點支式玻璃幕墻柔性支承體系具有通透性好、輕盈美觀、環(huán)保節(jié)能和施工靈活等特點,但由于柔性支承本身的設(shè)計不同于其他結(jié)構(gòu),在設(shè)計時需要考慮預(yù)應(yīng)力和幾何非線性大變形的影響,這給柔性支承體系的設(shè)計增加了難度。隨著點支式玻璃建筑的逐步推廣,柔性支承體系將會越來越廣地應(yīng)用到建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計中。


　　1　工程簡介

　　北京土城電話局、信息港工程位于北京市朝陽區(qū)裕民路,本工程包括土城電話局、電信信息港、動力站及地下車庫四個部分。土城電話局中庭的幕墻和采光頂采用點支式玻璃幕墻,幕墻的支承結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)點支式玻璃幕墻是一種新型的結(jié)構(gòu)體系,它具有通透、輕盈的優(yōu)點,但也存在結(jié)構(gòu)剛度弱、變形大的缺點,需要施加足夠的預(yù)應(yīng)力才能滿足設(shè)計需要。


　　2　方案確定

　　經(jīng)過建筑師與甲方協(xié)商,確定玻璃幕墻長29·4m,高19·5m;采光頂跨度29·4m,寬32·5m(如圖1)。象這樣大面積的預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)點支式玻璃幕墻在國內(nèi)尚無先例。

　　采光頂采用索桁架和玻璃肋結(jié)構(gòu)承受豎向荷載,索桁架由上下弦桿、主桿和撐桿組成,如圖2所示。索桁架弦桿加預(yù)應(yīng)力由中間的主桿平衡,對主體結(jié)構(gòu)影響很小。桁架間加水平拉桿保證索桁架主桿的平面外穩(wěn)定性和傳遞水平地震作用,水平拉桿與兩端的空間桁架相連。

　　幕墻所受荷載是兩個方向的:豎向恒荷載主要由玻璃、連接件、拉索的自重產(chǎn)生;水平方向的荷載由風(fēng)荷載產(chǎn)生。墻面采用索網(wǎng)結(jié)構(gòu),水平索加預(yù)應(yīng)力承受風(fēng)載,豎向索主要承受墻面自重。索網(wǎng)兩端設(shè)格構(gòu)柱承受水平索拉力,豎向索一端固定在水平桁架上,一端連接在基礎(chǔ)上。通過對索網(wǎng)施加預(yù)應(yīng)力,使結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度,保證幕墻在自重、風(fēng)載和地震荷載作用下不發(fā)生過大的變形。從提高索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的剛度考慮,應(yīng)盡可能提高初始預(yù)應(yīng)力,但是同時要避免索網(wǎng)在各種荷載作用下內(nèi)力過大,超過容許值,也要避免索網(wǎng)在各種荷載作用下發(fā)生松弛。


　　由于索網(wǎng)是支承在主體結(jié)構(gòu)上的,索網(wǎng)的拉力直接由主體結(jié)構(gòu)承受,如果索網(wǎng)拉力過大,可能會造成主體結(jié)構(gòu)破壞或索網(wǎng)的錨固破壞。因此,索網(wǎng)設(shè)計的關(guān)鍵是預(yù)應(yīng)力控制。幕墻結(jié)構(gòu)如圖3所示。由于水平索支承在主體結(jié)構(gòu)上,過大的拉力會對主體結(jié)構(gòu)或者錨固裝置造成破壞。在本工程中,設(shè)置了過載保護裝置(見文獻[5]中圖10),由安全子、承載彈簧和連接桿等構(gòu)成,能保證當(dāng)拉索結(jié)構(gòu)在地震荷載作用時不被破壞。當(dāng)?shù)卣鸷奢d作用時,安全子首先破壞,過載保護器承載彈簧受壓反彈達(dá)到平衡狀態(tài),保證索網(wǎng)不被破壞,以便可以及時修復(fù)。

　　安裝過程中,在對索施加預(yù)應(yīng)力后,需要將過載保護裝置各機件外表面涂防銹油脂,加裝外罩并固定。過載保護裝置和周圍桁架之間通過耳板連接。


　　3　柔性支承結(jié)構(gòu)的計算與設(shè)計

　　3·1　計算軟件

　　對于點支式玻璃幕墻柔性支承體系,必須采用可以考慮非線性大變形的計算程序,并且要具備可以模擬剛架梁、桁架和拉索等多種單元。所以,本工程計算軟件采用目前在國際上得到廣泛應(yīng)用的大型有限元分析計算軟件ANSYS,計算均采用彈性-大變形有限元分析模塊。模型中格構(gòu)柱的弦桿和腹桿、門框梁柱、采光頂?shù)呢Q桿和撐桿等采用beam4單元,該單元為三維彈性梁單元;采光頂弦桿和幕墻拉索采用link10單元,該單元為三維只拉單元,用于描述拉索不能承受壓力的特性。


　　3·2　基本參數(shù)的取值

　　索桁架采用拋物線魚腹形結(jié)構(gòu),間距3·75m,墻面索網(wǎng)的水平索和豎向索間距均為1·5m。豎向恒荷載主要由玻璃、連接件、拉索的自重產(chǎn)生,墻面自重為0·66kN/m2,采光頂0·85kN/m2,屋頂?shù)鯍?·3kN/m2,采光頂活載0·5kN/m2;水平方向的荷載由風(fēng)荷載產(chǎn)生,北京地區(qū)基本風(fēng)壓0·45kN/m2,C類場地。北京抗震基本設(shè)防烈度8度,設(shè)計基本地震加速度0·2g。索桁架和幕墻的材料特性見表1。

　　3·3　設(shè)計計算

　　3·3·1　非抗震計算(《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2001))采光頂索桁架弦桿預(yù)拉力的原則是保證在各種荷載組合作用下弦桿不發(fā)生松弛,即保持受拉狀態(tài),且拉力不超過索抗拉設(shè)計值。經(jīng)反復(fù)計算,弦桿初始預(yù)拉力取T0=240kN(σ0≈330MPa),弦桿預(yù)應(yīng)力使豎桿產(chǎn)生的預(yù)壓力為16kN,撐桿預(yù)壓力為484kN,預(yù)應(yīng)力使撐桿產(chǎn)生的壓縮變形約7mm。索桁架結(jié)構(gòu)計算結(jié)果如表2。水平索預(yù)拉力的原則是保證在各種荷載組合作用下不發(fā)生過大變形或過大索拉力。經(jīng)反復(fù)計算,水平索初始預(yù)拉力取T0=120kN(σ0=165MPa),豎向索在初始階段保持張緊狀態(tài)不松弛。幕墻和格構(gòu)門架結(jié)構(gòu)計算結(jié)果分別見表3、表4。

　　對于柔性結(jié)構(gòu),有關(guān)幕墻變形控制指標(biāo)規(guī)范未規(guī)定,在玻璃幕墻中點支式玻璃幕墻是一個比較特殊的問題,尤其對于本工程單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu),更不同于常規(guī)的剛性支承結(jié)構(gòu)。且本工程的幕墻也沒有直接外掛在建筑結(jié)構(gòu)上,幕墻玻璃隨結(jié)構(gòu)在風(fēng)壓或地震作用下產(chǎn)生平面外位移,平面內(nèi)也沒有框的約束,建筑物的層間相對位移只是對索網(wǎng)的內(nèi)力略有影響,對點支式玻璃沒有直接影響。因此,不應(yīng)采用現(xiàn)行規(guī)范衡量此工程平面內(nèi)的變形性能(《玻璃幕墻技術(shù)規(guī)程》(CECS127∶2001)規(guī)定支承結(jié)構(gòu)的相對撓度不應(yīng)大于1/300)。從點支式玻璃面對變形的適應(yīng)能力來考慮,在最不利荷載組合下,采光頂結(jié)構(gòu)的變形可控制在1/150,幕墻結(jié)構(gòu)的變形可控制在1/50。表2、表3中采光頂和幕墻的變形驗算滿足這一要求。


　　3·3·2　抗震計算(《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2001))

　　水平小震采用動力放大系數(shù)3·0,中震和大震不考慮放大系數(shù),而是對中震偏保守地采用與小震相同的地震作用。對于大震,結(jié)構(gòu)已經(jīng)進入塑性階段,所以不能用彈性有限元進行驗算。計算結(jié)果見預(yù)應(yīng)力使撐桿產(chǎn)生的壓縮變形約7mm。索桁架結(jié)構(gòu)計算結(jié)果如表2。水平索預(yù)拉力的原則是保證在各種荷載組合作用下不發(fā)生過大變形或過大索拉力。經(jīng)反復(fù)計算,水平索初始預(yù)拉力取T0=120kN(σ0=165MPa),豎向索在初始階段保持張緊狀態(tài)不松弛。幕墻和格構(gòu)門架結(jié)構(gòu)計算結(jié)果分別見表3、表4。表5~表7。

　　注:表6、表7中幕墻和格構(gòu)門架工況組合:①1·2×重力荷載+預(yù)應(yīng)力+1·3×豎向地震力(Z方向)+0·5×水平地震力(Y方向)+0·2×1·4×風(fēng)載(Y方向)+0·5×水平支座位移(Y方向);②1·2×重力荷載預(yù)應(yīng)力+1·3×水平地震力(X方向)+0·2×1·4×風(fēng)載(Y方向)+0·5×豎向地震力(Z方向)+水平支座相對位移(X方向);③1·2×(重力荷載+預(yù)應(yīng)力)+1·3×水平地震力(Y方向)+0·5×豎向地震力(Z方向)+0·2×1·4×風(fēng)載(Y方向)+水平支座相對位移(Y方向)。


　　看,我國要想在建筑節(jié)能方面取得更大的進步還需做好以下幾點。


　　3·1　加強建筑節(jié)能的資金投入,通過宣傳提高人們對建筑節(jié)能的認(rèn)識

　　無論是節(jié)能材料、節(jié)能設(shè)備的使用,還是舊建筑的改造都需要大量的資金投入。但這并不能一味的要求政府承擔(dān),還需要政府通過宣傳提高人們的建筑節(jié)能意識,感覺到節(jié)能建筑給大家?guī)�來的確實的經(jīng)濟利益。實踐證明,只要技術(shù)使用合理,用建筑造價的4%~7%達(dá)到節(jié)能30%的目標(biāo)是可能的,而且投資回收期也很短,一般在3~6年。這些都為建筑節(jié)能的資金籌集創(chuàng)造了好的條件。


　　3·2　加強建筑節(jié)能技術(shù)的發(fā)展和西方發(fā)達(dá)國家比較,我國急需大力發(fā)展的建筑節(jié)能技術(shù)有:1)門窗密封。關(guān)鍵是在保證必要的通風(fēng)率的基礎(chǔ)上減小換氣量,可以在窗戶上加微量通風(fēng)器使用戶自行調(diào)節(jié)。2)墻體保溫。逐步形成以巖棉、玻璃棉、聚苯、膨脹珍珠巖和加氣混凝土為主體保溫材料的多種技術(shù)。3)太陽能利用。加大太陽能熱水,太陽能采暖的應(yīng)用范圍和應(yīng)用領(lǐng)域,并通過科學(xué)研究,擴展利用太陽能的方式(如太陽能發(fā)電等)。4)家用熱表。象電表、水表一樣,在每戶安裝一個熱表,向用戶收費。以此控制用戶的用熱量。國外已將該方法運用到實踐中,我國也應(yīng)效仿,開發(fā)此項技術(shù)并推廣應(yīng)用。5)紅外線反射技術(shù)。應(yīng)用在墻體、屋面和門窗中,阻擋紅外線外逸,達(dá)到節(jié)能目的。


　　3·3　對舊型建筑進行節(jié)能改造隨著國家政策和人們節(jié)能意識的提高,近年來興建的大批工程已經(jīng)很注意節(jié)能材料和節(jié)能技術(shù)的使用。但對于大量建于十幾年甚至二十年前的舊建筑,由于當(dāng)時建筑節(jié)能意識的薄弱,能源浪費情況還十分嚴(yán)重,這就需要政府進行一定量的投入對其進行節(jié)能改造,使其達(dá)到國家節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)。


　　3·4　根據(jù)我國各地區(qū)的具體條件,在建筑設(shè)計時就力求節(jié)能我國幅員遼闊,各地區(qū)的氣候環(huán)境特征都有差異,因此在追求建筑節(jié)能的時候也不應(yīng)一概而論,而應(yīng)根據(jù)各地區(qū)特點,利用地形、地貌、氣候情況,制訂出合理的建筑節(jié)能方式,并把它們運用到建筑設(shè)計中。總而言之,我國的建筑節(jié)能有著巨大的潛力,前景是光明的。只要我們不斷學(xué)習(xí)先進技術(shù),同時做好自身各個環(huán)節(jié)的工作,一定可以逐漸趕超國外,為我國能源事業(yè)以及社會主義現(xiàn)代化作出貢獻。


　　4　結(jié)　論

　　1)土城電話局采用單層索網(wǎng)和魚腹式索桁架結(jié)合的復(fù)雜柔性支承結(jié)構(gòu)體系,設(shè)計時除了要求考慮預(yù)應(yīng)力幾何非線性等因素,還應(yīng)進行專門的抗震分析。該工程目前已經(jīng)施工完畢,并投入了正常使用。實踐證明,使用大型有限元計算軟件ANSYS可以方便可靠地計算、設(shè)計點支式玻璃幕墻柔性支承體系。

　　2)對于幕墻的變形控制,不應(yīng)采用現(xiàn)行規(guī)范衡量此工程平面內(nèi)的變形性能。“規(guī)程”(CECS127∶2001)規(guī)定的約束和荷載條件不適合本工程的點支式玻璃幕墻。按照此規(guī)范的要求,拉索要施加非常大的預(yù)應(yīng)力,主體結(jié)構(gòu)難以承受。從點支式玻璃面對變形的適應(yīng)能力來考慮,在最不利荷載組合下,采光頂結(jié)構(gòu)和幕墻結(jié)構(gòu)的變形均可控制在1/50。在實際工程中,加上玻璃的作用,實際變形量比計算值還要小。

　　3)索網(wǎng)系統(tǒng)過載保護裝置能在大震狀態(tài)下同時保護主體結(jié)構(gòu)和幕墻結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的安全。【完】