2.2.3 索桁架結(jié)構(gòu)`點式玻璃幕墻的轉(zhuǎn)角節(jié)點
在曲面索結(jié)構(gòu)玻璃幕墻的轉(zhuǎn)角外觀上采用了兩種形式,在銳角轉(zhuǎn)角位置上采用了三根大鋼柱,形成空間
鋼桁架進(jìn)行支承。用空間鋼桁架的大剛度對水平布置的索桁架支坐反力進(jìn)行支承。
在直角轉(zhuǎn)角處采用了對單根立柱進(jìn)行預(yù)應(yīng)力反向加強的辦法,采用了并排多根鋼索,從立柱的頂部到底部進(jìn)行張拉、作整體的平衡。用此辦法來抵抗由于水平布置的索桁架,在預(yù)應(yīng)力施加時對鋼立柱產(chǎn)生的側(cè)向變形。(如圖2.2,3)
2.2,4 預(yù)應(yīng)力自平衡索桁架結(jié)構(gòu)`點式玻璃幕墻節(jié)點
為解決A立面玻璃幕墻在受荷載時轉(zhuǎn)角立柱的穩(wěn)定性,設(shè)置了預(yù)應(yīng)力自平衡索桁架結(jié)構(gòu)作為A立面玻璃幕墻支承系統(tǒng)。
山東壽光文化中心項目的自平衡索桁架的布設(shè),是按水平方向布置的。在水平布置自平衡索桁架時,應(yīng)該充分考慮到其在自重情況下產(chǎn)生的平面外變形和在受荷載過程中索桁架的穩(wěn)定性。所以在自平衡索桁架的中部
撐桿上,安裝了平面外穩(wěn)定索來確保索桁架在進(jìn)人工作狀態(tài)時的穩(wěn)定性。(如圖2.2.4-1;2,2.4-2)
2,2.5 索桁架結(jié)構(gòu)點式玻璃幕墻的頂部、底部節(jié)點
在頂部節(jié)點處理上應(yīng)充分考慮到幕墻安裝結(jié)束后,室內(nèi)
吊頂和內(nèi)裝收口的空間。由于山東壽光文化中心項目的頂部支承結(jié)構(gòu)為
鋼結(jié)構(gòu)支承,給幕墻在頂部收口和支承提供了便利的條件。(如圖2.2.5-2)
底部收口按常規(guī)應(yīng)考慮到地面石材收口線,將豎向索的可調(diào)裝置安裝在豎向索的下端,以便在幕墻在使用狀態(tài)時對索的
內(nèi)力進(jìn)行調(diào)整和監(jiān)控。(如圖2.2.5-1)
3．索桁架結(jié)構(gòu)點式玻璃幕墻的承載能力分析
本章以壽光市文化中心的實際工程為出發(fā)點結(jié)合參數(shù)分析的結(jié)論,應(yīng)用大型
有限元計算軟件ANSYS,針對索結(jié)構(gòu)玻璃幕墻支承體系給出了有限元分析的實用方法。考慮了模型在水平荷載作用下所表現(xiàn)出來的大變形、小應(yīng)變和
非線性的
力學(xué)性能特點,對這類工程的結(jié)構(gòu)分析具有一定的指導(dǎo)性。
3.1 分析過程
3.1.1 分析基本步驟
1)根據(jù)周圍環(huán)境特點及建筑要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型,并繪出簡圖。
2)找出理論依據(jù)及基本假定建立實體模型。確定邊界條件、單元類型及單元之間的約束自由度,將實體模型簡化為有限元模型。
3)根據(jù)項目特點確定各種荷載的取值。列出工況表,根據(jù)不同目標(biāo)準(zhǔn)則選取最不利工況。
4)確定分析方法和計算工具,得出計算結(jié)果。根據(jù)設(shè)計許可值要求對各種結(jié)果進(jìn)行分析,最后給出結(jié)論。
3,1,2 計算模型
1)邊界條件:索結(jié)構(gòu)在承受法向力時產(chǎn)生大變形,雖然結(jié)構(gòu)單元受力變形,剛度未發(fā)生大的變化,但是幾何剛度增大迅速。鋼索張拉預(yù)應(yīng)力后導(dǎo)致索體伸長,所以對周邊支承點在鋼索軸向相對位移極為敏感,輕微的位移都會導(dǎo)致內(nèi)力驟變,從而引起結(jié)構(gòu)破壞或剛度降低。因此在周邊鋼索支承結(jié)構(gòu)剛度不足以滿足鋼索連接點
支座位移量控制要求時,建議將這部分結(jié)構(gòu)與鋼索整體計算。
2)單元類型:鋼索采用link10桿單元,ANSYS單元庫中提供的link10單元是一個只拉(或只壓)的兩節(jié)點桿單元,每個節(jié)點有3個自由度。玻璃采用shell63板單元,shell63單元是一個能承受拉(壓)力、剪力和
彎矩的板單元,每個節(jié)點有6個自由度,包括3個線自由度和3個轉(zhuǎn)動自由度,同時還考慮了
應(yīng)力剛化和大變形選項,
玻璃面板采用此單元。在鋼索節(jié)`煢和玻璃角點之間憑和y方向則采用了帶阻尼的combin14拉壓彈簧單元來模擬節(jié)點約束,combin14單元可以有縱向伸長以及扭轉(zhuǎn)能力,沒有質(zhì)量。通過設(shè)置彈簧單元的選項,可以選擇只有縱向伸長彈簧模型,它是一個單軸的單元,每個節(jié)`點有三個節(jié)點自由度,不考慮
彎曲和扭轉(zhuǎn)。
3)荷載取值:施加在幕墻上的直接作用有
風(fēng)荷載、自重等。間接作用有地震和
溫度作用等。
a、風(fēng)荷載:要針對正常使用
極限狀態(tài)和
承載力極限狀態(tài)兩方面的要求采用相應(yīng)的風(fēng)荷載值。風(fēng)荷載
標(biāo)準(zhǔn)值由
基本風(fēng)壓ω0計算或
風(fēng)洞試驗得到。 《
建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50O09)對垂直作用在幕墻、采光頂?shù)?a href='../../zsk/ct.asp?id=6324' target='_blank' style='font-size:1em; border-bottom:1px dotted blue;'>圍護結(jié)構(gòu)表面單位面積上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值采用下述表達(dá)式:
wk =β gzusuzoO
式中 ωk——風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值
Ｂgz——高度z處的
陣風(fēng)系數(shù)
us——風(fēng)荷載體型系數(shù)
uz——
風(fēng)壓高度變化系數(shù)
w0——幕墻所在地區(qū)的基本風(fēng)壓
(1)基本風(fēng)壓:基本風(fēng)壓是以當(dāng)?shù)乇容^空曠平坦地面上,離地10狃高記錄統(tǒng)計所得50年一遇10頑n平均最大風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn),按oO=l,O2/16∞ 確定的風(fēng)壓值。
《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009)規(guī)定,對風(fēng)荷載比較敏感的
高層建筑,根據(jù)熏要性不同,分別采用重現(xiàn)期為5Q年或1Q0年作為基本風(fēng)速的取值依據(jù),按極值I型分布,可導(dǎo)出不同重現(xiàn)期基本風(fēng)壓與重現(xiàn)期為∞ 年的基本風(fēng)壓oCl的近似關(guān)系:
重現(xiàn)期為100年的基本風(fēng)壓:ω100=1.2ω0
基本風(fēng)壓值按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的“全國基本風(fēng)壓分布圖”采用。
(2)風(fēng)壓高度變化系數(shù): 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》 (GB500Q9)將
地面粗糙度分為A、B、C、D四類。A類指近海海面、海島、海岸、湖岸及沙漠等;B類指空曠田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵及房屋比較稀少的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū);C類指有密集建筑群的城市市區(qū);D類指有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)。
(3)風(fēng)荷載體型系數(shù):對豎直的平面
玻璃幕墻結(jié)構(gòu)外表面:正壓區(qū)按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》采用;負(fù)壓區(qū)對墻面取u=-1· 0,對墻角邊取u=-1· 8。對封閉式建筑內(nèi)表面,按外表面風(fēng)壓的正負(fù)情況取-0,2或0.2。
(4)陣風(fēng)系數(shù):對于維護結(jié)構(gòu),由于其
剛性一般較大,在結(jié)構(gòu)效應(yīng)中可不必考慮其共振分量,此時可僅在平均風(fēng)壓的基礎(chǔ)上,近似考慮脈動風(fēng)瞬時的增大因素,通過陣風(fēng)系數(shù)來計算其風(fēng)荷載。陣風(fēng)系數(shù)βgz按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》確定。
b、溫度荷載:索結(jié)構(gòu)所受溫度荷載的不利影響比大多數(shù)結(jié)構(gòu)體系更加嚴(yán)重。根據(jù)索構(gòu)造不難發(fā)現(xiàn)鋼索處于半室外空間,長期受外界環(huán)境溫度影響,索體工作溫度變化快、幅度大,結(jié)構(gòu)在正常使用期間溫差按照±40°計算。受溫度變化單索應(yīng)力線性變化,當(dāng)溫度升高較大時將嚴(yán)重消弱體系承載能力;當(dāng)溫度降低較大時鋼索內(nèi)力增大,使得原有溫度條件下的鋼索內(nèi)力平衡被打破,導(dǎo)致內(nèi)力重新分配,鋼索內(nèi)力增大。
此外,施工過程當(dāng)中還要根據(jù)預(yù)張拉時的氣溫變化與有限元計算溫度的差異調(diào)整鋼索實際預(yù)拉力,確保索
內(nèi)應(yīng)力在溫度變化過程中的均衡狀態(tài)和安全性。
c、結(jié)構(gòu)自重:結(jié)構(gòu)自重按各部分的體積與容重的乘積計算。考慮材料規(guī)格尺寸的偏差及附屬性構(gòu)造零件,其荷載
分項系數(shù)也可取為γG=1.2。
d、預(yù)拉力:預(yù)拉力的取值直接影響到體系剛度,通常設(shè)計索結(jié)構(gòu)最大
撓度控制取值按《
玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》
JGJ-102-2003,《
建筑幕墻》GB/
T21086-2007結(jié)構(gòu)單跨的1/200,以往的工程設(shè)計經(jīng)驗是當(dāng)預(yù)拉力取鋼索最大內(nèi)力的50%時,鋼索最大撓度滿足控制要求。鋼索最大內(nèi)力可用擬梁法近似得出,擬梁法是假定在受法向力后鋼索位移至變形允許值時達(dá)到平衡狀態(tài),對支座而言由跨中反彎點的位移值與拉力的乘積來抵抗該點的彎矩。在ANSYS程序中是通過輸人初始應(yīng)變施加,經(jīng)試算后使鋼索最大撓度較為精確的控制在結(jié)構(gòu)單跨的1/200,此時鋼索內(nèi)力最小,選擇的鋼索規(guī)格最合理,實際加載取整數(shù)施加便于控制。
e、
地震作用:地震作用是指地震時的地震波通過地基使建筑物產(chǎn)生振動的慣性力作用。包括幕墻結(jié)構(gòu)的建筑結(jié)構(gòu),在
地震荷載作用下與
地震烈度、建筑物地基的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)物的剛度、質(zhì)量大小及其分布狀況等都有關(guān)系,理論上應(yīng)該通過結(jié)構(gòu)地震隨機振動分析確定其對不同結(jié)構(gòu)的影響。但實際計算時,一般可采用簡化方法。
幕墻無需考慮豎向地震作用。水平地震作用(垂直于墻面方向或沿墻面水平方向)的標(biāo)準(zhǔn)值PEk,可近似按下式計算:
PEk=βEαmaxGk (3.1.2)
式中 αmax一水平地震作用影響系數(shù)最大值,
構(gòu)件截面及連接計算中,當(dāng)?shù)卣鹪O(shè)計烈度為6、7、8度時,根據(jù)不同的
設(shè)計基本地震加速度分別,取0.04、0.O8(0,12)、 0.16 (0.24)。
βE一地震作用動力放大系數(shù),可取5.0。
Gk—
幕墻結(jié)構(gòu)計算部分及其附屬部分的自重標(biāo)準(zhǔn)值之和。對于非豎直玻璃幕墻,如玻璃幕頂端、斜墻等,除上述基本荷載外,尚應(yīng)根據(jù)實際情況,考慮其他恒載和活載(雪等),其取值見《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》 (GB50O09—2001),同時需滿足《建筑
抗震設(shè)計規(guī)范》的要求。
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