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【王德勤】隱形索結構玻璃幕墻

來源:2009年會論文集作者:王德勤日期:2009-4-1 　頁面功能【字體：大中小】【打印】【關閉】【評論】

摘要：隱形索結構玻璃幕墻就是一種從單向單索結構玻璃幕墻中引伸出來的新型玻璃幕墻形式，滿足了在玻璃建筑中視覺上無結構的需求。本文介紹了該體系的基本概念及應用現狀，并結合實際工程分析閘述其主要構造技術、結構特點及設計要點。隱形索結構玻璃幕墻是一種具有廣闊前景的新型實用建筑幕墻支承體系。
關鍵詞：點支式玻璃幕墻；預應力單索結構；鋼紋線；單向單索結構；

　　隨著我國在幕墻技術的發展，索結構作為支承體系的玻璃幕墻得到了廣泛的應有。在現在建筑中，魚腹式雙層索系玻璃幕墻、自平衡素彬架等玻璃幕墻、單層索網玻璃幕墻、單向單索結構玻璃幕墻等柔性支承體系的玻璃墻已不再鳳毛麟角。對于建筑師和幕墻工程師來說，索結構支承體系的玻璃幕墻已經成為常見的幕墻形式。同時在新的國家標準和工程技術規范中已對索結構幕墻有了嚴格、詳細的技術規定。對于幕墻企業來說對此類幕墻的設計與施工技術也己日趨成熟。
　　由于幕墻技術的不斷發展，更新的幕墻形式逐漸不斷的涌現出來。本文所介紹的隱形索結構玻璃幕墻就是一種從單向單索結構玻璃幕墻中引伸出來的新型玻璃幕墻形式。
　　1．隱形索結構玻璃幕墻支承體系
　　長期以來人們一直期待"視覺上無結構”的玻璃建筑。隱形索結構支承體系是在單向單索結構的基礎上采用了特殊構造措施，即利用了玻璃面板的厚度，將鋼索隱藏在玻璃豎向膠縫的中問，不論從室內還是室外，都看不見任何結構構件，從而達到視覺上無結構的目的。好像是玻璃‘’飄浮在”空中。
　　隱形索結構體系具備柔性結構的一切特征，受力狀態和傳力途徑類似單向單索體系。體系在沒有施加預應力前沒有剛度，且形狀不確定，必須施加足夠的預應力后才能承受荷載，是典型的小應變大變形結構。拉索的應力與位移的關系是非線性的。隱形索結構體系玻璃幕墻的最大撓度與跨度之比不宜大于1/50.
　　2．隱形索結構的工作原理
　　分析單索支撐結構的工作原理也就是要了解單索玻璃幕墻抵抗風荷載作用時的工作狀態。了解單索結構作為玻璃幕墻的支撐結構時，索的變形與預應力的關系。索體應力的大小、單索玻璃幕墻平面在抵抗風荷載時各節點的適應能力。（如圖1）

　　在玻璃幕墻平面受外部荷載后通過玻璃的連接機構將外部荷載轉化成節點荷載P，節點荷載P作用在索結構上，只要在索體中有足夠的預應力NO和撓度F，就可以滿足力學的平衡條件。當P為某一確定值時，撓度F和預應力NO成反比。即預應力NO值越大，撓度F就越小。F=P/NO。因此撓度F和預應力NO是單層平面索網的兩個關鍵參數，必須經過計算分析后才能確定。
　　3．隱形索結構玻璃幕墻設計
當幕墻豎向跨度不大時，可在單層索網的基礎上簡化成單向單索結構。通常將鋼索沿豎向玻璃縫布置，由豎向布置的鋼索獨立承受全部荷載，使玻璃建筑顯得通透、輕盈。與單層索網相比，取消穩定索不但能充分發揮鋼索抗拉性能，最大程度降低用鋼量，而且還取消了昂貴的鋼索間的連接構造及穩定索與建筑主體的錨固裝置。必須考慮水平方向玻璃面板自身平面內剛度，以滿足體系抗側要求。
　　一般控制單向單索幕墻的豎向單跨不超過10米，當連續跨度較大時還需從構造上加設保護裝置。
　　設計方法普遍采用將單索結構離散化的節點位移法，將單索結構離散為有限單元，形成單元剛度矩陣后構成總體坐標系下的結構總剛度矩陣，根據節點的平衡方程和各單元的物理方程得到節點位移，建立有限元基本方程進行求解。計算的基本假設為:(1))索是理想柔性的，只能受拉而不能受壓，也不能抗彎;(2)索的受拉工作符合虎克定律;(3)荷載均作用在節點上，因此各索段均呈直線形。該假定也意味著忽略索自重在的影響，當索內預應力遠大于自重引起的張力時這一假定是符合實際的。
設計的重點是構造設計，精確的模擬計算模型的各種假定和恰當的釋放或約束節點自由度。構造設計還必須考慮到來自溫度、地震、支座位移等不利因素及材料疲勞、松弛和自身動力響應等特性。
　　對于預應力單索結構的分析一般分為三個狀態，即初始幾何態、預應力態和荷載態，在分析力學模型的推導除了根據彈性力學的基本原理還需要考慮以下因素:
　　(1))非線性和初始應力
　　預應力單索結構的分析模型必須基于非線性分析理論，必須表示出預應力對剛度的貢獻。初始應力對剛度的貢獻體現在幾何剛度矩陣中。
　　(2)大位移和小應變
　　預應力單索結構的分析力學模型須滿足大位移和小應變假定，描述索結構各個階段的幾何形態成為分析的關鍵。
　　(3)索單元為只拉單元
　　索系作為一種柔性支承體系，理論上只能承受拉力，不能承受彎矩和剪力。一般在力學模型中不考慮索段的松弛。
　　以上是在預應力單索結構分析應該考慮的因素也是點支式玻璃建筑單索結構的理論分析基礎.適用于隱式單索夾待式幕墻支承體系。
　　4拉索的組成及索體材料
　　拉索應由索體及兩端的錨具組成。拉索索體可采用鋼絲束、鋼紋線或鋼拉桿。
　　拉索兩端錨具的構造應由建筑外觀、索體類型、索力、施工安裝、索力調整、換索等多種因素確定。
　　鋼紋線索體選用應滿足下列要求:
　　(1))鋼紋線的質量、性能應符合現行行業標準《高強度低松馳預應力熱鍍鋅鋼紋線》YB/T 152、《鍍鋅鋼紋線》YB/T 5004的規定。不銹鋼絞線的質量、性能應符合現行行業標準《建筑用不銹鋼絞線》JG/T 200的規定;鋼絞線的極限抗拉強度可分別采用1570,1720、1770、1850、1960Mpa等級別。
　　　鋼紋線可分別采用鍍鋅鋼絞線、高強度低松馳預應力熱鍍鋅鋼紋線、不銹鋼鋼紋線，并可采用表1的索體截面形式。
　　(2)鋼拉桿素體選用應滿足下列要求:
　　鋼拉桿的質量、性能應符合現行國家標準《鋼拉桿》GB/T 20934的規定;鋼拉桿桿體的屈服強度可分別采用345、460、550、650 MPa等級別�！�

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