1、1预应力单层索网幕墙结构分析摘要根据某幕墙受力形式特殊的特点，采用不同边界模型进行结构分析，并进行结构设计。 关键词幕墙结构分析 边界条件 abstract according to force a curtain wall form the special characteristic, using different boundary model structure analysis and design. key words curtain wall structure analysis boundary conditions 中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号： 1 工程概
2、况 某幕墙采用单层索网的结构形式，立面由尺寸为 30m x 23.4m（宽 x高）的双向张紧的直索组成，水平索间距 1400mm，竖索间距 2000mm，水平索与竖向索均为单索。索两边连接在两侧主体结构上（均与框架柱连接） ，上边连接在两座主体结构间的主桁架上，下索连在地面及钢门框雨棚顶。幕墙宽为 30m，高仅为 12.8m（除掉钢框架雨棚高度） ，故本幕墙风荷载主要沿短向跨度竖向索传递。竖向索为主要传力索，其边界条件为桁架和门框架，均为弹性支座。 2 荷载作用 22.1 重力荷载 幕墙自重 1.50kN/m2。 2.2 风荷载 计算幕墙索网结构变形时，基本风压按 50 年一遇取值，计算索网结
3、构承载力时，基本风压按 100 年一遇取值。50 年一遇的风荷载标准值：1.32kN/m2；100 年一遇的风荷载标准值：1.44 kN/m2。 2.3 地震作用 地震作用：抗震设防烈度为 7 度，根据玻璃幕墙工程技术规范表 5.3.4 规定，动力放大系数取 =5.0；作用在幕墙索网结构平面外地震荷载标准值：kN/m2。 2.4 温度作用 温度作用取值范围为35；考虑到索的线膨胀系数 1.32x10-5，升降温 35引起的结构应变为 0.5，约占索初始应变的 1/5，故风荷载宜与温度作用应同时考虑。 2.5 荷载组合 考虑各种不利的荷载组合情况，列出荷载工况组合如下： （1）正常使用状态 工况
4、 1：1.0（恒载+预应力）+1.0 风载+温度升高； （2）非抗震计算 工况 2：1.2 恒载+1.0 预应力+1.4 风载+温度下降 （3）抗震计算 工况 3：1.2 恒载+1.0 预应力+1.3 平面外地震力+1.4x0.2 风荷载3+0.2 温度下降。 2 结构分析 采用 ANSYS 建立模型，横索、竖索均采用 Link10 单元。横索施加2.25的初始应变（80kN 初始拉力） ，竖索施加 2.5的初始应变（150kN 初始拉力） 。竖直拉索取 28；水平拉索取 18，弹性模量E=1.3x105MPa。预应力单层索网幕墙需要满足的要求：正常使用时，索网变形值不可过大，需保证玻璃正常工
5、作，索安全系数不低于 2.5，索网平面外变形小于 1/50 短向跨度25-27。 2.1 边界条件 刚性边界模型：采用简化铰接边界，幕墙索四周平动位移均约束，见图 1。 弹性边界模型：建模输入顶层钢桁架及桁架两侧框架柱，雨棚钢架也真实输入，偏安全的将框架柱所对应楼层处约束水平位移，见图 2 2.2 刚性边界模型 初始应变施加后求得结构水平索初始拉力为 8kN，竖向索拉力为15kN。对此模型施加工况 1，得到幕墙正常使用状态下平面外位移最大为143mm（见图 3） ，满足规范索要求；对此模型施加工况 2，得到风荷载作用下索的应力，如图 4：竖索最大拉力发生在幕墙顶部钢框架正上方，索力为 314k
6、N318kN（应力为 500MPa） ，幕墙两侧竖索拉力较小 250270 kN，地面竖索拉力为 180195kN，门框顶竖索拉力为 275kN（295MPa） ；横索大部分为 83100kN，局部最大 126kN（500MPa） 。幕墙顶部钢框架4正上方竖索拉力最大，而横索拉力与初拉力 80kN 相比变化较小，说明风荷载主要由竖向索进行传递；钢门框角部横索拉力变化较大，主要是因为其限制幕墙两端竖索在风荷载作用下的变形。 图 3 刚性边界幕墙索位移图 图 4 刚性边界幕墙索应力图 2.3 弹性边界模型 考虑到风荷载作用前桁架初始状态为竖向无挠度，本模型对边界点施加反向初拉力以平衡幕墙索的初始应
7、力，保证计算模型与实际情况相符。 对此模型施加荷载工况 1，得到幕墙正常使用状态下平面外位移最大为 228mm（见图 5） ，为幕墙索短向跨度的 1/55，满足规范索要求；对此模型施加荷载工况 2，得到风荷载作用下索的应力，如图 6：竖索最大拉力发生在幕墙顶部钢框架正上方，索力为 285kN 300kN（应力为485MPa） ，幕墙两端竖索拉力较小 250260 kN，地面竖索拉力为178188kN，门框顶竖索拉力为 250kN；横索大部分为 83100kN，局部最大 126kN（500MPa） 。 正常使用状态下，弹性边界与刚性边界幕墙索最大面外位移分别为234mm，和 143mm，弹性边界
8、幕墙索位移比刚性边界增加 60%；荷载工况2 作用下，弹性边界与刚性边界对应的幕墙索应力变化很小，竖索最大拉力仅变化 6%。可见边界条件对幕墙索力无明显影响，可采用简化模型进行索拉力估算；但其对位移影响很大，应引起足够的重视。 5图 5 弹性边界幕墙索位移图 图 6 弹性边界幕墙索应力图 3 幕墙结构设计 对幕墙索施加初始预应力是为了保持幕墙索网体系初始状态的稳定和产生必要的刚度；预应力的大小对索桁架刚度影响不大, 但对单层平面索网结构的刚度贡献很大；本文采用两个算例对其进行对比分析。 算例 1：幕墙竖索预拉力由 20kN 变为 30kN（即预应力增加 50%） ，其余条件均同弹性边界模型，对
9、此模型施加荷载工况 1，得到幕墙索最大面外位移为 170mm（见图 7） ，位移比弹性边界模型减少了 27%。 算例 2：幕墙竖索的索径由 28 变为 36（即面积增加 60%） ，其余条件均同弹性边界中模型，对此模型施加荷载工况 1，得到幕墙索最大面外位移为 228mm（见图 8） ，位移比弹性边界模型减少了 2.5%。 图 7 算例 1 幕墙索位移图图 8 算例 2 幕墙索位移图 由以上算例可知，单层索网幕墙的面外刚度主要由索的初始预应力提供，初始预应力的大小会对单索幕墙面外刚度产生很大的变化；单索幕墙面外刚度对拉索初始预应力大小较为敏感。 本工程幕墙索网边界条件均为弹性边界，钢桁架在风荷
10、载作用下竖向挠度为 8.2mm，为其跨度的 1/3600，钢门框竖向挠度为 1.2mm；钢桁架和钢门框挠度的变化引起竖索的应变为 0.73（相当于 95MPa 应力） ，由于索应力减小引起的索网刚度的变化很大，幕墙面外位移增加 60%（相对与刚性边界） ；可见本幕墙竖索对边界条件非常敏感，设计时应对屋顶钢6桁架和钢门框的竖向刚度提出严格要求。此外，钢桁架和钢门框均会承担竖索面外分力 25kN，其面外刚度也应给予保证。 4 结论 本幕墙索受力形式特殊，竖向索除了承受玻璃荷载外，还承担了绝大部分风荷载作用；通过以上分析，得到以下结论： （1）屋顶钢桁架对幕墙两侧主体结构有较强的协调作用，水平地震作
11、用引起幕墙横索应变较小，仅为 0.4，且水平索为稳定索，仅承受很少的风荷载，故水平索满足设计要求； （2）幕墙面外所受风力荷载约为地震力的 2 倍，即抗震设计对幕墙索设计不起控制作用； （3）温度作用引起的幕墙索应变为 0.5，大约占索初始应变的1/5，故风荷载与温度作用应同时考虑； （4）索桁架刚度较强，索的非线性效果较弱，索所提供的刚度主要由索面积及其弹性模量提供，而单索幕墙在面外荷载作用下会产生很强的几何非线性，面外刚度主要由单索初始预应力提供；单索幕墙提高索预应力效果要远好于提高索面积的效果，如本例中将索预应力及其面积分别提供 50%，其面外位移分别改善 27%和 2.5%； （5）钢
12、桁架有较强的协调作用，两座主体结构间的相对变形很小； 参考文献 建筑幕墙与采光顶设计手册，第二版，中国建筑工业出版社，2006 7陈志华，荣彬.张拉整体塔结构风荷载时程模拟及风振分析J.天津大学学报，2006，39(12):1434-1438 王莺歌，李正农.索桁式玻璃幕墙风荷载时程模拟及风振响应J.昆明理工大学学报，2011，36（4）：26-30 4 JGJ102-2003 玻璃幕墙工程技术规范S.北京：中国建筑工业出版社，2003. 5 GB 5009-2001 建筑结构荷载规范S.北京：中国建筑工业出版社，2001. 6 GB 5001-2010 建筑抗震设计规范S.北京：中国建筑工业出版社，2010.
