點(diǎn)支式玻璃幕墻建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析中的若干問題

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　一、玻璃幕墻建筑結(jié)構(gòu)的組成與類別

　　玻璃幕墻建筑結(jié)構(gòu)是指以玻璃作為覆蓋幕面的一種建筑，它可以是建筑的屋蓋、墻體、樓層、樓梯、走道欄板式整個(gè)建筑。

　　眾所周知玻璃是一種脆性材料，由于制成時(shí)不可避免的內(nèi)在缺陷，強(qiáng)度較低。此外，因受生產(chǎn)工藝限制，其板厚和板面尺度也有限，故常需適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)體系作支承，才能形成予期的建筑。這一結(jié)構(gòu)體系稱為玻璃幕墻建筑的支承結(jié)構(gòu)，它與玻璃幕墻面共同組成玻璃幕墻建筑結(jié)構(gòu)。

　　1.玻璃幕墻建筑結(jié)構(gòu)的組成及基本要求

　　玻璃幕墻建筑的支承結(jié)構(gòu)可以是由玻璃或鋁、鋼等金屬材料組成。因此可以說：玻璃幕墻建筑結(jié)構(gòu)是由玻璃金屬材料，經(jīng)過加工、連接和安裝組成的可獨(dú)立地承受各種可能荷載作用，并滿足各項(xiàng)預(yù)定功能要求的工程構(gòu)筑物。通常，它包括玻璃面板、支承結(jié)構(gòu)（含連接件）和基座（結(jié)構(gòu)）等三部分。對(duì)于點(diǎn)支式玻璃建筑結(jié)構(gòu)而言，連接件是指螺栓組件和支承裝置；基座是指玻璃幕墻建筑結(jié)構(gòu)賴以坐落支承的部分。

　　玻璃幕墻建筑結(jié)構(gòu)的板件、桿件、構(gòu)件間的相互連接方法可有膠接、焊接和機(jī)械連接等，且其連接型式也多種多樣，無論那種都必須具有足夠的承載能力和適宜的剛度。

　　如上所述，玻璃幕墻建筑結(jié)構(gòu)是一種工程結(jié)構(gòu)，它所承受的荷載作用，可能是由自然環(huán)境影響和人為作用引起的。在各種可能荷載作用組合下，必須滿足安全、適用和耐久性等三項(xiàng)基本要求。當(dāng)然，它作為玻璃幕墻建筑的外露結(jié)構(gòu)，還應(yīng)與建筑藝術(shù)美的要求相匹配。

　　2.玻璃幕墻建筑結(jié)構(gòu)的類別

　　在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，必須首先選擇并確定結(jié)構(gòu)的類別，并進(jìn)而了解結(jié)構(gòu)的性能和可能的荷載作用，才能正確地給出結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型和進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。對(duì)于玻璃幕墻建筑結(jié)構(gòu)，可按以下條件劃分類別：按玻璃面板支承狀況分為：線支式結(jié)構(gòu)和點(diǎn)支式結(jié)構(gòu)；按玻璃面板是否作為該結(jié)構(gòu)的必要受力部件分為：組合式結(jié)構(gòu)和集合式結(jié)構(gòu)。前者玻璃面板與其它板件共同組成統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)體系，并相互依存不可缺，否則結(jié)構(gòu)失效；后者，一般視玻璃面板為其附屬結(jié)構(gòu)，支承結(jié)構(gòu)（包括基座）為其基本結(jié)構(gòu)，二者相對(duì)獨(dú)立。

　　按支承結(jié)構(gòu)剛勁性分為：剛性支承結(jié)構(gòu)（如梁、剛架、桁架、網(wǎng)架等）和柔性支承結(jié)構(gòu)（如張拉索桿結(jié)構(gòu)等）。前者組成結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)件，均為剛性桿件；后者組成結(jié)構(gòu)的相當(dāng)多的基本構(gòu)件不是剛性，而是僅能承受拉力的柔性桿件。

　　二、張拉索桿結(jié)構(gòu)體系的組成及其布置

　　1.什么是張拉索桿結(jié)構(gòu)

　　張拉索桿結(jié)構(gòu)是指由柔性張拉索（或鏈桿，下同）及剛性撐桿組成的結(jié)構(gòu)。它在設(shè)計(jì)、施工和使用過程中柔性索必須具有足夠和適當(dāng)?shù)膹埨Α?/p>

　　柔性索僅具有抗拉剛度（EA），當(dāng)無張拉時(shí)其抗壓等剛度很小，在結(jié)構(gòu)承受荷載中無貢獻(xiàn)或可忽略。必須對(duì)它們進(jìn)行張拉，使之具有足夠的張力，才能組成結(jié)構(gòu)和可靠地承受荷載作用。

　　剛性撐桿具有各種需要的，如拉、壓、彎等剛度，足以承受相應(yīng)大的拉、壓、彎曲等作用而不喪失其承載力。

　　2.張拉索桿結(jié)構(gòu)體系的組成

　　這種結(jié)構(gòu)體系通常由張拉索桿基本結(jié)構(gòu)組件和支座（結(jié)構(gòu)）組成，必要時(shí)需設(shè)置平衡重力性索和保證結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性索。其張拉索桿基本結(jié)構(gòu)組件可以平衡的或非自平衡的，后者的張拉索端部分的張力需由其支座（結(jié)構(gòu)）平衡。

　　3.張拉索桿結(jié)構(gòu)體系的分類與布置

　　張拉索桿結(jié)構(gòu)的體系，按其受力工作狀況，可分為單向受力體系和雙向受力體系：

　　單向受力體系是由單一方向布置的若干張拉索桿基本結(jié)構(gòu)組件和必要的重力與穩(wěn)定性索（或桿件）組成。

　　雙向受力體系是由相互交叉的張拉索桿基本結(jié)構(gòu)組件和必要時(shí)的一些重力與穩(wěn)定性索（或桿件）組成。其交叉與布置，常根據(jù)建筑及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求確定，可以是正交正放，正交斜放或斜交放置等。

　　4.主受力索，重力性索與穩(wěn)定性索的作用和張力要求

　　主受力索――是張拉索桿結(jié)構(gòu)體系中基本結(jié)構(gòu)組件的主受拉力元件，應(yīng)始終具有足夠而適當(dāng)?shù)某鯊埨?，使之不退出工作和被拉斷?/p>

　　重力性索――為改善張拉索基本結(jié)構(gòu)組件的受力，用以平衡重力性荷載而設(shè)置的拉索。一般平行于玻璃板面的重力方向布置，可不需要太大的初張力，但應(yīng)張緊，并足以承受其重力荷載。

　　穩(wěn)定性索――為保證張拉索桿結(jié)構(gòu)體系中的基本結(jié)構(gòu)組件及其某些撐桿平面外的穩(wěn)定性和減少可能的風(fēng)振而設(shè)置的索，也常用它保證玻璃幕墻結(jié)構(gòu)體系中某些剛性構(gòu)件的平面外穩(wěn)定性。這種索的初張力雖不需很大，但索的張力設(shè)計(jì)，必須給上述被穩(wěn)定構(gòu)件以足夠的側(cè)向支承力，以保證其不發(fā)生側(cè)向失穩(wěn)。

　　三、張拉索桿基本結(jié)構(gòu)組件的幾種常見形式

　　張拉索桿結(jié)構(gòu)體系中常見的張拉索桿基本結(jié)構(gòu)組件形式有：自平衡式和非自平衡式兩類。前者其組件中的張拉索的索身和索的盡端均與撐桿相互連接，并其內(nèi)力自相平衡；后者張拉索的盡端不與撐桿相連，而是連接在其邊端支座（結(jié)構(gòu)）上，借助支座對(duì)索施加張拉，因此僅靠組件自身各索桿間的作用，不能形成內(nèi)力的完全平衡。張拉索桿基本結(jié)構(gòu)組件索的外形點(diǎn)跡有拋物線形和折線形，在均布荷載下前者較后者合理。

　　四、張拉索桿基本結(jié)構(gòu)組件的若干力學(xué)特性

　　1.張拉索應(yīng)始終處于張力正定狀態(tài)。研究分析表明，此時(shí)各桿（包括索）均對(duì)結(jié)構(gòu)剛度及承載力有貢獻(xiàn)，否則其結(jié)構(gòu)剛度將極大降低，甚至其承載力喪失。

　　2.組件的幾何特性隨其所受荷載而有較大改變，屬于幾何易變形性（柔性）結(jié)構(gòu)。它與幾何可變形性（勁性）結(jié)構(gòu)或不變形性（剛體）結(jié)構(gòu)體系的分析方法有所不同。一般宜采用二階分析方法。

　　它是由高強(qiáng)鋼絲繩（絞線）經(jīng)張拉形成的柔性結(jié)構(gòu)，故結(jié)構(gòu)的工作性能對(duì)設(shè)計(jì)、施工缺陷的敏感性較大，其中主要有：受力分析及荷載組合時(shí)，因采用線性方法，使內(nèi)力的計(jì)算不準(zhǔn)；體系剛度及承載力，因張力索的張力不足或松馳退出工作時(shí)，呈現(xiàn)的非線性或跳躍性退化或喪失；溫度的升或降，使張力索松馳或超張；正確施加和監(jiān)控索的張力較困難；高張力索桿的缺口應(yīng)力集中，引起的高強(qiáng)鋼索應(yīng)力腐蝕；塑性及韌性差的超強(qiáng)度鋼材的應(yīng)用；自平衡組件中縱向主撐桿的復(fù)雜受力；高強(qiáng)鋼索及其連接，因材料、構(gòu)造和工藝性緣故，存在的類裂紋性缺陷等。

　　五、張拉索桿結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)中的若干問題

　　體系的選擇單向受力體系的布置、索張力施加和控制相對(duì)比較簡(jiǎn)單，受力明確。當(dāng)其為單跨為，可不受支座剛度影響；但當(dāng)為多跨連續(xù)時(shí)，支座的壓縮剛度對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形有相當(dāng)大的影響。常為不太大建筑面積空間及荷載情況下采用。

　　雙向受力體系的布置，可有多種型式，其索的張拉力的施加和控制比較麻煩，受力復(fù)雜。但在相同建筑面積空間及荷載情況下索的張力較小，且?？墒∪ヒ恍┲亓π运骱头€(wěn)定性索。故相對(duì)較省鋼，而為較大建筑面積空間及荷載情況下采用。

　　體系的布置單向受力體系布置中，常需設(shè)重力性索，必要時(shí)應(yīng)布置穩(wěn)定性索。

　　雙向受力體系布置中，多在短向布置主受力基本結(jié)構(gòu)組件，長(zhǎng)向布置輔受力基本結(jié)構(gòu)組件的單元，二者的橫向撐桿常共用。當(dāng)輔受力基本結(jié)構(gòu)組件的某些索元與重力性索位置一致時(shí)，二者可合而為一。平面自平衡基本結(jié)構(gòu)組件及平面鋼桁架常作為單向受力體系的中間支座，此時(shí)應(yīng)考慮其平面外穩(wěn)定性的保證和必要的止失穩(wěn)元件的設(shè)置。

　　荷載、作用值及其可能組合對(duì)于張拉索桿這種柔性結(jié)構(gòu)，理應(yīng)采用非線性二階分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，其荷載作用也應(yīng)先組合，后逐級(jí)施加，但在實(shí)際中很難實(shí)施。一些研究分析表明：對(duì)于一般不大的張拉索桿結(jié)構(gòu)，如具有適當(dāng)?shù)某鯊埩r(shí)，可以按一階分析，荷載作用采用線性組合，構(gòu)件計(jì)算中考慮二階效應(yīng)。這樣引起的誤差不會(huì)很大。

　　活載，風(fēng)載與地震作用等可變性荷載作用的可能組合及其組合系數(shù)的選擇，應(yīng)按現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》執(zhí)行。考慮到尚無數(shù)十甚至千百年一遇的風(fēng)載同時(shí)發(fā)生地震的歷史記載，而且二者的峰值又都是瞬間一過性的作用，玻璃幕墻建筑結(jié)構(gòu)的自重又不很大，故對(duì)這種結(jié)構(gòu)而言，風(fēng)載作為第一可變荷載與地震作用組合似不必要。當(dāng)然設(shè)防烈度下的地震作用與可能的風(fēng)載組合是應(yīng)該的。 　 張拉索初始張拉應(yīng)力值的選定與最小值的控制

　　張拉索桿結(jié)構(gòu)同其它結(jié)構(gòu)的根本區(qū)別在于其受拉桿件應(yīng)始終處于張拉狀態(tài)，即必須保持其內(nèi)力是正定性。一旦呈現(xiàn)非正定時(shí)，結(jié)構(gòu)剛度將極大降低或承載力喪失。而保持張拉桿受力正定性的關(guān)鍵是正確地設(shè)定其初張力值。初張力值設(shè)置過小，不利荷載作用下，一些張拉桿將因其內(nèi)力減小為零（負(fù)）而退出工作，致使結(jié)構(gòu)性能退化；如果初張力值設(shè)置過大，不利荷載作用下，某些張拉桿將因其強(qiáng)度不足而破斷，致使結(jié)構(gòu)毀壞；如其截面設(shè)計(jì)過大，不利荷載作用下，這些張拉桿雖不會(huì)因其強(qiáng)度不足而破斷，但卻材料增多，索直徑粗影響結(jié)構(gòu)的輕盈通透性。對(duì)于結(jié)構(gòu)組件，當(dāng)作為玻璃幕墻結(jié)構(gòu)，可能承受正、反兩方向荷載時(shí)，其主張拉索桿的初張應(yīng)力值σ0的范圍可按以下建議設(shè)置：

　　對(duì)于普通強(qiáng)度不銹鋼材，當(dāng)以其抗拉屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fd考慮時(shí)，設(shè)為：25%≤σ0/fd≤50% （1）　　對(duì)于高強(qiáng)度鋼材，當(dāng)以材料抗拉極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)值考慮時(shí)，如取其設(shè)計(jì)值為：fd≤0.45fu，將其代入式（1）取整則有：12%≤σ0/fd≤22% （2）　　需要指出的是，初張力對(duì)張拉索結(jié)構(gòu)是必須的，且隨其值的增大，組件剛度也有提高，但提高有限，不如增大張拉索的面積有效。

　　至于重力性索的初張力可不必施加過大，σ0/fd≈10%；穩(wěn)定性索的初張力，則應(yīng)根據(jù)被保證構(gòu)件穩(wěn)定性需要的支撐力，參考有關(guān)資料確定。

　　六、關(guān)于基本結(jié)構(gòu)組件的抗彎剛度及撓度控制與要求

　　對(duì)于張拉索桿結(jié)構(gòu)體系的一些常用的基本結(jié)構(gòu)組件，一般地說，其抗彎剛度取決于組件的幾何形式、矢高、矢跨比、張拉索桿的堆面積和張拉索的初張應(yīng)力。就組件的幾何形式而言，相同條件下，自平衡體系最好：其次為非自平衡體系中的雙索魚腹形，直索形最差。同一種組件其本身的幾何構(gòu)成對(duì)于其抗彎剛度也有不小影響。張拉索的初張應(yīng)力對(duì)其抗彎剛度雖有不可忽略的影響，但當(dāng)張拉足夠緊后，張拉索張力的增加對(duì)其抗彎剛度的貢獻(xiàn)很有限，如欲提高其抗彎剛度，需要增大拉索截面積或調(diào)整組件的幾何形式和尺寸。

　　在實(shí)際工程中對(duì)于張拉索桿結(jié)構(gòu)體系的撓度控制十分必要，它對(duì)防止玻璃幕墻結(jié)構(gòu)不必要振動(dòng)、玻璃擠壓破壞等有重要的意義。要求過嚴(yán)，實(shí)際工程很難達(dá)到，也不一定需要；要求太松，又可能出現(xiàn)工程損害，具體指標(biāo)尚待研究。

　　七、關(guān)于有孔玻璃面板的承載力計(jì)算

　　1.集合式結(jié)構(gòu)體系中的玻璃強(qiáng)度計(jì)算

　　前已指出：集合式結(jié)構(gòu)中的玻璃是體系中的附屬性結(jié)構(gòu)，其受力相對(duì)獨(dú)立，不受其支承（基本）結(jié)構(gòu)的影響。在垂直于玻璃面板均布荷載，如風(fēng)等的作用下，玻璃板面受彎曲工作。由于玻璃板鉆孔、切邊、磨邊以及鋼化等加工的影響，其邊緣類裂紋性缺陷大小的隨機(jī)性尚不清楚；點(diǎn)支式有孔玻璃板孔邊應(yīng)力集中，因受連接組件、板厚度及其孔的幾何特性等影響，故其應(yīng)力和強(qiáng)度的嚴(yán)格計(jì)算有待深入研究。一些研究表明：點(diǎn)支有孔玻璃板在垂直于玻璃板面均布荷載作用下其破壞常由孔邊開始發(fā)生；點(diǎn)支處承載力與玻璃板厚度、孔徑及其連接組件的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和材料等因素有關(guān)，當(dāng)這些因素有較好匹配時(shí)，此承載力可能比相應(yīng)均布荷載下玻璃板面的抗彎強(qiáng)度高，否則較低。有鑒于此，對(duì)于有孔玻璃面板的承載力計(jì)算，一般可分別計(jì)算其玻璃板面的抗彎強(qiáng)度和點(diǎn)支處節(jié)點(diǎn)承載力，并取二者中的較低者，以保證安全。