1、預應力玻璃結構預應力玻璃幕墻結構預應力玻璃采光頂結構工程實例分析17.1 預應力玻璃結構2玻璃結構的定義：由玻璃面板、支承結構和連接件組成的建筑外圍 護結構。建筑要求：通透性，形成寬敞、明亮的室內空間。結構要求：采用盡量大的玻璃分格，降低支承構件的桿件截 面，提高連接件的安全性和耐久性。南京國際會展（2000年）3哈爾濱會展（2002年）4廣州國際會議展覽中心（2002年）5廣州新白云機場主航站樓（2003年）6北京天文館（2004年）7玻璃材料（1） 脆性材料，一直到破壞之前，應力應變幾乎 是線性關系；（2）常用建筑玻璃包括：退火玻璃、鋼化玻璃、夾膠 玻璃和中空玻璃等。玻璃結構的構成8支承體

2、系玻璃結構的構成910玻璃肋支承11剛架支承12桁架支承體系單層平面索網幕墻結構15優點：結構簡潔、輕盈美觀、通透性好 缺點：對周邊支承構件作用力較大連接件玻璃結構的構成駁接爪16蝶形爪1718四邊簡支玻璃應力分布（厚10mm，寬1400，高1800，面荷載1.53kN/m2）最大拉應力理論（第一強度理論）S1119四點支承玻璃最大拉應力分布圖（ 12mm厚，寬1500mm，高2500mm，面荷載1.15KN/m2）最大拉應力理論（第一強度理論）S1120玻璃結構的發展80年代以前，建筑業一般采用框式玻璃幕墻，玻璃面板通過鋁合金框固定在建筑物上。國內最早建成的 高層玻璃幕墻： 1985年，北京

3、長城飯店21玻璃結構的發展80年代以后，點支式玻璃幕墻得到廣泛應用。盧浮宮的金字塔（1993）222324Glass Houses: Paris，1986 Museum of Science & IndustryEngineer: Peter RiceTension rod trusses; point fixed glass25Kempinski Hotel Munich AirportCable net glass wall; 33 m span architect: Murphy/Jahn engineer: Schlaich Bergermannc. 1991大型公共民用建筑中第一個采

4、用索結構點支玻璃技術的是 上海大劇院，1998年建成。26第二個大型索結構點支玻璃幕墻是南京國際會展2000年建成（國內獨立完成） 面積：1200m2，高度：35m左右，長度：70m252.4m27點 支 式 玻 璃 幕 墻 工 作 原 理水平受力孔承重受力孔承重受力孔承重受力托塊承重受力托塊28幕墻結構設計的一般原則29幕墻應按圍護結構設計，不承擔主體結構的荷 載和作用。幕墻及其連接件應具有強度和剛度，以避免在 風荷載、地震和溫度作用下產生破壞或過大變形 。連接件應具有足夠的位移能力，以避免玻璃因 應力集中而破壞。應考慮重力荷載、風荷載、地震作用、溫度作 用和主體結構位移影響下的安全性。玻璃

5、結構的選型根據跨度和功能要求選擇玻璃結構類型，如全玻璃 結構或玻璃-金屬組合結構。當選擇玻璃-金屬組合 結構時，是剛性結構還是柔性結構支承體系。玻璃結構的形態分析和荷載效應分析（1）支承結構為剛性結構，計算采用線性計算方法（2）柔性結構體系，結構變形較大，分析時應考慮 幾何非線性的影響。關鍵節點設計30玻璃結構的設計要點平衡狀態不平衡狀態平衡狀態不平衡狀態平衡態不平衡態 初始狀態1、零狀態(無自重、無邊界、無預應力)2、初始態(自重和預應力作用下的自平衡狀態)d1d1d2d1+d2.mabcdef形態分析317.2 預應力玻璃采光頂結構32與玻璃幕墻結構類似，玻璃采光頂結構也是由 玻璃面板、連

6、接爪件和支承結構三部分組成就玻璃面板和連接爪件而言，兩者在很多技術 上是相通的；但是在支承結構方面，兩者各有 其自身特點。采光頂的支承結構除了要滿足通透性這一基本 要求外，其結構體系與一般屋蓋結構類似。采光頂的支承體系可以采用一般剛性結構，也 可以采用柔性的懸索結構，還可以采用兼具“剛”、“柔”特點的混合張力結構。國外的典型工程大阪海洋博物館333435363738漢堡博物館庭院上的頂棚39漢堡博物館庭院上的頂棚40國內采光頂工程：北京植物園41深圳市民中心采光頂42馬 鞍 形 采 光 頂43浙江萬里學院采光頂44武漢精倫采光頂457.3 工程實例分析46新保利大廈高106m，共23層，建筑平

7、面呈等邊直 角三角形，直角邊長76m。大廈主體結構由位于三角形角部的3個鋼筋混凝土 核心筒和連接兩個直角邊的鋼砼組合框架結構 組成。在大廈的東北立面上設置了大面積點支式玻璃幕 墻圍護結構。幕墻在立面上呈倒L形，輪廓尺寸 57.687.7m，單體面積約4000m2，是目前國內 建造的同類幕墻結構中跨度最大的一座。4748計算模型及相關參數的確定Calculation Model and Parameters結構自振特性分析Frequency Analysis結構風振反應分析Wind-Induced Response Analysis結構地震反應分析Earthquake Response Anal

8、ysis49主要內容（Table of Contents）1. 計算模型及相關參數的確定1.Calculation Model and Parameters50東北側幕墻 （North-East Cable Net Wall）橫向索：34不銹鋼鋼絞線初始預張力220kN豎 向 索 ： 26不銹鋼鋼絞線 初始預張力80kN主鋼索：206低松弛高強鋼絲 束 1650t(L),1100t(R)51南側幕墻 （South Cable Net Wall）橫 向 索 ： 26不銹鋼鋼絞線 初始預張力160kN豎 向 索 ： 20不銹鋼鋼絞線 初始預張力60kN玻璃分格尺寸：1.51.333m幕墻自重：60

9、kg/m252參照標準 （References ）GB 50009-2001 建筑結構荷載標準GB 50011-2001 建筑抗震設計規范JGJ 102-96 玻璃幕墻工程技術規范CECS 127-2001 點支式玻璃幕墻工程技術規程顧志福，新保利大廈塔樓風荷載研究，2003,8施工圖文件，美國SOM建筑設計公司，2003,12532.結構自振特性分析54123450.830.921.021.201.366789101.461.511.611.651.692. Frequency Analysis東北側幕墻 （North-East Cable Net Wall）結構前10階自振頻率（Hz)第一

10、階振型（f=0.83Hz）55第二階振型 (f=0.92Hz)56第三階振型 (f=1.02Hz)57123450.981.111.291.521.766789101.871.942.022.062.2158南側幕墻 （South Cable Net Wall）結構前10階自振頻率（Hz)第二階振型 （f=1.11Hz）60第三階振型 （f=1.29Hz）61小結 （Summary）東北幕墻上不同部位的索網剛度差異較大。其中 上部幕墻由于受到兩條主鋼索的約束作用上，剛 度較好；而右下側幕墻，由于其跨度較大，因此 剛度相對偏柔。南側幕墻在質量和剛度上分配都比較均勻，因此 其振動形態類似一塊薄板；

11、橫向水平拉索對結構 動力剛度的貢獻較大。結構的前幾階振型均在1Hz附近，而這恰好是風 荷載能量較集中的頻率區間。因此可以判定該幕 墻屬風敏感結構，需做進一步的風振分析。623.結構風振反應分析633. Wind-Induced Response Analysis計算方案 （Calculate Scheme）東北側幕墻在風吸力作用下的動力時程分析；東北側幕墻在風壓力作用下的動力時程分析；南側幕墻在風吸力作用下的動力時程分析；提出結構設計所需的風振系數。計算參數 （Calculate Parameters）基本風壓：W0=0.50kN/m2 基本風速：V028m/s地面粗糙度：C類 體型系數: 1

12、.0脈動風速譜：Davenport譜 時間步長：0.02s計算時長：60s64計算方法 （Calculate Method）采用自行開發的點式玻璃幕墻索支承結構專用 設計軟件 GCCS V2.0采用大型有限元分析軟件ANSYS 進行校核以上方法已成功應用于廣州新白云機場航站樓 大跨度幕墻索支承體系的風振性能分析中6566東北側幕墻+負風壓（North-East Cable Net Wall Under Wind Suction）01020405060-0.10.90.80.70.60.50.40.30.20.10.0Displacement (m)30Time (s)0.010.11010-1

13、310-1110-910-710-510-3P.S.D1Frequency (Hz)結構最大位移點位移時程 和功率譜曲線01020405060-0.2-0.10.00.10.20.30.40.5Displacement (m)30Time (s)01020405060-0.3-0.2-0.10.00.10.20.30.40.5Displacement (m)30Time (s)主鋼索位移時程010405060-0.10.00.10.20.30.40.50.60.70.8Displacement (m)2030Time (s)0.010.11010-1410-1210-1010-810-610-

14、410-2P.S.D671Frequency (Hz)右側索網節點位移時程和功率譜曲線0204060114001160011800120001220012400Force (kN)Time (s)0204060170175180185190195200205210Force (kN)Time (s)0.010.11010-710-510-310-1101P.S.D1Frequency (Hz)橫向索內力時程和功率譜曲線0204060175180185190195200205210215Force (kN)68Time (s)豎向索內力時程主鋼索內力時程小結 （Summary）結構各點的振動幅值

15、差異較大，其最大振幅可達到 0.8m左右，基本滿足結構跨度1/50的要求。在1Hz左右的頻率區間結構振動出現峰值，說明在此 頻率附近出現共振現象。在風吸力的作用下主鋼索內力增加，橫向拉索出現不 同程度的松弛，說明風吸力對索網結構的整體剛度是 不利的。索的內力變化相對于初始預張力而言很小，說明對于 像索這樣的強幾何非線性結構，其在風荷載作用下的 位移響應問題是主要的，通常索自身的強度問題不起 控制作用。6970南側幕墻+負風壓（South Cable Net Wall Under Wind Suction）010204050600.40.20.0-0.2-0.4-0.6-0.8Displacem

16、ent (m)30Time (s)0.010.11010-1510-1310-1110-310-510-710-9P.S.D1Frequency (Hz)結構最大位移點位移時程 和功率譜曲線010506060708090100110Force(kN)203040Time (s)0.010.11010-910-710-510-310-1101P.S.D1Frequency (Hz)0105060140150160170180190200Force(kN)203040Time (s)0.010.11010-810-610-410-2100102P.S.D711Frequency (Hz)橫向索內力

17、時程和功率譜曲線豎向索內力時程和功率譜曲線小結 （Summary）結構各點的位移變化規律性較好，平均位移約為 0.2m左右，最大位移約為0.4m左右，均滿足結構 跨度1/50的要求。在4Hz左右的頻率區間結構振動出現峰值，說明 在此頻率附近出現共振現象；不過共振現象并不 明顯，不會對結構安全產生影響。豎向索由于受到結構自重的影響，其內力變化幅 值較小；橫向索相對大一些，說明橫向索對水平 風荷載的抵抗作用更強一些。72建議風振系數 （Gust Factor）由于索結構的響應與荷載呈非線性關系，所 以對于索結構而言，定義荷載風振系數在理論上 是不正確的，而應該確定結構響應風振系數。widiU 1

18、Uwiwi73siS 1 Swi位移風振系數內力風振系數建議風振系數 （Gust Factor）東北側幕墻位移風振系數：1.5內力風振系數：主鋼索1.1；其余索1.3南側幕墻位移風振系數：2.0 內力風振系數：1.3744.結構地震反應分析4. Earthquake Response Analysis75結構整體自振特性分析 （Frequency Analysis）1MNMX0.321E-04.643E-04.964E-04.129E-03FEB 18 200408:45:1876NODAL SOLUTION STEP=1SUB =2 FREQ=.771672USUM(AVG) RSYS=0D

19、MX =.145E-03 SMX =.145E-03 第一階振型 （f=0.77Hz）MNMX0.110E-03FEB 18 200408:44:21771NODAL SOLUTIONSTEP=1 SUB =3FREQ=1.196USUM(AVG) RSYS=0DMX =.123E-03 SMX =.123E-03.274E-04.549E-04.823E-04第二階振型 （f=1.19Hz）1MNMX0.326E-04.651E-04.977E-04.130E-03FEB 18 200408:42:1878NODAL SOLUTION STEP=1SUB =4 FREQ=3.181USUM(

20、AVG) RSYS=0DMX =.147E-03 SMX =.147E-03 第三階振型 （f=2.42 Hz）地震波 （Earthquake Waves）2條人工波：SYNS波、SYNL波0510202530-60-40-20020406080a(ga)15t(s)50年超越概率63%0510202530-500-400-300-200-1000100200300400a(ga)7915t(s)50年超越概率2%SYNL波（大震）SYNS波（小震）3條人工波：COURT H波、 Los Angeles波、Lytle Creek波0246101214-60-40-20020406080a(ga

21、)8t(s)50年超越概率63%01020304050607-80-60-40-20020406080a(ga)80t(s)50年超越概率63%COURT H 波（小震）Los Angeles 波（小震）05102025303002001000-100-200-300-400400500a(ga)8115t(s)50年超越概率2%Lytle Creek 波（大震）計算方案 （Calculate Scheme）彈性地震分析3個地震波輸入方向：正西、正北、西南3條地震波：SYNS、 COURT、 Angeles彈塑性地震分析2條地震波： SYNL、 Creek824.1 彈性地震時程分析834.1

22、 Analysis of Elastic Seismic Time-history Response地震波輸入方向確定采用小震人工波syns波，分別從正西、正北、 西南三個方向輸入，以確定最不利的地震波輸入 方向。 （以東北側幕墻位移響應為準）輸入方向正西正北西南結構最大位移44mm60mm70mm地震波輸入方向確定分別采用小震人工波syns波、 COURT H波和 Los Angeles波計算結構響應，以確定最不利的地 震波。84地震波COURTAngelesSYNS結構最大位移26mm26mm70mm通過以上分析確定，當采用syns波從垂直東北 側幕墻方向輸入時，結構響應最不利。東北側幕墻

23、 （North-East Cable Net Wall）2468101214160.0000.010.020.030.040.050.060.070.08displacement (m)time (s)最大節點位移時程2461214164050406407408409410411412413stress(Mpa)85810time(s)主鋼索應力時程0246121416280282284286288290292294stress (Mpa)810time (s)0246121416391392393394395396stress (Mpa)86810time (s)豎向索應力時程橫向索應力時程02461214160.0000.0050.0100.0150.0200.0250.0300.035displacement(m)810time(s)0246121416-0.04-0.03-0.02-0.010.000.010.020.030.04rot (degree)87810time (s)混凝土筒體頂點位移時程剛性鉸轉動時程小結 （Summary）結構在小震作用下的變形較小，其中東北側幕墻 最大位移為0.07m(1/824跨度) ，南側幕墻最大 位移為0.