單層平面索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)的實(shí)用抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法研究

文/王秋婧 浙江亞廈幕墻有限公司 浙江紹興 312000

隨著建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的不斷更新，多種幕墻結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用起來(lái)，關(guān)于單層平面索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法相對(duì)以前雖然有所改善，但仍有許多不合理的地方需要改進(jìn)。就抗風(fēng)設(shè)計(jì)而言，如今的設(shè)計(jì)方法仍不成熟，在進(jìn)行這種設(shè)計(jì)時(shí)所需要的流程十分復(fù)雜。針對(duì)單索幕墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，結(jié)合多種理論并采用等效靜力風(fēng)荷載方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這種方式相較于現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法來(lái)看非常復(fù)雜，因此我們應(yīng)結(jié)合部分重要概念，去進(jìn)行改進(jìn)。本文針對(duì)單層平面索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)如何進(jìn)行較為實(shí)用的抗風(fēng)設(shè)計(jì)給出了一系列的措施，并結(jié)合具體實(shí)例進(jìn)行論證。

1、建筑結(jié)構(gòu)等效靜力風(fēng)荷載理論

等效靜力風(fēng)荷載理論是以隨機(jī)振動(dòng)理論為基礎(chǔ)，進(jìn)行多次風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，并在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中獲取一系列的單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載信息，與此同時(shí)，將每次實(shí)驗(yàn)的風(fēng)振效應(yīng)結(jié)合起來(lái)，得出有關(guān)結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法。簡(jiǎn)單來(lái)講，等效靜力風(fēng)荷載理論，實(shí)質(zhì)上就是多次實(shí)驗(yàn)得到的風(fēng)振效應(yīng)的動(dòng)力系數(shù)用等效靜力法去進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出的與之相匹配的荷載系數(shù)即為簡(jiǎn)化后的結(jié)果，進(jìn)而使較為復(fù)雜的脈動(dòng)風(fēng)動(dòng)力效應(yīng)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為了靜力效應(yīng)分析問(wèn)題。將等效靜力風(fēng)荷載理論運(yùn)用到建筑結(jié)構(gòu)上，即為對(duì)抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法最核心的思想，也是設(shè)計(jì)單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的紐帶，以等效靜力風(fēng)荷載理論為基礎(chǔ)研究單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)在如今一直是比較熱門(mén)的研究問(wèn)題之一。

2、單層平面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的分析方法研究

等效靜力風(fēng)荷載理論有三種分析方法：陣風(fēng)荷載因子法、慣性力法、IRC法及IWL法結(jié)合。這些分析方法在如今已經(jīng)成為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不可或缺的三種方法。同樣在考慮單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)時(shí)，

也需要選擇與之相匹配的分析方法。但是就這三種分析方法，其實(shí)也有一些弊端。[2]第一種方法陣風(fēng)荷載因子法相較于其他方法來(lái)講表達(dá)形式比較單一，其將實(shí)際風(fēng)荷載等同于平均風(fēng)荷載，這樣的系數(shù)偏差較大，顯然不符合。第二種方法是分析慣性力法，由于其方法是以多種方程推導(dǎo)設(shè)計(jì)而出，系數(shù)偏差會(huì)減小很多，同樣與之對(duì)應(yīng)的相關(guān)函數(shù)幅度也較為平緩，即這種方法的準(zhǔn)確度極高，但由于只是一味的運(yùn)用公式推導(dǎo)，缺乏實(shí)踐性，導(dǎo)致沒(méi)有太多的相關(guān)理論得以論證這種方法，也就導(dǎo)致其缺乏一定的規(guī)律性，且在運(yùn)用這種方法時(shí)，方程極為復(fù)雜，工程量太大，實(shí)施起來(lái)不容易。第三種方法LRC法與IWL法相結(jié)合，這種方法所計(jì)算的等效靜力風(fēng)荷載與建筑設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的風(fēng)振效應(yīng)系數(shù)極為相似，其計(jì)算出的結(jié)果準(zhǔn)確性極高，這種方法也比較適合單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念，相較于其他兩種方法來(lái)講更為方便，更容易對(duì)單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。

3、單層平面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的實(shí)用抗風(fēng)設(shè)計(jì)原則

在單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的實(shí)用抗風(fēng)設(shè)計(jì)中，有一些原則問(wèn)題需要注意：在建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要保證其耐久性滿(mǎn)足要求，且抗風(fēng)壓力較強(qiáng)，即應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，進(jìn)而在測(cè)試抗風(fēng)能力時(shí)，能以足夠大的強(qiáng)度去承受風(fēng)荷載作用，這就要求設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，盡可能地控制單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的最大位移能力，在保證具有較為合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)，以足夠大的強(qiáng)度去降低風(fēng)振動(dòng)效應(yīng)所帶來(lái)的損害。其實(shí)在設(shè)計(jì)建筑建構(gòu)的時(shí)候，不同的平面對(duì)應(yīng)了不同的減少風(fēng)壓的數(shù)值，所以在設(shè)計(jì)單層平面索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)時(shí)，要精確計(jì)算出所能減少的最大風(fēng)壓的系數(shù)，進(jìn)而設(shè)計(jì)出最完美的抗風(fēng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，防止結(jié)構(gòu)遭到破壞。遵循如上的一系列原則，在設(shè)計(jì)此種建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，也就有了保障，才可以設(shè)計(jì)出最實(shí)用的抗風(fēng)結(jié)構(gòu)。

4、單層平面索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法

4.1 采取適當(dāng)防震措施

在以風(fēng)荷載理論為基準(zhǔn)設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，還要同時(shí)考慮地震荷載，因?yàn)榈卣鸷奢d對(duì)抗風(fēng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生一些促進(jìn)作用，尤其在設(shè)計(jì)索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)時(shí)，這種促進(jìn)作用極為明顯。因此采取適當(dāng)?shù)姆勒鸫胧┦遣豢苫蛉钡摹７勒鸫胧┯幸韵聨追N方法：第一在設(shè)計(jì)索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)部分區(qū)域進(jìn)行防震穩(wěn)定性加強(qiáng)的同時(shí)，要考慮其整體性，將索網(wǎng)幕墻的邊緣區(qū)域及中心區(qū)域相結(jié)合來(lái)設(shè)計(jì)出最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系，這樣也會(huì)提高結(jié)構(gòu)的整體剛度及防震度。[3]第二在幕墻結(jié)構(gòu)較為容易松動(dòng)的部位采取一些固定措施，如增加螺栓數(shù)量或者對(duì)這種結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行二次固定，杜絕產(chǎn)生松動(dòng)的可能性，即從側(cè)面提高了總體結(jié)構(gòu)的防震度。以上設(shè)計(jì)方法只是一部分，依照這些設(shè)計(jì)理念，能夠有效地提高結(jié)構(gòu)防震度，也是構(gòu)建單層平面索網(wǎng)幕墻抗風(fēng)設(shè)計(jì)的必要方法之一。

4.2 計(jì)算調(diào)整系數(shù)及轉(zhuǎn)換系數(shù)

通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，在計(jì)算調(diào)整系數(shù)與轉(zhuǎn)換系數(shù)時(shí)，各個(gè)系數(shù)考慮的因素各不相同。調(diào)整系數(shù)主要考慮的是設(shè)計(jì)索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)的自身因素，例如強(qiáng)度因素、剛度因素、相關(guān)函數(shù)因素等，以這些因素為基準(zhǔn)去計(jì)算調(diào)整系數(shù)。調(diào)整系數(shù)的數(shù)值與風(fēng)振效應(yīng)頻率也有一定的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)分析相對(duì)應(yīng)關(guān)系得出較為合理的調(diào)整系數(shù)。而在計(jì)算轉(zhuǎn)換系數(shù)時(shí)，又要考慮有關(guān)地貌的相關(guān)因素，圖1即為某類(lèi)地貌類(lèi)型在多組實(shí)驗(yàn)下的轉(zhuǎn)換系數(shù)值。[1]在構(gòu)造出地貌范圍因素與轉(zhuǎn)換系數(shù)的函數(shù)關(guān)系后，即可計(jì)算出轉(zhuǎn)換系數(shù)的最優(yōu)值。

圖1 某類(lèi)地貌轉(zhuǎn)換系數(shù)計(jì)算值

通過(guò)對(duì)這兩種系數(shù)的結(jié)合運(yùn)算，采用模態(tài)分析方法推導(dǎo)出最簡(jiǎn)化的計(jì)算公式，求出實(shí)用抗風(fēng)設(shè)計(jì)的最優(yōu)數(shù)值，進(jìn)而結(jié)合單層平面索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)的特性，構(gòu)建出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方法。圖2的公式為一階自振頻率計(jì)算公式。通過(guò)已知常數(shù)查表得到其他數(shù)值，再通過(guò)推導(dǎo)進(jìn)行換算求得脈動(dòng)系數(shù)及單層索網(wǎng)的方向?qū)挾?，進(jìn)而再利用上文所求的轉(zhuǎn)換系數(shù)及調(diào)整系數(shù)來(lái)計(jì)算出抗風(fēng)設(shè)計(jì)的最優(yōu)數(shù)值。

圖2 一階自振頻率的計(jì)算公式

總結(jié)：

單層平面索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)的實(shí)用抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法種類(lèi)頗多，但都需要結(jié)合等效靜力風(fēng)荷載理論。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，計(jì)算出一系列的最優(yōu)系數(shù)，并結(jié)合等效慣性力的方法，將這些最優(yōu)系數(shù)運(yùn)用到推導(dǎo)出的簡(jiǎn)化公式中，計(jì)算出最佳的風(fēng)振系數(shù)。同時(shí)盡可能地將偏差范圍縮減到最小，使設(shè)計(jì)出的抗風(fēng)效果最優(yōu)。由此得出最合理的單層平面索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法，這種方法使索網(wǎng)幕墻的抗風(fēng)安全性研究達(dá)到質(zhì)的提升。