐，高高低低，视觉效果很差。现场工作人想当然的增加拉索的预应力，觉得可以通过这样把玻璃拉平对齐。由于顶部是连接到钢管上，预应力的增加了，顶部钢结构的变形也变大，适得其反，反而没起到任何作用。而且这样贸然的增加预应力，大大增加拉索的安全隐患。经分析，顶部主钢结构结构为焊接钢管，焊接后出现扭曲，一旦施加预应力，钢管变形增大，导致后续一系列问题。最后只能拆了重新施工，因此切记不可想当然的进行施工。

[结论及建议]：对单索结构的结构分析原理和应用的掌握包括拉索对主体结构影响的掌握，对拉索结构的安全性至关重要，因此要特别重视前期设计阶段结构的力学分析。单向单索点式玻璃幕墙结构形式相对简单，大大节省了支撑结构所占用的空间，是一种的全新的结构体系。但是单索幕墙变形较大，设计需要考虑变形的协调性，采取合理的设计措施保证玻璃面板在受荷时不产生过大的应力集中。以保证整个结构的安全可靠以及后期施工的顺利。

[参考文献]：

《玻璃幕墙工程技术规范》 JGJ102-2003

《上海市建筑幕墙工程技术规范》 DGJ08-56-2012

《建筑玻璃应用技术规程》 JGJ113-2015

《点支式玻璃幕墙工程技术规程》 CECS 127:2001

《索结构技术规程》 JGJ 257-2012

Glass in buildings–Selection and installation AS1288-2006

SAP2000 技术指南及工程应用 北京筑信达工程咨询有限公司 编著