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摘要：在現(xiàn)代中國(guó)建筑市場(chǎng)，隨著更多國(guó)外建筑師的加入，建筑設(shè)計(jì)越來越個(gè)性化、多樣化。隨著這些多樣化的建筑設(shè)計(jì)出現(xiàn)，對(duì)建筑幕墻的設(shè)計(jì)業(yè)提出了更多的要求，帶來了更多的挑戰(zhàn)。在望京保利國(guó)際廣場(chǎng)工程中，建筑設(shè)計(jì)方就提出了一種單索幕墻的全新形式的--單索單玻索結(jié)構(gòu)支撐幕墻。該幕墻系統(tǒng)區(qū)別于當(dāng)前已經(jīng)出現(xiàn)和應(yīng)用的單索支撐幕墻、索網(wǎng)幕墻、肋支承玻璃幕墻。現(xiàn)有的這些玻璃幕墻的設(shè)計(jì)思路、力學(xué)模型等已經(jīng)不能用于該系統(tǒng)設(shè)計(jì)，強(qiáng)行套用會(huì)理論和設(shè)計(jì)將會(huì)有較大背離，導(dǎo)致工程留有隱患。因此有必要從基礎(chǔ)著手探究其設(shè)計(jì)理論、研究力學(xué)模型以及完善結(jié)構(gòu)分析模型。本文簡(jiǎn)要介紹該幕墻系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決問題的思路及一些注意事項(xiàng)，為同類型的幕墻設(shè)計(jì)提供一些參考。通過本案例設(shè)計(jì)研究過程說明，規(guī)范中許多條文的制定是有一定的適用范圍的。在實(shí)際應(yīng)用過程中，我們應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的工程條件選擇和使用，不可不加選擇的直接套用。在本案例中，我們可以看出在特定的條件下，面材與支撐結(jié)構(gòu)整體建模分析是有必要的，對(duì)于柔性索結(jié)構(gòu)幕墻來說，整體建模分析可以發(fā)現(xiàn)分離建模中被忽略的情況，從而使幕墻結(jié)構(gòu)更加合理和安全。
關(guān)鍵詞： 單索幕墻，全玻，預(yù)應(yīng)力，撓度，ansys
引言：隨著玻璃幕墻的大量應(yīng)用，在現(xiàn)代中國(guó)建筑市場(chǎng)，隨著更多國(guó)外建筑師的加入，建筑設(shè)計(jì)越來越個(gè)性化、多樣化。隨著這些多樣化的建筑設(shè)計(jì)出現(xiàn)，對(duì)建筑幕墻的設(shè)計(jì)業(yè)提出了更多的要求，帶來了更多的挑戰(zhàn)。在望京保利國(guó)際廣場(chǎng)工程中，建筑設(shè)計(jì)方就提出了一種全新形式的--單索單玻索結(jié)構(gòu)支撐幕墻。該幕墻系統(tǒng)區(qū)別于當(dāng)前已經(jīng)出現(xiàn)和應(yīng)用的單索支撐幕墻、索網(wǎng)幕墻、肋支承玻璃幕墻。現(xiàn)有的這些玻璃幕墻的設(shè)計(jì)思路、力學(xué)模型等已經(jīng)不能用于該系統(tǒng)設(shè)計(jì)，強(qiáng)行套用會(huì)理論和設(shè)計(jì)將會(huì)有較大背離，導(dǎo)致工程留有隱患。因此有必要從基礎(chǔ)著手探究其設(shè)計(jì)理論、研究力學(xué)模型以及完善結(jié)構(gòu)分析模型。本文簡(jiǎn)要介紹該幕墻系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決問題的思路及一些注意事項(xiàng)，為同類型的幕墻設(shè)計(jì)提供一些參考。
一、單索單玻玻璃幕墻系統(tǒng)簡(jiǎn)介
望京保利國(guó)際廣場(chǎng)建筑師為 SOM，整個(gè)建筑設(shè)計(jì)恢弘大氣，極具現(xiàn)代感。為了配合建筑的品味，建筑師在首層開創(chuàng)性的設(shè)計(jì)了通高整片玻璃配單索的新型結(jié)構(gòu)的玻璃幕墻。(圖一，圖二)
二、相關(guān)幕墻系統(tǒng)簡(jiǎn)析與對(duì)比
常見的索結(jié)構(gòu)幕墻分為單索和索網(wǎng)兩種結(jié)構(gòu)。單索結(jié)構(gòu)幕墻一般應(yīng)用較少，典型應(yīng)用為梅蘭芳大劇院(圖 3);索網(wǎng)結(jié)構(gòu)幕墻應(yīng)用比較多，比如中國(guó)青年旅行社大樓，中國(guó)石油大廈等工程(圖 4)。
圖 3
圖 4
可以看出單索幕墻是從索網(wǎng)幕墻演化取消了橫向聯(lián)系索而來。而本工程單索單玻玻璃幕墻(圖 5)可看成是從單索玻璃幕墻演化而來，面材由多塊玻璃合并為一整塊玻璃，可看成是單索玻璃幕墻的一種特例。
圖 5
由于面材為單塊玻璃，因而單索單塊玻璃也具備了肋支承全玻幕墻的一
些特征(圖 6)，其區(qū)別是支撐結(jié)構(gòu)的形式不同，由剛性玻璃肋換成柔性的拉索。
圖 6
三、系統(tǒng)分析及需要解決的問題
(1) 撓度匹配問題
目前，國(guó)內(nèi)還沒有規(guī)范針對(duì)預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)(單索)幕墻的設(shè)計(jì)規(guī)范，沒有撓度控制的相關(guān)規(guī)定(目前新版《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范(送審稿)》有建議不大于1/45L)。見于國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中，關(guān)于拉索幕墻的結(jié)構(gòu)撓度限值一般為 1/30L~1/50L。究其原因是當(dāng)撓度控制要求小于 1/50L，索的計(jì)算軸拉力會(huì)成非線性的急劇增大，因而索體及支撐索體的主體結(jié)構(gòu)（詞條“主體結(jié)構(gòu)”由行業(yè)大百科提供）成本會(huì)急劇上升。在目前情況下，國(guó)內(nèi)單索工程常從嚴(yán)控制選取 1/50L 作為撓度限值。有前述分析可知，索結(jié)構(gòu)是玻璃的支撐結(jié)構(gòu)，索與玻璃通過索夾和玻璃支撐件裝配在一起(圖 7)。這樣問題隨之而來，《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范 2003 版》中 6.1.3.3 條、7.2.3 條、8.1.5.3 條對(duì)各種形式的玻璃規(guī)定的撓度限制均為支撐間距的 1/60。(需要注意的是，對(duì)這些條文的規(guī)定直接套用在本案例中會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果，這些在后續(xù)章節(jié)會(huì)加以分析說明)即面板（詞條“面板”由行業(yè)大百科提供）與支撐結(jié)構(gòu)同步變形，但是支承結(jié)構(gòu)（詞條“支承結(jié)構(gòu)”由行業(yè)大百科提供）的撓度控制要求卻低于面板。
圖 7
匹配撓度的途徑有二，一是索結(jié)構(gòu)的撓度控制要求至 1/60L。經(jīng)過測(cè)算，索體直截面積需要增加 60%，對(duì)結(jié)構(gòu)的反力也增加了 78%。已經(jīng)超出結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)承載力，因此除索結(jié)構(gòu)本身成本增加約 78%外，整個(gè)結(jié)構(gòu)加固成本已經(jīng)業(yè)主可以接受的范圍。二是降低玻璃面板撓度控制要求至 1/50L。最終，綜合建筑師、業(yè)主、材料供應(yīng)方意見，結(jié)合理論分析，玻璃撓度按 1/50L 可以滿足本工程的安全性。應(yīng)該說本案例的實(shí)施是對(duì)玻璃應(yīng)用的一個(gè)突破，單屬于特殊工程的一個(gè)特殊樣本，是特殊案例下安全性、使用性能和成本達(dá)成的一個(gè)平衡，不具備推廣性，但對(duì)類似工程解決問題具有借鑒意義。
(2) 軸向位移分析及解決方案
本案例結(jié)構(gòu)模型可簡(jiǎn)化為圖 8 所示。拉索頂部設(shè)計(jì)有張力保持機(jī)構(gòu)，下端鉸接;玻璃上端吊掛，下端入槽。很顯然在荷載作用下，產(chǎn)生水平位移的同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生拉索和玻璃還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)軸向位移。經(jīng)過分析，本案例中索最大軸向變形出現(xiàn)在拉索的與張力保持機(jī)構(gòu)連接端;玻璃最大軸向變形出現(xiàn)在下端入槽位置。此位移至可以用最終有限元分析結(jié)果中取得。在拉索選型基本確定后可以通過下列方式得到一個(gè)初步的軸向位移值。
拉索端軸向位移計(jì)算：
假設(shè)：所選拉索最小破斷力為 T、面積為 S、 拉索長(zhǎng)度為 L、彈性模量為常數(shù) E，張力保持器倔強(qiáng)系數(shù) K。索端最大位移△l 計(jì)算如下，
△l=K*(0.5T-0.2T)
本案例為約為 16mm
玻璃下端位移：
假設(shè)玻璃面板在風(fēng)荷載變形情況下，玻璃面板的總長(zhǎng)度不變，以 1/50L 為拋物線模型放樣，直接得出玻璃下端的位移值。本案例約為 6.5mm。
由于上述問題的存在，玻璃支撐件和索夾之間必須設(shè)計(jì)成滑動(dòng)連接(圖 9)，允許位移的范圍設(shè)計(jì)為正負(fù) 20mm。玻璃面板與下端玻璃槽之間也存在位移，因此整個(gè)玻璃入槽深度也應(yīng)加大，在產(chǎn)生位移后應(yīng)該任然應(yīng)該有足夠的入槽深度。
(3) 拉索運(yùn)動(dòng)隨機(jī)性問題
本案子中的拉索，每根拉索獨(dú)立工作，相互之間沒有關(guān)聯(lián)。每由于制造誤差、安裝誤差、不同的預(yù)應(yīng)力等因素，每根索都有各自的受力狀態(tài)和規(guī)律運(yùn)動(dòng)。風(fēng)荷也是載是一個(gè)動(dòng)態(tài)荷載。因此二因素疊加，相鄰索的運(yùn)動(dòng)就是相對(duì)隨機(jī)的。由于相鄰索的運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性，玻璃就會(huì)存在扭曲變形的情況。我們認(rèn)為，相鄰兩索一個(gè)正風(fēng)壓（詞條“風(fēng)壓”由行業(yè)大百科提供）變形達(dá)極限另一個(gè)負(fù)風(fēng)壓變形達(dá)極限的情況是不存在的。因此我們假定相鄰根索最大變形差為一根達(dá)極限，另一根回彈變形為 0 的位置。分析此彎扭狀態(tài)玻璃的應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)其最大應(yīng)力小于玻璃許用強(qiáng)度。因未有相關(guān)資料文獻(xiàn)可供借鑒，此假設(shè)是基于我們的經(jīng)驗(yàn)判斷。另外玻璃應(yīng)力分布分析任然采用的是靜態(tài)分析方法，我們認(rèn)為是能夠滿足工程安全的。
四、建模分析的誤區(qū)以及改進(jìn)模型分析結(jié)果
《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范(2003 版)》8.3.1 條“點(diǎn)支承玻璃幕墻的支承結(jié)構(gòu)宜單獨(dú)進(jìn)行計(jì)算，面板玻璃不易兼做支承結(jié)構(gòu)的一部分”。這一條不能應(yīng)用于本案例，否則會(huì)因錯(cuò)誤的模型得出錯(cuò)誤的結(jié)論。
(1) 采用分離的模型分別對(duì)玻璃和拉索分析
玻璃分析：
圖 10 玻璃分析模型
圖 11 玻璃撓度結(jié)果
圖 12 拉索獨(dú)立分析模型
圖 13 拉索內(nèi)力分析結(jié)果
圖 14 拉索撓度分析結(jié)果
顯而易見，這種分析模型偏離實(shí)際情況太多，導(dǎo)致結(jié)果與實(shí)際嚴(yán)重不符，所得結(jié)果異常偏小。而且這種脫離實(shí)際的分析結(jié)果掩蓋了玻璃實(shí)際出現(xiàn)的較大撓度變形，在門邊口位置，因?yàn)闆]有改善措施而導(dǎo)致設(shè)計(jì)失敗
(2) 綜合模型分析方法
鑒于以上問題的存在，本案例我們采用了綜合建模分析的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。在 ANSYS 建模過程中，玻璃和拉索不直接建立物理練習(xí)，而是通過為一位耦合的方式將玻璃和拉索聯(lián)系起來。
圖 15 選擇分析區(qū)域
圖 16 撓度變形分析結(jié)果
圖 17 玻璃應(yīng)力分析結(jié)果
通過上述分析，可以很明顯的看出被錯(cuò)誤模型掩蓋的一些風(fēng)險(xiǎn)暴露出來，玻璃變形是分離模型分析結(jié)果的 40 多倍，在一些局部區(qū)域出現(xiàn)了不規(guī)則扭曲，應(yīng)力集中超玻璃自身強(qiáng)度的現(xiàn)象。本案例中，分離模型分析結(jié)果如果應(yīng)用于工程將會(huì)留下巨大隱患。
(3) 改進(jìn)設(shè)計(jì)
改進(jìn)措施：
1、改善門側(cè)玻璃扭曲狀況
2、門側(cè)玻璃與門框之間采用柔性連接
最終加強(qiáng)方案圖 18，玻璃與門框之間連接改用彈性墊塊嵌槽，以改善應(yīng)力集中現(xiàn)象。
圖 18 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案
圖 19 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案位移分析結(jié)果
從分析結(jié)果來看，門側(cè)玻璃的扭曲變形已經(jīng)大大改善
圖 20 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案應(yīng)力分析結(jié)果
從分析結(jié)果來看，門側(cè)玻璃的應(yīng)力集中現(xiàn)象也已經(jīng)大大改善，已經(jīng)小于玻璃的容許應(yīng)力。
在本案例中，通過不斷地調(diào)整試算，最終在門側(cè)選擇直徑為 40 的拉索，大面位置選擇直徑 24 的拉索，最終選擇的玻璃規(guī)格為 12T+1.52pvb+12T。
結(jié)論
通過本案例設(shè)計(jì)研究過程說明，規(guī)范中許多條文的制定是有一定的適用范圍的。在實(shí)際應(yīng)用過程中，我們應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的工程條件選擇和使用，不可不加選擇的直接套用。在本案例中，我們可以看出在特定的條件下，面材與支撐結(jié)構(gòu)整體建模分析是有必要的，對(duì)于柔性索結(jié)構(gòu)幕墻來說，整體建模分析可以發(fā)現(xiàn)分離建模中被忽略的情況，從而使幕墻結(jié)構(gòu)更加合理和安全。當(dāng)然，本文講述的方法還存在一些缺點(diǎn)和不足，有待于我們?cè)诠ぷ髦欣^續(xù)摸索和不斷完善。
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作者單位：中國(guó)建筑科學(xué)研究院
