2.2.3 索桁架結構`點式玻璃幕墻的轉角節點
在曲面索結構玻璃幕墻的轉角外觀上采用了兩種形式,在銳角轉角位置上采用了三根大鋼柱,形成空間
鋼桁架進行支承。用空間鋼桁架的大剛度對水平布置的索桁架支坐反力進行支承。
在直角轉角處采用了對單根立柱進行預應力反向加強的辦法,采用了并排多根鋼索,從立柱的頂部到底部進行張拉、作整體的平衡。用此辦法來抵抗由于水平布置的索桁架,在預應力施加時對鋼立柱產生的側向變形。(如圖2.2,3)
2.2,4 預應力自平衡索桁架結構`點式玻璃幕墻節點
為解決A立面玻璃幕墻在受荷載時轉角立柱的穩定性,設置了預應力自平衡索桁架結構作為A立面玻璃幕墻支承系統。
山東壽光文化中心項目的自平衡索桁架的布設,是按水平方向布置的。在水平布置自平衡索桁架時,應該充分考慮到其在自重情況下產生的平面外變形和在受荷載過程中索桁架的穩定性。所以在自平衡索桁架的中部
撐桿上,安裝了平面外穩定索來確保索桁架在進人工作狀態時的穩定性。(如圖2.2.4-1;2,2.4-2)
2,2.5 索桁架結構點式玻璃幕墻的頂部、底部節點
在頂部節點處理上應充分考慮到幕墻安裝結束后,室內
吊頂和內裝收口的空間。由于山東壽光文化中心項目的頂部支承結構為
鋼結構支承,給幕墻在頂部收口和支承提供了便利的條件。(如圖2.2.5-2)
底部收口按常規應考慮到地面石材收口線,將豎向索的可調裝置安裝在豎向索的下端,以便在幕墻在使用狀態時對索的
內力進行調整和監控。(如圖2.2.5-1)
3．索桁架結構點式玻璃幕墻的承載能力分析
本章以壽光市文化中心的實際工程為出發點結合參數分析的結論,應用大型
有限元計算軟件ANSYS,針對索結構玻璃幕墻支承體系給出了有限元分析的實用方法。考慮了模型在水平荷載作用下所表現出來的大變形、小應變和
非線性的
力學性能特點,對這類工程的結構分析具有一定的指導性。
3.1 分析過程
3.1.1 分析基本步驟
1)根據周圍環境特點及建筑要求進行結構選型,并繪出簡圖。
2)找出理論依據及基本假定建立實體模型。確定邊界條件、單元類型及單元之間的約束自由度,將實體模型簡化為有限元模型。
3)根據項目特點確定各種荷載的取值。列出工況表,根據不同目標準則選取最不利工況。
4)確定分析方法和計算工具,得出計算結果。根據設計許可值要求對各種結果進行分析,最后給出結論。
3,1,2 計算模型
1)邊界條件:索結構在承受法向力時產生大變形,雖然結構單元受力變形,剛度未發生大的變化,但是幾何剛度增大迅速。鋼索張拉預應力后導致索體伸長,所以對周邊支承點在鋼索軸向相對位移極為敏感,輕微的位移都會導致內力驟變,從而引起結構破壞或剛度降低。因此在周邊鋼索支承結構剛度不足以滿足鋼索連接點
支座位移量控制要求時,建議將這部分結構與鋼索整體計算。
2)單元類型:鋼索采用link10桿單元,ANSYS單元庫中提供的link10單元是一個只拉(或只壓)的兩節點桿單元,每個節點有3個自由度。玻璃采用shell63板單元,shell63單元是一個能承受拉(壓)力、剪力和
彎矩的板單元,每個節點有6個自由度,包括3個線自由度和3個轉動自由度,同時還考慮了
應力剛化和大變形選項,
玻璃面板采用此單元。在鋼索節`煢和玻璃角點之間憑和y方向則采用了帶阻尼的combin14拉壓彈簧單元來模擬節點約束,combin14單元可以有縱向伸長以及扭轉能力,沒有質量。通過設置彈簧單元的選項,可以選擇只有縱向伸長彈簧模型,它是一個單軸的單元,每個節`點有三個節點自由度,不考慮
彎曲和扭轉。
3)荷載取值:施加在幕墻上的直接作用有
風荷載、自重等。間接作用有地震和
溫度作用等。
a、風荷載:要針對正常使用
極限狀態和
承載力極限狀態兩方面的要求采用相應的風荷載值。風荷載
標準值由
基本風壓ω0計算或
風洞試驗得到。 《
建筑結構荷載規范》(GB50O09)對垂直作用在幕墻、采光頂等
圍護結構表面單位面積上的風荷載標準值采用下述表達式:
wk =β gzusuzoO
式中 ωk——風荷載標準值
Ｂgz——高度z處的
陣風系數
us——風荷載體型系數
uz——
風壓高度變化系數
w0——幕墻所在地區的基本風壓
(1)基本風壓:基本風壓是以當地比較空曠平坦地面上,離地10狃高記錄統計所得50年一遇10頑n平均最大風速的標準,按oO=l,O2/16∞ 確定的風壓值。
《建筑結構荷載規范》(GB50009)規定,對風荷載比較敏感的
高層建筑,根據熏要性不同,分別采用重現期為5Q年或1Q0年作為基本風速的取值依據,按極值I型分布,可導出不同重現期基本風壓與重現期為∞ 年的基本風壓oCl的近似關系:
重現期為100年的基本風壓:ω100=1.2ω0
基本風壓值按《建筑結構荷載規范》中的“全國基本風壓分布圖”采用。
(2)風壓高度變化系數: 《建筑結構荷載規范》 (GB500Q9)將
地面粗糙度分為A、B、C、D四類。A類指近海海面、海島、海岸、湖岸及沙漠等;B類指空曠田野、鄉村、叢林、丘陵及房屋比較稀少的鄉鎮和城市郊區;C類指有密集建筑群的城市市區;D類指有密集建筑群且房屋較高的城市市區。
(3)風荷載體型系數:對豎直的平面
玻璃幕墻結構外表面:正壓區按《建筑結構荷載規范》采用;負壓區對墻面取u=-1· 0,對墻角邊取u=-1· 8。對封閉式建筑內表面,按外表面風壓的正負情況取-0,2或0.2。
(4)陣風系數:對于維護結構,由于其
剛性一般較大,在結構效應中可不必考慮其共振分量,此時可僅在平均風壓的基礎上,近似考慮脈動風瞬時的增大因素,通過陣風系數來計算其風荷載。陣風系數βgz按《建筑結構荷載規范》確定。
b、溫度荷載:索結構所受溫度荷載的不利影響比大多數結構體系更加嚴重。根據索構造不難發現鋼索處于半室外空間,長期受外界環境溫度影響,索體工作溫度變化快、幅度大,結構在正常使用期間溫差按照±40°計算。受溫度變化單索應力線性變化,當溫度升高較大時將嚴重消弱體系承載能力;當溫度降低較大時鋼索內力增大,使得原有溫度條件下的鋼索內力平衡被打破,導致內力重新分配,鋼索內力增大。
此外,施工過程當中還要根據預張拉時的氣溫變化與有限元計算溫度的差異調整鋼索實際預拉力,確保索
內應力在溫度變化過程中的均衡狀態和安全性。
c、結構自重:結構自重按各部分的體積與容重的乘積計算。考慮材料規格尺寸的偏差及附屬性構造零件,其荷載
分項系數也可取為γG=1.2。
d、預拉力:預拉力的取值直接影響到體系剛度,通常設計索結構最大
撓度控制取值按《
玻璃幕墻工程技術規范》
JGJ-102-2003,《
建筑幕墻》GB/
T21086-2007結構單跨的1/200,以往的工程設計經驗是當預拉力取鋼索最大內力的50%時,鋼索最大撓度滿足控制要求。鋼索最大內力可用擬梁法近似得出,擬梁法是假定在受法向力后鋼索位移至變形允許值時達到平衡狀態,對支座而言由跨中反彎點的位移值與拉力的乘積來抵抗該點的彎矩。在ANSYS程序中是通過輸人初始應變施加,經試算后使鋼索最大撓度較為精確的控制在結構單跨的1/200,此時鋼索內力最小,選擇的鋼索規格最合理,實際加載取整數施加便于控制。
e、
地震作用:地震作用是指地震時的地震波通過地基使建筑物產生振動的慣性力作用。包括幕墻結構的建筑結構,在
地震荷載作用下與
地震烈度、建筑物地基的性質、結構物的剛度、質量大小及其分布狀況等都有關系,理論上應該通過結構地震隨機振動分析確定其對不同結構的影響。但實際計算時,一般可采用簡化方法。
幕墻無需考慮豎向地震作用。水平地震作用(垂直于墻面方向或沿墻面水平方向)的標準值PEk,可近似按下式計算:
PEk=βEαmaxGk (3.1.2)
式中 αmax一水平地震作用影響系數最大值,
構件截面及連接計算中,當地震設計烈度為6、7、8度時,根據不同的
設計基本地震加速度分別,取0.04、0.O8(0,12)、 0.16 (0.24)。
βE一地震作用動力放大系數,可取5.0。
Gk—
幕墻結構計算部分及其附屬部分的自重標準值之和。對于非豎直玻璃幕墻,如玻璃幕頂端、斜墻等,除上述基本荷載外,尚應根據實際情況,考慮其他恒載和活載(雪等),其取值見《建筑結構荷載規范》 (GB50O09—2001),同時需滿足《建筑
抗震設計規范》的要求。
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