1、點(diǎn)支式玻璃幕墻建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計分析中的若干問題     一、玻璃幕墻建筑結(jié)構(gòu)的組成與類別 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。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.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)

2、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，并滿足各項預(yù)定功能要求工程構(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基本要求。當(dāng)然，它作

3、為玻璃幕墻建筑的外露結(jié)構(gòu)，還應(yīng)與建藝術(shù)美的要求相匹配。2.玻璃幕墻建筑結(jié)構(gòu)的類別在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，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)

4、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。二、張拉索桿結(jié)構(gòu)體系的組成及其布置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、施工和使用過程中柔性索必須具有足夠和適當(dāng)?shù)膹埨ΑＨ嵝运鲀H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.張拉索桿結(jié)構(gòu)體系的組成這

5、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。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)計要求確定，可以是正交正放，正交斜放或斜交放置等。4.主受力索，重力性索與穩(wěn)定性索

6、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Γ怪煌顺龉ぷ骱捅焕瓟唷Ｖ亓π运鳛楦纳茝埨骰窘Y(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，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)

7、。三、張拉索桿基本結(jié)構(gòu)組件的幾種常見形式張拉索桿結(jié)構(gòu)體系中常見的張拉索桿基本結(jié)構(gòu)組件形式有：自平衡式和非自平衡式兩類。前者其組件中的張拉索的索身和索的盡端均與撐桿相互連接，并其內(nèi)力自相平衡；后者張拉索的盡端不與撐桿相連，而是連接在其邊端支座（結(jié)構(gòu)）上，借助支座對索施加張拉，因此僅靠組件自身各索桿間的作用，不能形成內(nèi)力的完全平衡。張拉索桿基本結(jié)構(gòu)組件索的外形點(diǎn)跡有拋物線形和折線形，在均布荷載下前者較后者合理。四、張拉索桿基本結(jié)構(gòu)組件的若干力學(xué)特性1.張拉索應(yīng)始終處于張力正定狀態(tài)。研究分析表明，此時各桿（包括索）均對結(jié)構(gòu)剛度及承載力有貢獻(xiàn)，否則其結(jié)構(gòu)剛度將極大降低，甚至其承載力喪失。2.組件的幾何

8、特性隨其所受荷載而有較大改變，屬于幾何易變形性（柔性）結(jié)構(gòu)。它與幾何可變形性（勁性）結(jié)構(gòu)或不變形性（剛體）結(jié)構(gòu)體系的分析方法有所不同。一般宜采用二階分析方法。它是由高強(qiáng)鋼絲繩（絞線）經(jīng)張拉形成的柔性結(jié)構(gòu)，故結(jié)構(gòu)的工作性能對設(shè)計、施工缺陷的敏感性較大，其中主要有：受力分析及荷載組合時，因采用線性方法，使內(nèi)力的計算不準(zhǔn)；體系剛度及承載力，因張力索的張力不足或松馳退出工作時，呈現(xiàn)的非線性或跳躍性退化或喪失；溫度的升或降，使張力索松馳或超張；正確施加和監(jiān)控索的張力較困難；高張力索桿的缺口應(yīng)力集中，引起的高強(qiáng)鋼索應(yīng)力腐蝕；塑性及韌性差的超強(qiáng)度鋼材的應(yīng)用；自平衡組件中縱向主撐桿的復(fù)雜受力；高強(qiáng)鋼索及其連接

9、，因材料、構(gòu)造和工藝性緣故，存在的類裂紋性缺陷等。五、張拉索桿結(jié)構(gòu)體系設(shè)計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，且常可省去一些重力性索和穩(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

10、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

11、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。考慮到尚無數(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

12、（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0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)計值fd考慮時，設(shè)為：25%0/fd50% （1）對于高強(qiáng)度鋼材，當(dāng)以材料抗拉極限強(qiáng)度設(shè)計值考慮時，如取其設(shè)計值為：fd0.45fu，將其代入式（1）取整則有：12%0/fd22% （2）需要指出的是，初張力對張

13、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，0/fd10%；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。六、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

14、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。七、關(guān)于有孔玻璃面板的承載力計算1.集合式結(jié)構(gòu)體系中的玻璃強(qiáng)度計算前已指出：集合式結(jié)構(gòu)中的玻璃是體系中的附屬性結(jié)構(gòu)，其受力相對獨(dú)立，不受其支承（基本）結(jié)構(gòu)的影響。在垂直于玻璃面板均布荷載，如風(fēng)等的作用下，玻璃板面受彎曲工作。由于玻璃板鉆孔、切邊、磨邊以及鋼化等加工的影響，其邊緣類裂紋性缺陷大小的隨機(jī)性尚不清楚；點(diǎn)支式有孔玻璃板孔邊應(yīng)力集中，