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单索单玻幕墙的设计与应用

2021年07月06日 广州机械设备网

“单索单玻”幕墙的设计与应用

摘要:在现代中国建筑市场,随着更多国外建筑师的加入,建筑设计越来越个性化、多样化。随着这些多样化的建筑设计出现,对建筑幕墙的设计业提出了更多的要求,带来了更多的挑战。在望京保利国际广场工程中,建筑设计方就提出了一种单索幕墙的全新形式的--单索单玻索结构支撑幕墙中国机械网okmao.com。该幕墙系统区别于当前已经出现和应用的单索支撑幕墙、索网幕墙、肋支承玻璃幕墙。现有的这些玻璃幕墙的设计思路、力学模型等已经不能用于该系统设计,强行套用会理论和设计将会有较大背离,导致工程留有隐患。因此有必要从基础着手探究其设计理论、研究力学模型以及完善结构分析模型。本文简要介绍该幕墙系统设计解决问题的思路及一些注意事项,为同类型的幕墙设计提供一些参考。通过本案例设计研究过程说明,规范中许多条文的制定是有一定的适用范围的。在实际应用过程中,我们应该根据实际的工程条件选择和使用,不可不加选择的直接套用。在本案例中,我们可以看出在特定的条件下,面材与支撑结构整体建模分析是有必要的,对于柔性索结构幕墙来说,整体建模分析可以发现分离建模中被忽略的情况,从而使幕墙结构更加合理和安全。

关键词: 单索幕墙,全玻,预应力,挠度,ansys

引言:随着玻璃幕墙的大量应用,在现代中国建筑市场,随着更多国外建筑师的加入,建筑设计越来越个性化、多样化。随着这些多样化的建筑设计出现,对建筑幕墙的设计业提出了更多的要求,带来了更多的挑战。在望京保利国际广场工程中,建筑设计方就提出了一种全新形式的--单索单玻索结构支撑幕墙。该幕墙系统区别于当前已经出现和应用的单索支撑幕墙、索网幕墙、肋支承玻璃幕墙。现有的这些玻璃幕墙的设计思路、力学模型等已经不能用于该系统设计,强行套用会理论和设计将会有较大背离,导致工程留有隐患。因此有必要从基础着手探究其设计理论、研究力学模型以及完善结构分析模型。本文简要介绍该幕墙系统设计解决问题的思路及一些注意事项,为同类型的幕墙设计提供一些参考。

一、单索单玻玻璃幕墙系统简介

望京保利国际广场建筑师为 SOM,整个建筑设计恢弘大气,极具现代感。为了配合建筑的品味,建筑师在首层开创性的设计了通高整片玻璃配单索的新型结构的玻璃幕墙。(图一,图二)

二、相关幕墙系统简析与对比

常见的索结构幕墙分为单索和索网两种结构。单索结构幕墙一般应用较少,典型应用为梅兰芳大剧院(图 3);索网结构幕墙应用比较多,比如中国青年旅行社大楼,中国石油大厦等工程(图 4)。

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可以看出单索幕墙是从索网幕墙演化取消了横向联系索而来。而本工程单索单玻玻璃幕墙(图 5)可看成是从单索玻璃幕墙演化而来,面材由多块玻璃合并为一整块玻璃,可看成是单索玻璃幕墙的一种特例。

由于面材为单块玻璃,因而单索单块玻璃也具备了肋支承全玻幕墙的一

些特征(图 6),其区别是支撑结构的形式不同,由刚性玻璃肋换成柔性的拉索。

三、系统分析及需要解决的问题

(1) 挠度匹配问题

目前,国内还没有规范针对预应力索网(单索)幕墙的设计规范,没有挠度控制的相关规定(目前新版《玻璃幕墙工程技术规范(送审稿)》有建议不大于1/45L)。见于国内外文献中,关于拉索幕墙的结构挠度限值一般为 1/30L~1/50L。究其原因是当挠度控制要求小于 1/50L,索的计算轴拉力会成非线性的急剧增大,因而索体及支撑索体的主体结构成本会急剧上升。在目前情况下,国内单索工程常从严控制选取 1/50L 作为挠度限值。有前述分析可知,索结构是玻璃的支撑结构,索与玻璃通过索夹和玻璃支撑件装配在一起(图 7)。这样问题随之而来,《玻璃幕墙工程技术规范 2003 版》中 6.1.3.3 条、7.2.3 条、8.1.5.3 条对各种形式的玻璃规定的挠度限制均为支撑间距的 1/60。(需要注意的是,对这些条文的规定直接套用在本案例中会导致错误的结果,这些在后续章节会加以分析说明)即面板与支撑结构同步变形,但是支承结构的挠度控制要求却低于面板。

匹配挠度的途径有二,一是索结构的挠度控制要求至 1/60L。经过测算,索体直截面积需要增加 60%,对结构的反力也增加了 78%。已经超出结构的设计承载力,因此除索结构本身成本增加约 78%外,整个结构加固成本已经业主可以接受的范围。二是降低玻璃面板挠度控制要求至 1/50L。最终,综合建筑师、业主、材料供应方意见,结合理论分析,玻璃挠度按 1/50L 可以满足本工程的安全性。应该说本案例的实施是对玻璃应用的一个突破,单属于特殊工程的一个特殊样本,是特殊案例下安全性、使用性能和成本达成的一个平衡,不具备推广性,但对类似工程解决问题具有借鉴意义。

(2) 轴向位移分析及解决方案

本案例结构模型可简化为图 8 所示。拉索顶部设计有张力保持机构,下端铰接;玻璃上端吊挂,下端入槽。很显然在荷载作用下,产生水平位移的同时还会产生拉索和玻璃还会产生一个轴向位移。经过分析,本案例中索最大轴向变形出现在拉索的与张力保持机构连接端;玻璃最大轴向变形出现在下端入槽位置。此位移至可以用最终有限元分析结果中取得。在拉索选型基本确定后可以通过下列方式得到一个初步的轴向位移值。

拉索端轴向位移计算:

假设:所选拉索最小破断力为 T、面积为 S、 拉索长度为 L、弹性模量为常数 E,张力保持器倔强系数 K。索端最大位移△l 计算如下,

△l=K*(0.5T-0.2T)

本案例为约为 16mm

玻璃下端位移:

假设玻璃面板在风荷载变形情况下,玻璃面板的总长度不变,以 1/50L 为抛物线模型放样,直接得出玻璃下端的位移值。本案例约为 6.5mm。

由于上述问题的存在,玻璃支撑件和索夹之间必须设计成滑动连接(图 9),允许位移的范围设计为正负 20mm。玻璃面板与下端玻璃槽之间也存在位移,因此整个玻璃入槽深度也应加大,在产生位移后应该任然应该有足够的入槽深度。

(3) 拉索运动随机性问题

本案子中的拉索,每根拉索独立工作,相互之间没有关联。每由于制造误差、安装误差、不同的预应力等因素,每根索都有各自的受力状态和规律运动。风荷也是载是一个动态荷载。因此二因素叠加,相邻索的运动就是相对随机的。由于相邻索的运动的随机性,玻璃就会存在扭曲变形的情况。我们认为,相邻两索一个正风压变形达极限另一个负风压变形达极限的情况是不存在的。因此我们假定相邻根索最大变形差为一根达极限,另一根回弹变形为 0 的位置。分析此弯扭状态玻璃的应力分布,发现其最大应力小于玻璃许用强度。因未有相关资料文献可供借鉴,此假设是基于我们的经验判断。另外玻璃应力分布分析任然采用的是静态分析方法,我们认为是能够满足工程安全的。

四、建模分析的误区以及改进模型分析结果

《玻璃幕墙工程技术规范(2003 版)》8.3.1 条“点支承玻璃幕墙的支承结构宜单独进行计算,面板玻璃不易兼做支承结构的一部分”。这一条不能应用于本案例,否则会因错误的模型得出错误的结论。

(1) 采用分离的模型分别对玻璃和拉索分析

玻璃分析:

显而易见,这种分析模型偏离实际情况太多,导致结果与实际严重不符,所得结果异常偏小。而且这种脱离实际的分析结果掩盖了玻璃实际出现的较大挠度变形,在门边口位置,因为没有改善措施而导致设计失败

(2) 综合模型分析方法

鉴于以上问题的存在,本案例我们采用了综合建模分析的方法进行结构分析。在 ANSYS 建模过程中,玻璃和拉索不直接建立物理练习,而是通过为一位耦合的方式将玻璃和拉索联系起来。

通过上述分析,可以很明显的看出被错误模型掩盖的一些风险暴露出来,玻璃变形是分离模型分析结果的 40 多倍,在一些局部区域出现了不规则扭曲,应力集中超玻璃自身强度的现象。本案例中,分离模型分析结果如果应用于工程将会留下巨大隐患。

(3) 改进设计

改进措施:

1、改善门侧玻璃扭曲状况

2、门侧玻璃与门框之间采用柔性连接

最终加强方案图 18,玻璃与门框之间连接改用弹性垫块嵌槽,以改善应力集中现象。

从分析结果来看,门侧玻璃的扭曲变形已经大大改善

从分析结果来看,门侧玻璃的应力集中现象也已经大大改善,已经小于玻璃的容许应力。

在本案例中,通过不断地调整试算,最终在门侧选择直径为 40 的拉索,大面位置选择直径 24 的拉索,最终选择的玻璃规格为 12T+1.52pvb+12T。

结论

通过本案例设计研究过程说明,规范中许多条文的制定是有一定的适用范围的。在实际应用过程中,我们应该根据实际的工程条件选择和使用,不可不加选择的直接套用。在本案例中,我们可以看出在特定的条件下,面材与支撑结构整体建模分析是有必要的,对于柔性索结构幕墙来说,整体建模分析可以发现分离建模中被忽略的情况,从而使幕墙结构更加合理和安全。当然,本文讲述的方法还存在一些缺点和不足,有待于我们在工作中继续摸索和不断完善。