點(diǎn)支式玻璃幕墻建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

牟　芹

摘 要：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、走道欄板式整個建筑。本文從玻璃幕墻的組成及基本要求入手,談張拉索桿結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)中的若干問題。

關(guān)鍵詞：玻璃幕墻；建筑結(jié)構(gòu)

1 玻璃幕墻建筑結(jié)構(gòu)的組成與類別

眾所周知玻璃是一種脆性材料，由于制成時不可避免的內(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)。

1.1 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。

1．2 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。

2 張拉索桿結(jié)構(gòu)體系的組成及其布置

2．1 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。

2.2 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。

2.3 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。

2.4 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)。

3 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比較簡單，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，支座的壓縮剛度對結(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，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，后逐級施加，但在實(shí)際中很難實(shí)施。一些研究分析表明：對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，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?？紤]到尚無數(shù)十甚至千百年一遇的風(fēng)載同時發(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，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，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，設(shè)為：25%≤σ0/fd≤50%對于高強(qiáng)度鋼材，當(dāng)以材料抗拉極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)值考慮時，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% ；需要指出的是，初張力對張拉索結(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。

4 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)成對于其抗彎剛度也有不小影響。張拉索的初張應(yīng)力對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)際工程中對于張拉索桿結(jié)構(gòu)體系的撓度控制十分必要，它對防止玻璃幕墻結(jié)構(gòu)不必要振動、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。