單層索網(wǎng)點(diǎn)支承玻璃幕墻的設(shè)計(jì)

       摘要：為了實(shí)現(xiàn)大空間、大通透的建筑效果，滿足人與自然交流的愿望，單層索網(wǎng)點(diǎn)支承玻璃幕墻已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代建筑之中。這就要求幕墻設(shè)計(jì)師及幕墻施工、安裝人員必須掌握相關(guān)的理論和技術(shù)。本文根據(jù)自己的認(rèn)識(shí)和體會(huì)，就該方面的問題進(jìn)行進(jìn)行闡述。

　　關(guān)鍵詞：?jiǎn)螌铀骶W(wǎng)，點(diǎn)支承，玻璃幕墻，設(shè)計(jì)

　　1．單層索網(wǎng)點(diǎn)支承玻璃幕墻

　　單層索網(wǎng)點(diǎn)支承玻璃幕墻，是點(diǎn)支承玻璃幕墻按支承結(jié)構(gòu)分類的一種形式。點(diǎn)支承玻璃

　　幕墻按支承結(jié)構(gòu)可分為：鋼結(jié)構(gòu)支承式、玻璃肋支承式、拉索支承式。

　　拉索支承式又包括單層索系和雙層索系兩種。單層索系是由一系列按一定規(guī)律布置的

　　單根拉索組成，拉索兩端錨固在穩(wěn)定的支承結(jié)構(gòu)上的支承體系。單層索系有平行、輻射和網(wǎng)狀布置等形式。單層索系又包括單層單向索和單層索網(wǎng)形式。目前大多采用兩個(gè)方向拉索呈正交或斜交連接的網(wǎng)狀布置形式，稱為單層索網(wǎng)。如圖1所示。

　　2單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的工作原理

　　單層索網(wǎng)作為玻璃幕墻的支撐結(jié)構(gòu)，必須承受幕墻面內(nèi)及面外荷載的作用，由于面內(nèi)

　　荷載一般使單層索受拉，受力模型與鋼結(jié)構(gòu)類似，相對(duì)比較簡(jiǎn)單。當(dāng)面內(nèi)荷載或其分力與索的軸線不平行時(shí)，垂直于索軸線的分力使索受側(cè)向荷載，其受力原理與面外荷載作用相類似；所以，此處著重分析單層索網(wǎng)受面外荷載作用時(shí)的工作狀態(tài)。

　　單層平面索網(wǎng)體系是柔性的張拉結(jié)構(gòu)，在沒有施加預(yù)應(yīng)力(預(yù)拉力)之前沒有剛度，體系處于不穩(wěn)定狀態(tài)，必須通過施加適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力(預(yù)拉力)賦予其一定的形狀，才能承受面外荷載的作用，它的最終承載力與變形終態(tài)的位移有很大關(guān)系，其結(jié)構(gòu)剛度又與預(yù)應(yīng)力(預(yù)拉力)大小密切相關(guān)，所以在單層索網(wǎng)幕墻設(shè)計(jì)中，預(yù)拉力0(預(yù)拉力N0)的大小與相對(duì)撓度容許值[f]是兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。單層索網(wǎng)點(diǎn)支承玻璃幕墻，在構(gòu)造上主要由預(yù)應(yīng)力拉索、連接爪件（接駁爪或其他形式的夾具）、玻璃面板三部分組成，玻璃的四個(gè)角點(diǎn)通過爪件和索連接，玻璃和玻璃之間采用硅酮密封膠連接。作用于玻璃幕墻上的平面外荷載通過玻璃的連接機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化成節(jié)點(diǎn)荷載P，節(jié)點(diǎn)荷載P作用在索網(wǎng)結(jié)構(gòu)上，只要在索網(wǎng)中有足夠的預(yù)應(yīng)力0(預(yù)拉力N0)和相對(duì)撓度f，就可以滿足力學(xué)的平衡條件。

　　3單層索網(wǎng)玻璃幕墻各設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

　　作用于玻璃幕墻上的平面外荷載通過玻璃的連接機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化成節(jié)點(diǎn)荷載P，節(jié)點(diǎn)荷載P作用在索網(wǎng)結(jié)構(gòu)上，當(dāng)P為某一確定值時(shí)，索的預(yù)應(yīng)力0(預(yù)拉力N0)越大，索的相對(duì)撓度f就越小，但索在終態(tài)時(shí)所受的內(nèi)力會(huì)越大，需要選擇更強(qiáng)的索材料、更大的索截面，索兩端的支反力也越大，對(duì)應(yīng)的主支承結(jié)構(gòu)也需要相應(yīng)增強(qiáng)，會(huì)造成極大的浪費(fèi)。因此，設(shè)計(jì)索結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)綜合考慮，將索的相對(duì)撓度f及索的預(yù)應(yīng)力0(預(yù)拉力N0)都應(yīng)控制在合理的范圍內(nèi)，以選擇合理的索直徑。

　　3.1索相對(duì)撓度容許值[f]的確定

　　單層索網(wǎng)必須在變形之后才能承受平面外荷載作用，為減小承力索終態(tài)時(shí)所受的內(nèi)力，單索網(wǎng)幕墻必然有很大的變形，一般可將相對(duì)撓度[f]（即達(dá)到最大變形后的矢跨比）設(shè)定在1/50～1/80之間。此時(shí)對(duì)應(yīng)的絕對(duì)位移[δ]較大，在初步確定時(shí)需考慮人的心理承受能力、建筑的視覺效果等。同時(shí)，在幕墻設(shè)計(jì)還必須考慮幕墻各節(jié)點(diǎn)承受變形的能力，如玻璃和玻璃之間的膠縫寬度、玻璃和網(wǎng)索之間的連結(jié)裝置（玻璃平面內(nèi)駁接爪和玻璃孔之間的縫隙或其他形式的夾具與玻璃面之間的可用間隙等）來吸收和承受這樣大的變形。當(dāng)結(jié)構(gòu)受平面外荷載作用變形后，幕墻必須安全、可靠。

　　3.2索所受面外荷載的確定

　　3.2.1雙向索受力情況

　　單層索網(wǎng)玻璃幕墻中，當(dāng)橫、縱（或縱、橫）兩個(gè)方向索的跨度比小于3：1時(shí)，應(yīng)考慮兩個(gè)方向的索同時(shí)受力，此時(shí)，可以根據(jù)兩個(gè)方向索的實(shí)際跨度和已確定的單層索網(wǎng)絕對(duì)位移[δ]，初步將荷載按線性、靜力學(xué)方式分配到兩個(gè)方向的索上。具體分配如下：

　　3.2.1.1公式的推導(dǎo)

　　如圖2,單層索結(jié)構(gòu)的AC和BC拉索，在未承受外力時(shí)，相交于C。令拉索的有效截面積為A，拉索的彈性模量為E,拉索預(yù)拉力為N0。當(dāng)承受點(diǎn)連接裝置傳來的外力P之后，C移動(dòng)到C1，δ＝CC1，與此同時(shí)，拉索內(nèi)產(chǎn)生拉力增加值ΔN，由于δ與m相比非常小，則有：

　　α≈δm………………………………………………………………………………(1)

　　2（N0+ΔN）.cos(π/2－α)=2（N0+ΔN）.sinα＝P

　　N0+ΔN＝P2sinα當(dāng)α很小時(shí)，sinα≈α(α以弧度計(jì))

　　則有：

　　ΔN＝P2α-N0……………………………………………………………………(2)

　　拉索的應(yīng)變?cè)隽?Delta;ε為：

　　Δε=AC1-ACAC=m2+δ2-mm=m2+δ2-mm×m2+δ2+mm2+δ2+m

　　=m2+δ2-m2m.m2+δ2+m2=δ2m.m2+δ2+m2

　　≈δ22m2或2δ2L2(由于δ與m相比非常小，可另m2+δ2≈m2)

　　即：

　　Δε≈δ22m2或Δε≈2δ2L2…………………………………………………………(3)

　　由于拉索在受軸線方向拉力時(shí)符合虎克定律，則有：

　　Δ=E.Δε

　　Δε＝ΔE=ΔNEA…………………………………………………………………(4)

　　 將(3)式代入(4)式得：

　　δ22m2=ΔNEA………………………………………………………………………………(5)

　　 將(2)式代入(5)式得：

　　P2α=δ2EA2m2+N0……………………………………………………………………(6)

　　將(1)式代入(6)式得：

　　P2δm=δ2EA2m2+N0……………………………………………………………………(7)

　　由(7)式得：

　　P＝δ3EAm3+2δN0m或P＝8δ3EAL3+4δN0L………………………………………(8)

　　令K1＝EAm3、K2＝2N0m，則有：

　　P＝K1δ3+K2δ………………………………………………………………………(9)

　　3.2.1.2雙向索的外力分配

　　如圖3中,分別由1條橫向索和1條豎向索在中點(diǎn)處相交組成索網(wǎng),橫向索的跨度L1，豎向索的跨度L2；令拉索的有效截面積為A，拉索的彈性模量為E,拉索預(yù)拉力為N0。設(shè)：在面外荷載P的作用下,兩條索的交點(diǎn)由C點(diǎn)移動(dòng)到C1點(diǎn),撓度為δ；此時(shí)，橫向索的內(nèi)力F1，夾角α，分到的節(jié)點(diǎn)外力為P1；豎向索的內(nèi)力F2，夾角β，分到的節(jié)點(diǎn)外力為P2；

　　則：按前面的推導(dǎo)公式（8）：有

　　P1＝8δ3EAL13+4δN0L1………………………………………………………………(10)

　　P2＝8δ3EAL23+4δN0L2………………………………………………………………(11)

　　因?yàn)椋?/p>

　　P＝P1＋P2…………………………………………………………………………（12）

　　即：

　　8δ3EAL13+4δN0L1+P2＝P…………………………………………………………（13）

　　由式(13)可得：

　　P2＝P-8δ3EAL13-4δN0L1………………………………………………………（14）

　　同理可得：

　　P1＝P-8δ3EAL23-4δN0L2………………………………………………………（15）

　　3.2.2單向索受力情況

　　當(dāng)橫、縱（或縱、橫）兩個(gè)方向索的跨度比大于等于3：1時(shí)，可以忽略長(zhǎng)向索的作

　　用，認(rèn)為荷載全部由短向索承受，可按單向索受力進(jìn)行單向索計(jì)算。（必要時(shí)，可以通過改變索直徑、索預(yù)拉力等來實(shí)現(xiàn)單向索受力或改變受力索的方向）。

　　3.3索的預(yù)拉力N0確定

　　索的預(yù)拉力N0的設(shè)定，應(yīng)滿足以下條件：

　�、拍軌虻挚姑鎯�(nèi)荷載而不會(huì)松馳：如，參與承受面外荷載的豎直幕墻的豎向索，常常也需要承受面內(nèi)的重力荷載，設(shè)此值為N01。

　�、颇軌虻挚篃崦洔夭钚�(yīng)而不會(huì)松馳：設(shè)定合攏溫度和施工時(shí)的預(yù)拉力調(diào)節(jié)值，考慮年最高使用溫度與合攏溫度的差值T時(shí)的熱脹，設(shè)此值為N02，則N02=E.α.T.A，式中，E為索的彈性模量，A為初選索的有效截面積，α為索的熱脹系數(shù)。

　　⑶根據(jù)實(shí)際情況考慮索的支撐結(jié)構(gòu)在索的預(yù)拉力施加完成后沿索軸線方向的微量變形導(dǎo)致的預(yù)拉力損失：設(shè)微量變形為L，則N03=E.L.AL，式中，E為索的彈性模量，A為初選索的有效截面積，L為索的跨度。

　�、缺ＷC外力作用下索的變形不超過控制值：可用分析軟件計(jì)算并調(diào)整，設(shè)此值為N04。

　　綜上所述，應(yīng)取索預(yù)拉力N0=N01+N02+N03+N04

　　3.4索的支反力確定

　　通常情況下，索的兩端支反力相同,但也有兩端支反力不相等的情況。如：參與承受面外荷載的豎直幕墻的豎向索，一般也用來承受面內(nèi)的重力荷載，此時(shí)，其上支點(diǎn)的支反力較大，是面外荷載P作用下產(chǎn)生的支反力與重力荷載產(chǎn)生的支反力的矢量和；而下支點(diǎn)的支反力較小，是面外荷載P作用下產(chǎn)生的支反力與重力荷載的矢量差。面外荷載P作用下產(chǎn)生的支反力，可直接從軟件計(jì)算中得到。

　　3.5索工作內(nèi)力的確定

　　3.5.1面外荷載設(shè)計(jì)值P作用下索的內(nèi)力增加值ΔN1

　　可直接從軟件計(jì)算中得到，也可以按線性、靜力學(xué)方式，采用手工計(jì)算方法初步求出。采用手工計(jì)算時(shí)，應(yīng)加入兩個(gè)條件：同一節(jié)點(diǎn)索力（和反力）與作用力平衡（各方向）、同一點(diǎn)位移相同。

　　3.5.2溫差效應(yīng)作用下索的內(nèi)力增加值ΔN2

　　由于溫差產(chǎn)生的冷縮效應(yīng)：設(shè)定合攏溫度和施工時(shí)的預(yù)拉力調(diào)節(jié)值，考慮年最低使用溫度與合攏溫度的差值T時(shí)的冷縮，，則ΔN2=E.α.T.A，式中，E為索的彈性模量，A為初選索的有效截面積，α為索的熱脹系數(shù)。

　　3.5.3面內(nèi)荷載（如自重）設(shè)計(jì)值作用下索的內(nèi)力增加值ΔN3

　　如，參與承受面外荷載的豎直幕墻的豎向索，常常也需要承受面內(nèi)的重力荷載，設(shè)此值為ΔN3。

　　綜上所述，索的最大工作內(nèi)力Nmax=N0+ΔN1+ΔN2+ΔN3

　　3.6索的直徑和強(qiáng)度等級(jí)的確定

　　根據(jù)索的最大工作內(nèi)力Nmax,按《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003，考慮索本身的安全系數(shù)1.8，按索的最小破斷力P=1.8Nmax選擇相應(yīng)的索的直徑和索的強(qiáng)度等級(jí)。

　　4一些需要注意的問題

　　4.1安裝時(shí)的變形問題

　　索變形后會(huì)伸長(zhǎng)，而玻璃不會(huì)伸長(zhǎng)，其差值需要靠膠縫變形來調(diào)節(jié)。因此，膠縫寬度設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意。同時(shí)，單索幕墻建議不采用打孔的接駁爪，而采用其他形式的夾具。若一定要采用接駁爪，需要采用專門設(shè)計(jì)的、能夠適應(yīng)大變形的接駁爪。

　　4.2玻璃上開螺栓孔

　　在玻璃上開螺栓孔時(shí)，一般取玻璃上的孔直徑D=螺栓直徑+4mm，以適應(yīng)安裝、加工、線脹等誤差（但不是用來適用索變形后的伸長(zhǎng)），如圖4。

　　4.3預(yù)拉力取值

　　橫、縱索的預(yù)拉力應(yīng)根據(jù)需要分別取值，即使其直徑相同也不例外。而且可以根據(jù)橫向、縱向索的支承結(jié)構(gòu)的承力能力進(jìn)行調(diào)整。

　　4.4索網(wǎng)的使用限制

　　有些情況只能采用單向索，而不能使用單層索網(wǎng)。另一方向的索加上去后，會(huì)給前

　　面的受力索增加額外負(fù)擔(dān)，起破壞作用。如弧形幕墻、錐幕墻、雙曲面幕墻等，見下圖5。

　　4.6過載保護(hù)設(shè)計(jì)

　　拉索在極端情況下，如超大臺(tái)風(fēng)作用、中震或大震作用時(shí)，拉索內(nèi)力可能會(huì)超過設(shè)計(jì)荷載，導(dǎo)致拉索屈服甚至破壞。為了避免此種情況的發(fā)生，可在索的一端設(shè)計(jì)安裝過載保裝置，以吸收和補(bǔ)償拉索位移時(shí)產(chǎn)生的索長(zhǎng)變化，達(dá)到卸載的目的，實(shí)現(xiàn)索網(wǎng)體系的自我調(diào)節(jié)和自我保護(hù)。其工作原理如圖6。

　　5.設(shè)計(jì)上指導(dǎo)預(yù)拉力施加

　　為獲得足夠的剛度，單層索網(wǎng)體系必須施加較大的預(yù)拉力。預(yù)拉力越大施加難度就越大。因此，設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)考慮到施加順序和預(yù)拉力施加方案。單層索網(wǎng)預(yù)拉力施加一般分三個(gè)階段進(jìn)行，如圖7。必要時(shí)可以適當(dāng)增加分級(jí)數(shù)。

　�。�1）、施加方案中，應(yīng)明確施加分級(jí)，過程控制及穩(wěn)定時(shí)間。并將所有的索進(jìn)行分類或編號(hào)，標(biāo)明各級(jí)施加時(shí)各類（或各條）索的張拉順序。

　�。�2）、各條索在每一級(jí)張拉中，并不一定是直接張拉到該級(jí)的終值，很多情況下，下一條索張拉后，會(huì)改變前面已張拉的索的內(nèi)力。應(yīng)通過反張拉順序的計(jì)算，確定每條索在每一級(jí)中的預(yù)拉力值。

　　（3）施工時(shí)預(yù)拉力的確定要按施工過程中的氣溫變化調(diào)整預(yù)拉力，設(shè)計(jì)人員要給施工人員提供合攏溫度與預(yù)拉力值對(duì)照表確保索內(nèi)拉力在溫度變化過程中的均衡狀態(tài)和安全性。

　　參考文獻(xiàn):

　　[1]王德勤.單層懸索結(jié)構(gòu)在建筑幕墻中的應(yīng)用[J]中國(guó)建筑裝飾裝修.2004，1

　　[3]黃誠(chéng)張宇孔維祥.單層平面索網(wǎng)點(diǎn)支式玻璃幕墻設(shè)計(jì)與施工.中國(guó)幕墻網(wǎng).2005，6

　　[4]劉長(zhǎng)龍、趙西安.哈爾濱國(guó)際體育會(huì)展中心預(yù)拉力單索幕墻設(shè)計(jì)與分析.中國(guó)幕墻網(wǎng)2009，6

　　[5]李志強(qiáng)楊立軍.單層索網(wǎng)點(diǎn)支式玻璃幕墻的靜力性能研究[J]山西建筑.2006，13