自平衡杆索结构在点支式双曲面幕墙体系中的计

发布时间：2022-10-05 10:10 热度：

自平衡杆索结构在点支式双曲面幕墙体系中的计算分析

张俏1 张婷2 李守新1 张信腾1

沈阳远大铝业工程有限公司1 辽宁沈阳110023

沈阳市第二建筑设计院有限公司2 辽宁沈阳100042

摘要；自平衡杆索结构,杆件纤细,外形轻巧,受力合理,是一种轻质、高强、高效的现代结构.本文以实际工程设计为例,介绍了自平衡杆索结构在点支式双曲面幕墙体系中的计算分析.应注意双侧拉索施加的预应力值是不相同的,利用ANSYS大型有限元分析软件进行结构计算和静力分析.经过合理的构件截面设计,在外载作用下,结构主杆最大的应力为115.012Mpa,最大的拉索应力为422.861Mpa,最大位移 25.653mm.自平衡杆索结构在超大跨度空间双曲面幕墙体系结构中应用是可行的,设计时应综合考虑预应力值、索杆截面变化引起的索杆应力变化及整体结构变形情况.

关键词；点式玻璃；双曲面幕墙 ；自平衡杆索结构；预应力

1引言

点式玻璃幕墙外观整洁、明丽、具有现代感，且点式玻璃技术的精细性和设计的灵活性,大大丰富了建筑立面和造型.玻璃面板仅通过几个点连接到支撑结构上,几乎无遮挡,透过玻璃视线达到最佳,视野达到最大,将玻璃的透明性应用到极限,目前在建筑外立面设计中得到了广范的应用.此类玻璃幕墙的结构中,充分体现了机械加工的精度,每个构件都十分的细巧精致,本身就构成了一种结构美.自平衡杆索式玻璃幕墙的支撑结构是不锈钢杆件和预应力拉索,玻璃由金属紧固件和金属连接件与拉索连接,拉锁固定于杆件上.预应力自平衡杆索结构,杆件纤细,外形轻巧,受力合理,是一种轻质、高强、高效的现代结构.在大型建筑及标志性建筑中的应用前景非常广阔.本文针对抚顺大剧院工程的点支式双曲面幕墙自平衡杆索结构体系设计,从结构形式和受力性能角度阐述自平衡杆索结构在双曲面幕墙中的应用.此种外围护结构在超大跨度空间双曲面幕墙体系结构中应用是可行的,设计时应综合考虑预应力值、索杆截面变化引起的杆索应力变化及整体结构变形情况.

2工程概况

拟建抚顺大剧院工程地上4-5层,地下一层.建筑高度为20.7m-36.5m（室外地面到外墙顶）.结构形式为框架剪力墙,主要功能为剧院、电影院、会议中心.此工程设计的外围护结构采用点支式透明双曲面幕墙体系,造型新颖,视觉效果美观.特点是外立面是双曲面,整个立面有若干块点式玻璃组成,玻璃选择采用平板构成折线形式拟弧来实现外立面效果.选用自平衡索杆结构降低了单位面积的用钢量指标,提高了结构效率,经济合理的跨越大空间,来实现建筑的立面效果.

3结构分析

计算工程标高为36.5米,地面粗糙度为C类,基本风压值按50年一遇采用为W0=0.45kPa,抗震设防等级为7度.

由于外立面本身为双曲面,可将自平衡承重索和平衡索采用同一根拉索.玻璃配置为8mm+1.52PVB+8mm+12A+10mm中空钢化夹胶玻璃,采用300系列爪件,按照四点支撑连接到自平衡索上.自平衡杆索结构上部铰接于网架且不承受自重,下部铰接于土建梁上,幕墙结构自重由整个杆索结构的下部传递给土建结构.构件的截面设计：主杆选用圆钢管Φ273×12,平衡杆选用圆钢管Φ121×6,支撑杆选用圆钢管Φ152×6，拉索选用不锈钢绞线Φ26（拉索的截面面积为375.61mm2 ）.

选取最危险部分的结构,用有限元分析软件ANSYS进行整体结构计算和静力分析.分析类型是非线性结构、静态，单元种类是梁单元(BEAM188)与杆单元(LINK10).施加给前侧临近玻璃面的拉索的预应变值为0.0025,内侧拉索的预应变值为0.0022.应注意双侧拉索施加的预应力值是不相同的,设计计算时考虑工况为：①拉索预紧力+ 钢结构自重荷载,②拉索预紧力+钢结构自重荷载+玻璃自重荷载,③拉索预紧力+自重荷载+正风荷载＋地震荷载+温度作用,④拉索预紧力+自重荷载+负风荷载＋地震荷载+温度作用.

将荷载乘以相应的分项系数进行组合计算，运用幕墙所受的荷载设计值对以上四种工况计算结果如下：工况①,梁单元最大应力为115.012Mpa,最大位移 4.284mm.工况②,梁单元最大应力为76.278Mpa,最大位移7.318mm.工况③,梁单元最大应力为108.714Mpa,索单元轴向应力为418.24Mpa,最大位移为24.485mm.最不利的结果出现在工况④中,计算模型图见图2,梁单元最大应力为115.012Mpa见图2,计算结果小于 215 Mpa.索单元轴向应力422.861Mpa见图3,计算结果小于628.664 Mpa.最大位移 25.653mm见图4,计算结果小于14400mm/200=72mm.结构内力和变形都在允许的范围内,且无杆件失稳现象.

图1：工况④的模型图 图2：梁单元最应力图

图3：索单元轴向应力图 图4. 整体变形图

4 结论

自平衡杆索结构,杆件纤细,外形轻巧,受力合理,是一种轻质、高强、高效的现代结构.经过合理的构件截面设计,降低了单位面积的用钢量指标,提高了结构效率,经济合理的跨越大空间,来实现建筑的立面效果.本文算例，利用ANSYS大型有限元分析软件对各种复杂工况进行计算分析,结构内力和变形都在允许的范围内,且无杆件失稳现象.自平衡杆索结构,从结构形式和受力性能上都是安全合理的,在点支式双曲面幕墙体系结构中应用是可行的.设计时应综合考虑预应力值、索杆截面变化引起的索杆应力变化及整体结构变形情况.

参考文献：

[1]张其林.索和膜结构。上海同济大学出版社。2002年

[2]《点支式玻璃幕墙幕墙技术规程》CECS 127：2001

[3]《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ 102-2003

[4]《建筑结构荷载规范》GB 50009-2001（2006版）