曲面索结构玻璃幕墙承载性能探讨z

2010年全国铝门窗幕墙行业年会论文曲面索结构玻璃幕墙承载性能的探讨-寿光文化中心索结构幕墙王德勤（北京德宏幕墙工程技术有限公司，北京）提 要 本文从寿光市文化中心预应力索桁架结构点式玻璃幕墙的实际工程入手，对支承结构的设计、构造技术进行了讨论。对索结构点式玻璃幕墙的承载能力进行分析，特别是对于索结构点支式玻璃幕墙的预应力形成及部分重要节点处理方案和设计方法作了分析。 关键词 索结构点式玻璃幕墙，点支式支承，节点设计，预应力，钢索预张拉处理。1引言随着科学技术和工业生产的发展，许多有利于幕墙发展的新思想、新技术、新材料和新工艺被开发出来，并成功应用到幕墙设计和制造上，解决了长期妨碍幕墙发展的许多问题，从而使幕墙在近年来获得飞速的发展，在建筑上得到了广泛的应用。作为不断发展中的前沿建筑技术，索结构是一种活跃的结构类型。工程师充分发挥钢材抗拉性能好的特性，利用包括钢棒、扁钢、高强度冷拉钢丝编织而成的钢索等材料，布置出空间张拉结构体系。而人们根据不同的需要，将钢索摆放出个性鲜明的造型，在不同空间形态下表现出迥异的结构特点。点支式玻璃连接技术因安全可靠的连接构造，广泛应用于大跨度建筑空间。其支承体系可灵活布置，并朝着大尺度、轻型化的方向发展。已从刚架、桁架、网架、玻璃肋等刚性支承体系，发展到目前大量使用的基于预应力张拉技术的柔性支承体系。柔性结构体系与点支式玻璃结合使用，将二者轻盈、通透的共性发挥到极致，使建筑内外空间自然和谐的融为一体。钢索结构，在没有施加预应力前没有刚度，结构形状也不确定，必须施加预应力后才能王德勤，男，1958.4出生，教授级高级工程师，清华大学建筑玻璃与金属结构研究所技术交流委员会副主任；中国建筑金属结构协会幕墙委员会专家；中国建筑装饰协会专家组成员；全国建筑幕墙门窗标委会专家。承受荷载。是极具发展潜力的建筑结构体系。 图1.1寿光市文化中心夜景鸟瞰图图1.2寿光市文化中心东北向平视照片11、寿光市文化中心工程概况：寿光地处山东半岛北部，渤海莱州湾南畔，潍坊地区西南，总面积2180平方公里，辖17处镇，人口108万，自然条件优越，资源物产丰富，农业优势突出，多次筹办“世界蔬菜博览会”以巨大的经济潜力和良好的投资环境引起了海内外各界的广泛重视。寿光市文化中心位于寿光市新城区，是寿光市政府财政拨款筹建的重点工程、形象工程。该工程由同济大学建筑设计研究院设计，幕墙工程面积大约38500m2，建筑主体长轴约133.2m，短轴约103.3m，最高点高度约为25m，本工程共分为三个施工区域。这三个施工区域既相互独立而又相互连接。 大体划分情况如下：区区区图1.1 寿光市文化中心分区图寿光市文化中心分区图：区椭球体幕墙系统、椭球体与主楼连接部分；区锅炉房幕墙系统，主体Y12-Y17轴幕墙系统；区其余主体部分幕墙系统。在区按工程项目内容分为：椭球体幕墙系统、椭球体与主体圆形玻璃连廊系统、鱼腹拉索点式玻璃幕墙系统、点式玻璃采光顶幕墙系统、入口大厅铝板挑檐幕墙系统、铝合金装饰格栅、背栓式叠型石材幕墙系统、横向条形石材及玻璃幕墙系统等近十项内容。本文重点研究的是区鱼腹式索桁架点支式玻璃幕墙系统的承载能力。该段工程施工难度大，技术含量高，造型新颖、独特。2、预应力索桁架体系的分布情况与结构形式21三个立面索桁架体系的分布情况在椭球体与主楼连接部分的共享空间内，主要采用了三种形式的鱼腹式索桁架结构点式玻璃幕墙系统：对称布索预应力鱼腹式索桁架结构点式玻璃幕墙系统、非对称布索预应力鱼腹式索桁架结构点式玻璃幕墙系统、预应力自平衡索桁架结构点式玻璃幕墙系统。如图2.1图2.1索结构玻璃幕墙三维分布图211 如图2、1中的A立面，是建筑的偏东的立面，为预应力自平衡索桁架结构点式玻璃幕墙。为解决A立面玻璃幕墙在受荷载时转角立柱的稳定性，设置了预应力自平衡索桁架结构作为A立面玻璃幕墙支承系统。(如图2.1-1)图2.1-1 A立面，自平衡索桁架结构点式玻璃幕墙索结构图。212 B立面，是建筑的东北立面，为弧形曲面索桁架结构点式玻璃幕墙。根据幕墙平面图上幕墙曲面的曲度和位置情况，采用对腹式索桁架变化失高，变化定位支点角度的办法，实现设计要求的玻璃幕墙曲面度。(如图2.1-2)图2.1-2 B立面，非对称布索弧形曲面点式玻璃幕墙索结构图。213 C立面，是建筑的北立面为平面索桁架结构点式玻璃幕墙。(如图2.1-3)图2.1-3 C立面，平面索桁架结构点式玻璃幕墙索桁架结构图图2.1-4 索桁架结构点式玻璃幕墙总平面图 图2.1-5 B、C立面索桁架结构剖视图22 主要构造及技术分析221、弧形索桁架结构点式玻璃幕墙的中部节点在椭球体与主楼连接部分的共享空间内，主要采用了三种形式的鱼腹式索桁架结构点式玻璃幕墙系统：对称布索预应力鱼腹式索桁架结构点式玻璃幕墙系统、非对称布索预应力鱼腹式索桁架结构点式玻璃幕墙系统、预应力自平衡索桁架结构点式玻璃幕墙系统。由于索桁架分布位置不同，索桁架的长度尺寸和桁架的失高有很大变化。根据幕墙平面图上幕墙曲面的曲度和位置情况，采用对腹式索桁架变化失高，变化定位支点角度的办法，实现设计要求的玻璃幕墙曲面度。(如图2.1-45)这些索桁架支承是与垂直于地面的22根直径为600mm的钢立柱结合在在一起的。所以在玻璃幕墙的中部节点中除有大量的索与玻璃立面的连接件，还有的就是钢立柱与玻璃立面的连接，钢立柱与索桁架之间的连接。(如图2.2.1-1)图2.2.1-1钢立柱与玻璃立面的连接节点图 图2.2.1-2钢立柱与玻璃立面的连接节点左视图222、玻璃连接件构造玻璃连接机构是保证索结构玻璃幕墙使用性能的关键点，必须达到以下条件：有足够的强度支承玻璃自重和受荷载产生的压力；要有足够的适应变形能力不至于在玻璃受荷载变形时产生过大的应力点或面；直接有效的将玻璃板面上的荷载转递到支承结构上。(如图2.2.2-1; 图2.2.2-2)夹板式连接件是在一个索结构玻璃幕墙单元中部起固定支承和连接作用的节点。中部节点主要由锁紧机构和连接玻璃机构两部分组成。在节点处设置锁紧机构起锁紧、定位、连接的作用。 连接玻璃机构在与玻璃接触的位置布置环形橡胶垫片，垫片常用4mm厚，弹性模量E5.0103 N/mm2，泊松比取0.45。允许跨度方向玻璃之间转动，转动夹角通常控制在2范围内。图2.2.2-1夹板式连接件俯视图 图2.2.2-2 夹板式连接件剖视图 223、索桁架结构点式玻璃幕墙的转角节点在曲面索结构玻璃幕墙的转角外观上采用了两种形式，在锐角转角位置上采用了三根大钢柱，形成空间钢桁架进行支承。用空间钢桁架的大刚度对水平布置的索桁架支坐反力进行支承。在直角转角处采用了对单根立柱进行预应力反向加强的办法，采用了并排多根钢索，从立柱的顶部到底部进行张拉、作整体的平衡。用此办法来抵抗由于水平布置的索桁架，在预应力施加时对钢立柱产生的侧向变形。(如图2.2.3)图2.2.3 直角转角处采用了预应力反向加强节点224、预应力自平衡索桁架结构点式玻璃幕墙节点为解决A立面玻璃幕墙在受荷载时转角立柱的稳定性，设置了预应力自平衡索桁架结构作为A立面玻璃幕墙支承系统。山东寿光文化中心项目的自平衡索桁架的布设，是按水平方向布置的。在水平布置自平衡索桁架时，应该充分考虑到其在自重情况下产生的平面外变形和在受荷载过程中索桁架的稳定性。所以在自平衡索桁架的中部撑杆上，安装了平面外稳定索来确保索桁架在进入工作状态时的稳定性。(如图2.2.4-1; 2.2.4-2)图2.2.4-1预应力自平衡索桁架中部节点俯视图 图2.2.4-2自平衡索桁架中部节点剖视图225、索桁架结构点式玻璃幕墙的顶部、底部节点在顶部节点处理上应充分考虑到幕墙安装结束后，室内吊顶和内装收口的空间。由于山东寿光文化中心项目的顶部支承结构为钢结构支承，给幕墙在顶部收口和支承提供了便利的条件。(如图2.2.5-2)底部收口按常规应考虑到地面石材收口线，将竖向索的可调装置安装在竖向索的下端，以便在幕墙在使用状态时对索的内力进行调整和监控。(如图 2.2.5-1)图2.2.5-1 底部收口节点图 图2.2.5-2顶部收口节点图3、索桁架结构点式玻璃幕墙的承载能力分析本章以寿光市文化中心的实际工程为出发点结合参数分析的结论，应用大型有限元计算软件ANSYS，针对索结构玻璃幕墙支承体系给出了有限元分析的实用方法。考虑了模型在水平荷载作用下所表现出来的大变形、小应变和非线性的力学性能特点，对这类工程的结构分析具有一定的指导性。3.1 分析过程3.1.1 分析基本步骤1）根据周围环境特点及建筑要求进行结构选型，并绘出简图。2）找出理论依据及基本假定建立实体模型。确定边界条件、单元类型及单元之间的约束自由度，将实体模型简化为有限元模型。3）根据项目特点确定各种荷载的取值。列出工况表，根据不同目标准则选取最不利工况。4）确定分析方法和计算工具，得出计算结果。根据设计许可值要求对各种结果进行分析，最后给出结论。3.1.2 计算模型1） 边界条件：索结构在承受法向力时产生大变形，虽然结构单元受力变形，刚度未发生大的变化，但是几何刚度增大迅速。钢索张拉预应力后导致索体伸长，所以对周边支承点在钢索轴向相对位移极为敏感，轻微的位移都会导致内力骤变，从而引起结构破坏或刚度降低。因此在周边钢索支承结构刚度不足以满足钢索连接点支座位移量控制要求时，建议将这部分结构与钢索整体计算。2 ） 单元类型：钢索采用link10杆单元，ANSYS单元库中提供的link10单元是一个只拉（或只压）的两节点杆单元，每个节点有3个自由度。玻璃采用shell63板单元，shell63单元是一个能承受拉（压）力、剪力和弯矩的板单元，每个节点有6个自由度，包括3个线自由度和3个转动自由度，同时还考虑了应力刚化和大变形选项，玻璃面板采用此单元。在钢索节点和玻璃角点之间和方向则采用了带阻尼的combin14拉压弹簧单元来模拟节点约束，combin 14单元可以有纵向伸长以及扭转能力，没有质量。通过设置弹簧单元的选项，可以选择只有纵向伸长弹簧模型，它是一个单轴的单元，每个节点有三个节点自由度，不考虑弯曲和扭转。3 ） 荷载取值：施加在幕墙上的直接作用有风荷载、自重等。间接作用有地震和温度作用等。a、 风荷载：要针对正常使用极限状态和承载力极限状态两方面的要求采用相应的风荷载值。风荷载标准值由基本风压0 计算或风洞试验得到。建筑结构荷载规范（GB50009）对垂直作用在幕墙、采光顶等围护结构表面单位面积上的风荷载标准值采用下述表达式： k=gzsz0 （3.1.2） 式中 k-风荷载标准值（kN/m2） gz-高度z处的阵风系数 s-风荷载体型系数 z-风压高度变化系数 0-幕墙所在地区的基本风压（kN/m2）（1）基本风压：基本风压是以当地比较空旷平坦地面上，离地10m高记录统计所得50年一遇10min平均最大风速的标准，按0=02/1600确定的风压值。建筑结构荷载规范（GB50009）规定，对风荷载比较敏感的高层建筑，根据重要性不同，分别采用重现期为50年或100年作为基本风速的取值依据，按极值I型分布，可导出不同重现期基本风压与重现期为50年的基本风压0的近似关系：重现期为100年的基本风压：100=1.20基本风压值按建筑结构荷载规范中的“全国基本风压分布图”采用。（2）风压高度变化系数：建筑结构荷载规范（GB50009）将地面粗糙度分为A、B、C、D四类。A类指近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠等；B类指空旷田野、乡村、丛林、丘陵及房屋比较稀少的乡镇和城市郊区；C类指有密集建筑群的城市市区；D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。（3）风荷载体型系数：对竖直的平面玻璃幕墙结构外表面：正压区按建筑结构荷载规范采用；负压区对墙面取s=-1.0，对墙角边取s=-1.8。对封闭式建筑内表面，按外表面风压的正负情况取0.2或0.2。（4）阵风系数：对于维护结构，由于其刚性一般较大，在结构效应中可不必考虑其共振分量，此时可仅在平均风压的基础上，近似考虑脉动风瞬时的增大因素，通过阵风系数来计算其风荷载。阵风系数gz按建筑结构荷载规范确定。b、 温度荷载：索结构所受温度荷载的不利影响比大多数结构体系更加严重。根据索构造不难发现钢索处于半室外空间，长期受外界环境温度影响，索体工作温度变化快、幅度大，结构在正常使用期间温差按照40计算。受温度变化单索应力线性变化，当温度升高较大时将严重消弱体系承载能力；当温度降低较大时钢索内力增大，使得原有温度条件下的钢索内力平衡被打破，导致内力重新分配，钢索内力增大。此外，施工过程当中还要根据预张拉时的气温变化与有限元计算温度的差异调整钢索实际预拉力，确保索内应力在温度变化过程中的均衡状态和安全性。C、 结构自重：结构自重按各部分的体积与容重的乘积计算。考虑材料规格尺寸的偏差及附属性构造零件，其荷载分项系数也可取为G=1.2。d、预拉力：预拉力的取值直接影响到体系刚度，通常设计索结构最大挠度控制取值按玻璃幕墙工程技术规范JGJ-102-2003，建筑幕墙GB/T21086_2007结构单跨的1/200，以往的工程设计经验是当预拉力取钢索最大内力的50时，钢索最大挠度满足控制要求。钢索最大内力可用拟梁法近似得出，拟梁法是假定在受法向力后钢索位移至变形允许值时达到平衡状态，对支座而言由跨中反弯点的位移值与拉力的乘积来抵抗该点的弯矩。在ANSYS程序中是通过输入初始应变施加，经试算后使钢索最大挠度较为精确的控制在结构单跨的1/200，此时钢索内力最小，选择的钢索规格最合理，实际加载取整数施加便于控制。e、 地震作用：地震作用是指地震时的地震波通过地基使建筑物产生振动的惯性力作用。包括幕墙结构的建筑结构，在地震荷载作用下与地震烈度、建筑物地基的性质、结构物的刚度、质量大小及其分布状况等都有关系，理论上应该通过结构地震随机振动分析确定其对不同结构的影响。但实际计算时，一般可采用简化方法。幕墙无需考虑竖向地震作用。水平地震作用（垂直于墙面方向或沿墙面水平方向）的标准值PEk，可近似按下式计算：PEk=EmaxGk （3.1.2）式中max -水平地震作用影响系数最大值，构件截面及连接计算中，当地震设计烈度为6、7、8度时，根据不同的设计基本地震加速度分别，取0.04、0.08（0.12）、0.16（0.24）。E -地震作用动力放大系数，可取5.0。Gk -幕墙结构计算部分及其附属部分的自重标准值之和。对于非竖直玻璃幕墙，如玻璃幕顶端、斜墙等，除上述基本荷载外，尚应根据实际情况，考虑其他恒载和活载（雪等），其取值见建筑结构荷载规范（GB500092001），同时需满足建筑抗震设计规范的要求 。4、钢索的选型与索桁架预应力的形成钢索的设计要符合现行标准建筑用不锈钢绞线JG/T200-2007 ，建筑幕墙用钢索压管接头JG/T 201-2007 。41、钢索预张拉处理在钢索选型、制作与加工过程中在确保隐式单索体系钢索受力性能的基础上还要考虑其防腐因素，所以在制作过程中要有严格的加工工艺控制。玻璃幕墙用钢索由于性能及防腐的要求通常选用119或137的奥氏体或奥氏体加铁素体不锈钢铰线，其弹性模量E=1.21.7105 N/mm2。它受力均匀，能充分发挥经多次冷拉硬化的高强不锈钢钢丝材料的抗拉强度。若使用高强度铝包钢铰线，以有效的减少钢铰线的外径以更好的适应隐索构造的空间要求。预应力索桁架结构玻璃幕墙使用的钢索在施加预拉力之后成为独立工作的体系，工作状态是处于持续永久受力状态。为保证钢索稳定工作性能，对每条钢索在使用前都必须进行预张拉处理。目的是消除索内非弹性变形因素，使其在工作状态中应力与应变呈线性关系，在弹性变形状态下工作。如图4.1所示，预张拉的拉力取用钢索破断力的50%，经3次反复张拉历时1.5小时。图4.1 松弛新索预张拉处理对于面积为A、长度为L的松驰新索，在拉力N作用下伸长L，如果定义应力为=N/A，应变=L/L，则应力-应变关系为：第一特征段，随着应力不大的增加中，应变迅速增加，其中大部分是永久应变。在第二阶段，应力应变变化相对均匀，这一分阶段的及近似认为是常数，永久应变P变化不大。第三阶段是永久应变的迅速增加的特征的，应力缓慢增加至索的破坏强度。实际索弹性模量被定义为第二阶段曲线切线模量的平均值。索的反复加载效应是指张紧索和部分张紧索。将松弛新索均匀张拉至选定的拉力后，再均匀卸载，这时索体存在的残余永久变形。在以后2n次加卸载后，每次残余永久变形为PPn。随着加卸载次数的增加，-曲线将趋于直线。索的残余永久应变为PPi，如果一根索在反复加卸载若干次后已消除了大部分残余应变，再次加载并卸载后只有较小的残余应变。当P0.110-3，这样的索可称为张紧索。张紧索在一定的加载范围内可视为线弹性的，其弹性模量一般比松弛新索高20%30%，实验表明，一般松弛新索经10次循环加卸载后就可消除大部分残余应变。如果一根索在反复加卸载若干次后只能消除部分残余应变，这样的索称为部分张紧索。当索被用于工程结构后，未消除的残余应变将会因材料蠕变效应慢慢得到消除，但这将使索产生松弛。钢索在实际生产过程中的预张拉工艺目前大致有两种方法：工艺1：在索的最大破断力40%60%间反复张拉5次，然后持续10分钟；工艺2：在索的最大破断力的50%55%，持续张拉12小时；美国资料：钢丝绳取55%，钢绞线取50%，维持0.52小时；前苏联取最大破断力的65%，历时0.5小时。42、不锈钢绞线强度设计值不锈钢绞线最小破断拉力的计算方法按建筑用不锈钢绞线JG/T200-2007计算最小破断拉力，公式如下： Fm=（K*S*b）/1000 (4.1)式中：Fm 不锈钢绞线最小破断拉力（kN）； K不锈钢绞线强度折减系数，其中1X7和1X19结构绞线K值为0.87，1X37和1X61结构绞线K值为0.86； S 不锈钢绞线公称金属截面积 （mm2）； b不锈钢丝公称抗拉强度（Mpa）；(当需方要求时可采用整绳破断拉力试验方法。)不锈钢绞线强度设计值不锈钢绞线最小破断拉力（Fm）轧制系数（0.9）/安全系（K）。钢索强度设计值需考虑材料安全度，在破断应力的基础上除以材料安全系数K=1.8。不锈钢丝强度要求，高强度级1512 Mpa，中强度级1163 Mpa，根据供需双方协议，也可采用其他强度级别的不锈钢丝。43、钢索的下料钢索的下料长度是否精确对索桁架的施工安装和预应力形成有很大的影响，经实践证明采用拉应力状态下料对保证下料尺寸精度有很大的帮助，也就在下料前对钢索施加一定的轴向拉应力使钢索拉直后进行切割，下料时必须注意经预张拉处理后的索才可以按图纸尺寸要求长度下料，同时注意在同一工程使用的同一直径索在进行拉应力状态下料时，拉力应保持一致。任何材料在长期荷载效应作用下都会产生蠕变，索也不例外，虽然关于索的蠕变研究已进行了很长的时间，但至今仍很难确定索蠕变的程度，如果线材是以正规规范的方法绞合并具有合适的绞合长度，而索是施加过预应力的张紧索，考虑到钢丝同时处于冷拉状态。因此工程设计中可以忽略索正常工作寿命内的蠕变效应。 所有类型的索都有其疲劳寿命，超过疲劳寿命后索内线材将全开始疲劳断裂，疲劳寿命取决于索内的应力幅值和工作条件。对绕轴卷动弯曲的索，其疲劳是由拉伸应力和弯曲应力组合作用引起的。而工程结构中的索，主要承受拉应力，只有脉动风效应会使索中产生幅度应力。 按建筑幕墙用钢索压管接头JG/T 201-2007的要求,接头应在承受不少于7.5万次钢索最小破断拉力的15%30%的脉动冲击荷载后，仍满足最小破坏拉力大于钢索最小破断拉力的90%的要求43、索结构施工前的试验与检测 索结构玻璃幕墙的性能指标是由结构构造、材料性能和安装精度等多方面因素所决定的，所以在施工前应按实际使用的材料及安装方案进行各项性能的检测，确保达到设计要求。 对索结构需进行以下检测与试验：（1）钢索结构承载静力试验（按加载按设计值的1.5倍取值）；（2）钢索破断力试验；（3）索套管接头压制后进行破断力试验；（4）结构与玻璃连接机构的承载力试验；（5）材料的化学分析、物理性能试验。44、施加预应力为确保幕墙的性能，钢索的预应力值应准确，预应力越大施工中预应力施加的难度就越大，因此在设计时就应考虑到施工顺序和预应力施加方案。严格按规定的步骤进行施工，防止出现由于施加预应力强起的支承结构严重超载的现象，张拉步骤：（1） 在进行索预应力张拉前先将坚向索布设到位，采用专用工装将索拉直，并使用有拉力传感器的液压千斤顶等设备按最终预应力值的30%进行第一级张拉。顺序是从中部向两端逐条对称张拉。此后对索的分布尺寸进行一次复合测量，工程中常采用张力测量仪测量。将中部锁紧机构按尺寸安装到位，要求只进行初始连接不锁紧。（2） 经调整达到索内力基本平衡，中部节点空间定位尺寸基本到位后按最终预应力值的70%进行第二级张拉。顺序与第一次张拉一致。张拉全部到位后按各节点总定位尺寸，将索的锁紧机构和玻璃连接机构调整到位， 图4.4施加预应力曲线图 并进行初期锁紧和初期固定。保持24小时后检查各边部节点