單層單向索結(jié)構(gòu)玻璃幕墻的受力分析

程杰

（重慶創(chuàng)洲建筑裝飾工程有限公司，重慶 400000）

0 引言

與傳統(tǒng)建筑的外墻相比，玻璃幕墻具有簡潔的形狀、透明的外觀以及強烈的現(xiàn)代感，反映了建筑的時代氣息，因此，建筑師非常喜歡幕墻，尤其是玻璃幕墻。單層平面索網(wǎng)支承玻璃幕墻是近年來在國內(nèi)和海外廣泛使用的新型幕墻結(jié)構(gòu)，具有漂亮的外觀、輕巧纖細的部件以及出色的透明度，因此特別適用于大型公共建筑。這種類型的幕墻主要由預(yù)應(yīng)力拉索、連接爪和玻璃面板組成。玻璃的四個角通過拉索連接到爪上，用硅酮密封膠連接[1]。與傳統(tǒng)的單層彎曲索網(wǎng)結(jié)構(gòu)相比，單層索網(wǎng)系統(tǒng)是由雙向正交鋼纜組成的平面或負高斯受力系統(tǒng)。隨著我國玻璃幕墻的不斷實踐和技術(shù)發(fā)展，設(shè)計、施工和安裝技術(shù)已逐步系統(tǒng)化和規(guī)范化。

1 單層單向索結(jié)構(gòu)玻璃幕墻的組成

單層單向拉索結(jié)構(gòu)玻璃幕墻，其中玻璃面板通過單層單向索網(wǎng)結(jié)構(gòu)和鋼爪固定到錨固結(jié)構(gòu)，因此這種類型的結(jié)構(gòu)主要由錨固結(jié)構(gòu)、單層單向拉索桁架、玻璃面板、連接爪和緩沖材料組成。單層單向索結(jié)構(gòu)玻璃幕墻如圖1 所示。

圖1 單層單向索結(jié)構(gòu)玻璃幕墻

1.1 墊料

在使用玻璃幕墻時，需要避免由連接爪和玻璃板之間直接緊密的連接引起的摩擦噪音，并防止玻璃和緩沖層之間的相對滑動。在玻璃和連接爪之間設(shè)有層緩沖材料。緩沖材料具有韌性、彈性、耐用性和一定的硬度，以減少玻璃孔邊緣上的局部應(yīng)力并使玻璃與連接爪緊密接觸[2]。

1.2 玻璃面板

玻璃面板是玻璃幕墻的重要組成部分，作為外墻的圍護，玻璃不僅具有美觀的外觀特征，而且具有一定的物理性能。用于點支承玻璃幕墻的玻璃由于鉆孔而使孔邊緣的玻璃強度降低約30%，對于點型玻璃幕墻必須使用高強度的鋼化玻璃。鋼化玻璃的另一個重要特征是在使用過程中的安全性，較大的外力會產(chǎn)生小的碎片，沒有銳角，不會傷害到人。

1.3 錨定結(jié)構(gòu)

錨定結(jié)構(gòu)是指支承系統(tǒng)，由頂梁、樓板梁、地錨和水平地基梁等組成。玻璃幕墻將拉索的負載通過拉索傳遞到基礎(chǔ)，并拉緊錨固結(jié)構(gòu)，對索桁架在形成幕墻系統(tǒng)中進行張拉作用。索結(jié)構(gòu)的玻璃幕墻的固定結(jié)構(gòu)必須承受工作載荷和水平作用，還必須承受拉索桁架和拉索的預(yù)應(yīng)力，拉索結(jié)構(gòu)的固定結(jié)構(gòu)必須具有很強的剛度，因為它是索桁架產(chǎn)生的拉力（反向推力）。

1.4 索桁架

索桁架具有柔性的張緊結(jié)構(gòu)，通過對高強度鋼纜索施加預(yù)應(yīng)力而具有恒定的形狀，并且可以承受由于結(jié)構(gòu)變形后產(chǎn)生的拉力而產(chǎn)生的外部載荷。當(dāng)施加負載時，拉索結(jié)構(gòu)的剛度會不斷變化。對于索桁架結(jié)構(gòu)，不僅需要確保有足夠的張力來平衡外力，而且還必須確保變形不會太大以確保玻璃幕墻的功能[3]。拉索桁架不僅必須在初始狀態(tài)下平衡力系統(tǒng)，而且還必須具有恒定的張力儲備，以確保在拉索桁架達到最大設(shè)計水平時的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

1.5 連接爪件

連接爪件的功能是將玻璃連接到支承系統(tǒng)（拉索桁架結(jié)構(gòu)）。另外，連接爪件還用于校正玻璃加工和結(jié)構(gòu)制造之間的尺寸偏差。連接爪件由不銹鋼對接接頭和對接爪組成。

2 單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的受力分析

2.1 單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的工作原理

作為玻璃幕墻的支承結(jié)構(gòu)，單層索網(wǎng)必須承受幕墻上的內(nèi)部和外部載荷的影響。受力模型類似于鋼結(jié)構(gòu)模型，并且相對簡單，因為平面內(nèi)載荷通常會張緊單層拉索。如果平面內(nèi)載荷或其分量不平行于拉索軸，則垂直于拉索軸的分量會在拉索上施加側(cè)向載荷，該力的原理類似于平面外力的原理，因此，重點是分析單層拉索施加平面外負載時索網(wǎng)的工作狀態(tài)[4]。σ0（預(yù)應(yīng)力N0）和相對撓度f 可以滿足力學(xué)的平衡條件。σ0的大?。A(yù)應(yīng)力N0）和允許的相對撓度[f]是兩個重要參數(shù)。索網(wǎng)有限元建模示意如圖2 所示。

圖2 索網(wǎng)有限元建模

通過玻璃連接機構(gòu)，作用在玻璃幕墻上的面外載荷被轉(zhuǎn)換為節(jié)點載荷P，節(jié)點載荷P 作用在索網(wǎng)結(jié)構(gòu)上。只要索網(wǎng)具有足夠的預(yù)應(yīng)力，單層平面索網(wǎng)系統(tǒng)就是柔性的，并且在施加預(yù)應(yīng)力（預(yù)應(yīng)力）之前，抗拉結(jié)構(gòu)不是剛性的，并且系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，必須施加適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力以形成恒定的形狀以承受作用。最終承載力與最終變形狀態(tài)的位移密切相關(guān)，并且其結(jié)構(gòu)剛度受到預(yù)應(yīng)力，其與預(yù)應(yīng)力密切相關(guān)。因此，單層索網(wǎng)設(shè)計可以滿足幕墻、預(yù)應(yīng)力σ0、相對撓度[f]以及機械平衡條件的要求。單層索網(wǎng)點支承玻璃幕墻，該結(jié)構(gòu)主要由預(yù)應(yīng)力拉索、連接爪和玻璃面板組成[5]。通過玻璃連接機構(gòu)，作用在玻璃幕墻上的面外載荷被轉(zhuǎn)換為節(jié)點載荷。節(jié)點載荷足以滿足預(yù)應(yīng)力和索網(wǎng)的相對撓度的要求，可以滿足力學(xué)的平衡條件。

2.2 受力特點

單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)通過兩端的可調(diào)節(jié)連接系統(tǒng)固定到主體結(jié)構(gòu)上，通常，在設(shè)計中應(yīng)考慮風(fēng)荷載、地震作用、垂直荷載、溫度作用和支承結(jié)構(gòu)的位移。在設(shè)計階段，合理考慮拉索的初始預(yù)應(yīng)力尤為重要，過多的預(yù)應(yīng)力會增加拉索的尺寸，從而增加成本和反作用力[6]。通往主體結(jié)構(gòu)的拉索數(shù)量增加，這給主體結(jié)構(gòu)帶來了極大的壓力，如果預(yù)應(yīng)力太低，則索網(wǎng)系統(tǒng)將過度變形，從而影響實際功能和美觀舒適度。初始預(yù)應(yīng)力的選擇在單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中非常重要，必須與拉索制造商進行協(xié)調(diào)，確保在滿足幕墻的安全性和使用功能的前提下，可以適當(dāng)施加預(yù)應(yīng)力和適當(dāng)控制。

抗風(fēng)拉索提供了單層索網(wǎng)系統(tǒng)的抗風(fēng)能力，在設(shè)計的早期階段，有必要考慮抗風(fēng)拉索是水平放置還是垂直放置?？癸L(fēng)索通常水平放置，因為垂直風(fēng)索通常是承重索?？癸L(fēng)拉索水平放置，以使單向拉索不會承受過大的壓力。由于主體結(jié)構(gòu)的形狀，單向拉索可能同時具有風(fēng)和承重效果，但這需要詳細分析受力情況并仔細選擇拉索模型。

對于索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，溫度的影響是不可忽略的環(huán)境因素，環(huán)境溫度會由于建筑物的體溫和日照等因素而發(fā)生變化，并且溫度變化會影響拉索的預(yù)應(yīng)力變化并影響整個拉索系統(tǒng)，因此在設(shè)計時應(yīng)合理考慮局部溫度變化，需要監(jiān)視施工過程以及拉索對溫度變化的影響[7]。垂直載荷由玻璃本身的重量和拉索結(jié)構(gòu)的重量組成，理想情況下，垂直拉索和承重拉索將達到設(shè)計平衡。但是，考慮到玻璃破裂的可能性，如果特定的玻璃破裂，拉索和支承系統(tǒng)將失去平衡，內(nèi)部力將重新分配，并且拉索力將超過原始設(shè)計狀態(tài)，需要分析局部破壞，設(shè)計時需要留一點余量。

3 結(jié)語

綜上所述，單層索網(wǎng)的建設(shè)在一定程度上促進了玻璃幕墻行業(yè)的發(fā)展，成為實現(xiàn)幕墻滲透性的優(yōu)秀建筑代表。隨著玻璃幕墻的使用越來越廣泛，其被用于設(shè)計和建造過程中，需要考慮的因素和要點尤其重要。從單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工的角度概述設(shè)計過程中需要注意的重點，并從施工的角度概述需要控制的重要環(huán)節(jié)。其相關(guān)從業(yè)人員要注重單層索網(wǎng)的設(shè)計和施工，并且在單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的幕墻工程的選擇、設(shè)計和施工中具有一定的指導(dǎo)意義。