點(diǎn)支式玻璃幕建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析中的若干問(wèn)題摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了點(diǎn)支式玻璃幕建筑結(jié)構(gòu)體系的組成與類別;張拉索桿結(jié)構(gòu)體系的組成、布置及其常見(jiàn)的張拉索桿基本結(jié)構(gòu)組件；闡述了張拉索桿結(jié)構(gòu)體系的受力特性、索的設(shè)置、張拉索的張力要求等中的若干問(wèn)題；還討論了這種結(jié)構(gòu)的一些計(jì)算方法及玻璃面板承載力的計(jì)算關(guān)鍵詞：點(diǎn)支式玻璃幕建筑張拉索桿結(jié)構(gòu)玻璃面板承載力SomeProblemsonStructuraldesignandAnalysisofGlazingCurtainBuildingwithPointSupportAbstractThecompositionandkindsofthestructuralsystemfortheglazingcurtainbuildingwithpointsupportareintroduced.Theconstructionandthelayoutofthetension-rope-strutstructuralsystemanditsessentialcomponentsaredescribed.Someproblemsonthemechanicalfeaturesofthetension-rope-strutstructuralsystemunderloads,theinstallationofeachkindsofropes,therequirementsoftensionforceoftheseropesinthisstructuralsystemareexpounded;themethodofcalculationandtheloadcarryingcapacityoftheglasspanelofthisstructuralsystemarealsodiscussed.Keywordsglazingcurtainbuildingtension-rope-strutstructureLoadcarryingcapacityofglasspanel一玻璃幕建筑結(jié)構(gòu)的組成與類別玻璃幕建筑是指以玻璃作為覆蓋幕面的一種建筑，它可以是建筑的屋蓋、墻體、樓層、樓梯、走道欄板或整個(gè)建筑。眾所周知玻璃是一種脆性材料，由于制成時(shí)不可避免的內(nèi)在缺陷，強(qiáng)度較低。此外，因受生產(chǎn)工藝限制，其板厚和板面尺度也有限，故常需適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)體系作支承，才能形成予期的建筑。這一結(jié)構(gòu)體系稱為玻璃幕建筑的支承結(jié)構(gòu)，它與玻璃幕面共同組成玻璃幕建筑結(jié)構(gòu)。1玻璃幕建筑結(jié)構(gòu)的組成及基本要求玻璃幕建筑的支承結(jié)構(gòu)可以是由玻璃或鋁、鋼等金屬材料組成。因此可以說(shuō)：玻璃幕建筑結(jié)構(gòu)是由玻璃與金屬等材料，經(jīng)加工、連接和安裝組成的可獨(dú)立地承受各種可能荷載作用，并滿足各預(yù)定功能要求的工程構(gòu)筑物。通常，它包括玻璃面板、支承結(jié)構(gòu)（含連接件）和基座（結(jié)構(gòu)）等三部分。對(duì)于點(diǎn)支式玻璃幕建筑結(jié)構(gòu)而言，連接件是指螺栓組件和支承裝置；基座是指玻璃幕建筑結(jié)構(gòu)賴以坐落支承的部分。玻璃幕建筑結(jié)構(gòu)的板件、桿件、構(gòu)件間的相互連接方法可有膠接、焊接和機(jī)械性連接等，且其連接型式也多種多樣，無(wú)論那種都必須具有足夠的承載能力和適宜的剛度。如上所述，玻璃幕建筑結(jié)構(gòu)是一種工程結(jié)構(gòu)，它所承受的荷載作用，可能是由自然環(huán)境影響和人為要求引起的。在各種可能荷載作用組合下，必須滿足安全、適用和耐久性等三項(xiàng)基本要求。當(dāng)然，它作為玻璃幕建筑的外露結(jié)構(gòu)，還應(yīng)與建筑藝術(shù)美的要求相匹配。2玻璃幕建筑結(jié)構(gòu)的類別在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，必須首先選擇并確定結(jié)構(gòu)的類別，并進(jìn)而了解結(jié)構(gòu)的性能和可能的荷載作用，才能正確地給出結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型和進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。對(duì)于玻璃幕建筑結(jié)構(gòu)，可按以下條件劃分其類別：（1）按玻璃面板支承狀況分為：線支式結(jié)構(gòu)和點(diǎn)支式結(jié)構(gòu)；（2）按玻璃面板是否作為該結(jié)構(gòu)的必要受力部件分為：組合式結(jié)構(gòu)和集合式結(jié)構(gòu)。前者玻璃面板與其它板件共同組成統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)體系，并相互依存不可或缺，否則結(jié)構(gòu)失效；后者，一般視玻璃面板為其附屬結(jié)構(gòu)，支承結(jié)構(gòu)（包括基座）為其基本結(jié)構(gòu)，二者相對(duì)獨(dú)立（3）按支承結(jié)構(gòu)剛勁性分為：剛性支承結(jié)構(gòu)（如梁、剛架、桁架、網(wǎng)架等）和柔性支承結(jié)構(gòu)（如張拉索桿結(jié)構(gòu)等）。前者組成結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)件，均為剛性桿件；后者組成結(jié)構(gòu)的相當(dāng)多的基本構(gòu)件不是剛性,而是僅能承受拉力的柔性桿件。二張拉索桿結(jié)構(gòu)體系的組成及其布置1、甚么是張拉索桿結(jié)構(gòu)張拉索桿結(jié)構(gòu)是指由柔性張拉索（或鏈桿，下同）及剛性撐桿組成的結(jié)構(gòu)。它在設(shè)計(jì)、施工和使用過(guò)程中柔性索必須具有足夠和適當(dāng)?shù)膹埨ΑＨ嵝运鲀H具有抗拉剛度（EA），當(dāng)無(wú)張拉力時(shí)其抗壓等剛度很小，在結(jié)構(gòu)承受荷載中無(wú)供獻(xiàn)或可忽略。必須對(duì)它們進(jìn)行張拉，使之具有足夠的張力，才能組成結(jié)構(gòu)和可靠地承受荷載作用。剛性撐桿具有各種需要的，如拉、壓、彎等剛度，足以承受相應(yīng)大的拉、壓、彎曲等作用力而不喪失其承載力。2、張拉索桿結(jié)構(gòu)體系的組成這種結(jié)構(gòu)體系通常由張拉索桿基本結(jié)構(gòu)組件和支座（結(jié)構(gòu)）組成，必要時(shí)需設(shè)置平衡重力性索和保證結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性索。其張拉索桿基本結(jié)構(gòu)組件可以是自平衡的或非自平衡的，后者的張拉索端部的張力需由其支座（結(jié)構(gòu)）平衡。3、張拉索桿結(jié)構(gòu)體系的分類與布置張拉索桿結(jié)構(gòu)的體系,按其受力工作狀況，可分為單向受力體系和雙向受力體系：（1）單向受力體系是由單一方向布置的若干張拉索桿基本結(jié)構(gòu)組件和必要的重力與穩(wěn)定性索（或桿件）組成。雙向受力體系是由相互交叉的張拉索桿基本結(jié)構(gòu)組件和必要時(shí)的一些重力與穩(wěn)定性索（或桿件）組成。其交叉與布置，常根據(jù)建筑及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求確定，可以是正交正放，正交斜放或斜交放置等。4、主受力索，重力性索與穩(wěn)定性索的作用和張力要求主受力索-----是張拉索桿結(jié)構(gòu)體系中基本結(jié)構(gòu)組件的主受拉力元件，應(yīng)始終具有足夠而適當(dāng)?shù)某鯊埨?，使之不退出工作和被拉斷。重力性?----為改善張拉索桿基本結(jié)構(gòu)組件的受力，用以平衡重力性荷載而設(shè)置的拉索。一般平行于玻璃板面的重力方向布置，可不需要太大的初張力，但應(yīng)張緊，并足以承受其重力荷載。穩(wěn)定性索-----為保證張拉索桿結(jié)構(gòu)體系中的基本結(jié)構(gòu)組件及其某些撐桿平面外的穩(wěn)定性和減少可能的風(fēng)振而設(shè)置的索，也常用它保證玻璃幕結(jié)構(gòu)體系中某些剛性構(gòu)件的平面外穩(wěn)定性。這種索的初張力雖不需很大，但索的張力設(shè)計(jì)，必須給上述被穩(wěn)定構(gòu)件以足夠的側(cè)向支承力，以保證其不發(fā)生側(cè)向失穩(wěn)。三張拉索桿基本結(jié)構(gòu)組件的幾種常見(jiàn)形式張拉索桿結(jié)構(gòu)體系中常見(jiàn)的張拉索桿基本結(jié)構(gòu)組件形式有：自平衡式和非自平衡式兩類，如圖--1和圖--2所示。前者其組件中的張拉索的索身和索的盡端均與撐桿相互連接，并其內(nèi)力自相平衡；后者張拉索的盡端不與撐桿相連，而是連接在其邊端支座（結(jié)構(gòu)）上，借助支座對(duì)索施加張拉，因此僅靠組件自身各索桿間的作用,不能形成內(nèi)力的完全平衡。張拉索桿基本結(jié)構(gòu)組件索的外形點(diǎn)跡有拋物線形和折線形，在均布荷載下前者較后者合理。圖—1自平衡式張拉索桿基本結(jié)構(gòu)組件圖—2非自平衡式張拉索桿基本結(jié)構(gòu)組件四張拉索桿基本結(jié)構(gòu)組件的若干力學(xué)特性張拉索應(yīng)始終處于張力正定狀態(tài)。研究分析表明，此時(shí)各桿（包括索）均對(duì)結(jié)構(gòu)剛度及承載力有貢獻(xiàn)，否則其結(jié)構(gòu)剛度將極大降低，甚至其承載力喪失。組件的幾何特性隨其所受荷載而有較大改變，屬于幾何易變形性（柔性）結(jié)構(gòu)。它與幾何可變形性（勁性）結(jié)構(gòu)或不變形性（剛體）結(jié)構(gòu)體系的分析方法有所不同。一般宜采用二階分析方法。3、，由于它是由高強(qiáng)鋼絲繩（絞線）經(jīng)張拉形成的柔性結(jié)構(gòu)，故結(jié)構(gòu)的工作性能對(duì)設(shè)計(jì)、施工缺陷的敏感性較大，其中主要有：（1）受力分析及荷載組合時(shí)，因采用線性方法，使內(nèi)力的計(jì)算不準(zhǔn)；（2）體系剛度及承載力，因張力索的張力不足或松弛退出工作時(shí)，呈現(xiàn)的非線性或跳躍性退化或喪失；（3）溫度的升或降，使張拉索松弛或超張；（4）正確施加和監(jiān)控索的張力較困難；（5）高張力索桿的缺口應(yīng)力集中,引起的高強(qiáng)鋼索應(yīng)力腐蝕；（6）塑性及韌性差的超強(qiáng)度鋼材的應(yīng)用；（7）自平衡組件中縱向主撐桿的復(fù)雜受力；（8）高強(qiáng)鋼索及其連接，因材料、構(gòu)造、和工藝性緣故，存在的類裂紋性缺陷等。五張拉索桿結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題體系的選擇單向受力體系的布置、索張力施加和控制相對(duì)比較簡(jiǎn)單，受力明確。當(dāng)其為單跨時(shí)，可不受支座剛度影響；但當(dāng)為多跨連續(xù)時(shí)，支座的壓縮剛度對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形有相當(dāng)大的影響。常為不太大建筑面積空間及荷載情況下采用。雙向受力體系的布置,可有多種型式，其索的張拉力的施加和控制比較麻煩，受力復(fù)雜。但在相同建筑面積空間及荷載情況下索的張力較小，且?？墒∪ヒ恍┲亓π运骱头€(wěn)定性索。故相對(duì)較省鋼，而為較大建筑面積空間及荷載情況下采用。2體系的布置單向受力體系布置中，常需設(shè)重力性索，必要時(shí)應(yīng)布置穩(wěn)定性索。雙向受力體系布置中，多在短向布置主受力基本結(jié)構(gòu)組件，長(zhǎng)向布置輔受力基本結(jié)構(gòu)組件的單元，二者的橫向撐桿常共用。當(dāng)輔受力基本結(jié)構(gòu)組件的某些索元與重力性索位置一致時(shí)，二者可合而為一。平面自平衡基本結(jié)構(gòu)組件及平面鋼桁架常作為單向受力體系的中間支座，此時(shí)應(yīng)考慮其平面外穩(wěn)定性的保證和必要的止失穩(wěn)元件的設(shè)置。3荷載、作用值及其可能組合對(duì)于張拉索桿這種柔性結(jié)構(gòu)，理應(yīng)采用非線性二階分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，其荷載作用也應(yīng)先組合，后逐級(jí)施加，但在實(shí)際中很難實(shí)施。一些研究分析表明：對(duì)于一般不大的張拉索桿結(jié)構(gòu)，如具有適當(dāng)?shù)某鯊埩r(shí)，可以按一階分析，荷載作用采用線性組合，構(gòu)件計(jì)算中考慮二階效應(yīng)。這樣引起的誤差不會(huì)很大。活載，風(fēng)載與地震作用等可變性荷載作用的可能組合及其組合系數(shù)的選擇，應(yīng)按現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》執(zhí)行。考慮到尚無(wú)數(shù)十甚至千百年一遇的風(fēng)載同時(shí)發(fā)生地震的歷史記載，而且二者的峰值又都是瞬間一過(guò)性的作用，玻璃幕建筑結(jié)構(gòu)的自重又不很大，故對(duì)這種結(jié)構(gòu)而言，風(fēng)載作為第一可變荷載與地震作用組合似不必要。當(dāng)然設(shè)防烈度下的地震作用與可能的風(fēng)載組合是應(yīng)該的。張拉索初始張拉應(yīng)力值的選定與最小值的控制張拉索桿結(jié)構(gòu)同其它結(jié)構(gòu)的根本區(qū)別在于其受拉桿件應(yīng)始終處于張拉狀態(tài)，即必須保持其內(nèi)力是正定性。一旦呈現(xiàn)非正定時(shí)，結(jié)構(gòu)剛度將極大降低或承載力喪失。而保持張拉桿受力正定性的關(guān)鍵是正確地設(shè)定其初張力值。初張力值設(shè)置過(guò)小，不利荷載作用下，一些張拉桿將因其內(nèi)力減小為零（負(fù)）而退出工作，致使結(jié)構(gòu)性能退化；如果初張力值設(shè)置過(guò)大，不利荷載作用下，某些張拉桿將因其強(qiáng)度不足而破斷，致使結(jié)構(gòu)毀壞；如其截面設(shè)計(jì)過(guò)大，不利荷載作用下，這些張拉桿雖不會(huì)因其強(qiáng)度不足而破斷，但卻材料增多，索直徑粗影響結(jié)構(gòu)的輕盈通透性。對(duì)于如圖---1，2示結(jié)構(gòu)組件，當(dāng)作為玻璃幕結(jié)構(gòu)，可能承受正、反兩方向荷載時(shí)，其主張拉索桿的初張應(yīng)力值σ0的范圍可按以下建議設(shè)置：（1）對(duì)于普通強(qiáng)度不銹鋼材，當(dāng)以其抗拉屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fd考慮時(shí)，設(shè)為：25%≤σ0/fd≤50%（1）（2）對(duì)于高強(qiáng)度鋼材，當(dāng)以材料抗拉極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)值考慮時(shí)，如取其設(shè)計(jì)值為：fd≤0.45fu，將其代入式（1）并取整則有：12%≤σ0/fu≤22%（2）需要指出的是，初張力對(duì)張拉索結(jié)構(gòu)是必須的，且隨其值的增大，組件剛度也有提高，但提高有限，不如增大張拉索的面積有效。至于重力性索的初張力可不必施加過(guò)大，σ0∕fd≈10%；穩(wěn)定性索的初張力，則應(yīng)根據(jù)被保證構(gòu)件穩(wěn)定性所需要的支撐力,參考有關(guān)文獻(xiàn)資料確定。5風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值及其風(fēng)振系數(shù)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算方法在《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》已經(jīng)給出為：（1）當(dāng)計(jì)算主要承重結(jié)構(gòu)時(shí)wk=βzμzμsw0（3）式中：βz--結(jié)構(gòu)在高度Z處的風(fēng)振系數(shù)：《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2001）取βz=1+ξ×ν×φz/μz《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》（JGJ102-96）取βz=2.25；《點(diǎn)支式玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)程》（CECS127：2001）規(guī)定：計(jì)算支承結(jié)構(gòu)時(shí)取βz=1.1（1+ξ×ν×φz/μz）（2）當(dāng)計(jì)算維護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)wk=βgzμzμsw0（4）式中：βgz--結(jié)構(gòu)在高度Z處的陣風(fēng)系數(shù)，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2001）用(5)確定。βgz==k（1+2μf）（5）式中：k--地面粗糙度調(diào)整系數(shù)，對(duì)A、B、C、D四種分別取0.92、0.89、0.85、0.80；μf-脈動(dòng)系數(shù)，按式（6）確定。μf=0.5×351.8(α-0.16)(z/10)-α(6)式中：α--地面粗糙度指數(shù)，對(duì)應(yīng)于A、B、C、D四類地貌，分別取0.12、0.16、0.22、0.30需要指出的是，上述《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》給出的βz僅對(duì)高層建筑和高聳塔桅型結(jié)構(gòu)較有可操作性；《點(diǎn)支式玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)程》（CECS127：2001）也僅列出了與《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》給出的βz同樣的表達(dá)式（僅多乘了1。1的系數(shù)），并未給出式中各參數(shù)的計(jì)算方法，二者對(duì)玻璃幕墻建筑結(jié)構(gòu)是否適用和具有可操作性，值得研究。關(guān)于基本結(jié)構(gòu)組件的抗彎剛度及撓度控制與要求對(duì)于張拉索桿結(jié)構(gòu)體系的一些常用的基本結(jié)構(gòu)組件，一般地說(shuō)，其抗彎剛度取決于組件的幾何形式、矢高、矢跨比、張拉索桿的截面積和張拉索的初張力等。就組件的幾何形式而言，相同條件下，自平衡體系最好；其次為非自平衡體系中的雙索魚(yú)腹形；直索形最差。同一種組件其本身的幾何構(gòu)成對(duì)于其抗彎剛度也有不小影響。張拉索的初張力對(duì)其抗彎剛度雖有不可忽略的影響，但當(dāng)張拉足夠緊后，張拉索張力的增加對(duì)其抗彎剛度的貢獻(xiàn)很有限，如欲提高其抗彎剛度，需要增大張拉索桿截面積或調(diào)整組件的幾何形式和尺寸。在實(shí)際工程中對(duì)于張拉索桿結(jié)構(gòu)體系的撓度控制十分必要，它對(duì)防止玻璃幕結(jié)構(gòu)不必要的振動(dòng)和玻璃擠壓破壞等有重要意義。要求過(guò)嚴(yán)，實(shí)際工程很難達(dá)到，也不一定需要；要求太松，又可能出現(xiàn)工程損害，具體指標(biāo)需要研究確定。六關(guān)于有孔玻璃面板的承載力計(jì)算1集合式結(jié)構(gòu)體系中的玻璃強(qiáng)度計(jì)算前已指出：集合式結(jié)構(gòu)中的玻璃是體系中的附屬性結(jié)構(gòu)，其受力相對(duì)獨(dú)立，不受其支承（基本）結(jié)構(gòu)的影響。在垂直于玻璃板面均布荷載，如風(fēng)等的作用下，玻璃板面受彎曲工作。由于玻璃板鉆孔、切邊、磨邊以及鋼化等加工的影響，其邊緣類裂紋性缺陷大小的隨機(jī)性尚不清楚；點(diǎn)支式有孔玻璃板孔邊應(yīng)力集中，因受連接組件、玻璃板厚度及其孔的幾何特性等影響，故其應(yīng)力和強(qiáng)度的嚴(yán)格計(jì)算有待深入研究。一些研究表明：點(diǎn)支有孔玻璃板在垂直于玻璃板面均布荷載作用下其破壞常由孔邊開(kāi)始發(fā)生；點(diǎn)支處承載力與玻璃板厚度、孔徑及其連接組件的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和材料等因素有關(guān)，當(dāng)這些因素有較好匹配時(shí)，此承載力可能比相應(yīng)均布荷載下玻璃板面的抗彎強(qiáng)度高，否則較低。有鑒于此，對(duì)于有孔玻璃面板的承載力計(jì)算，一般可分別計(jì)算其玻璃板面的抗彎強(qiáng)度和點(diǎn)支處節(jié)點(diǎn)承載力，并取二者中的較低者，以保證安全。（1）玻璃板面的抗抗彎強(qiáng)度計(jì)計(jì)算，可用用以下表達(dá)達(dá)式：σσmax≤fg（5）式中：σmaax—璃板邊緣或或板面中的的最大彎曲曲應(yīng)力，可可由一些手手冊(cè)，文獻(xiàn)獻(xiàn)[3]或規(guī)規(guī)程[4]]中查獲；fg—為玻璃板邊緣或或板面的強(qiáng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值值，可由相相應(yīng)規(guī)程[[4，5]查得。（2）點(diǎn)支處節(jié)點(diǎn)承承載力計(jì)算算，可用以以下表達(dá)式式：F≤Rg（6）式中：F—點(diǎn)支支處節(jié)點(diǎn)上上荷載和作作用的設(shè)計(jì)計(jì)值（kN）；RRg—玻璃面板板連接節(jié)點(diǎn)點(diǎn)承載力的的設(shè)計(jì)值（kN），一般般由試驗(yàn)研研究確定。文章[2]曾曾經(jīng)對(duì)帶金金屬連接組組件（緊固固件）的有有孔玻璃的的承載力進(jìn)進(jìn)行了研究究，分別給給出了，考考慮浮頭和和沉頭連接接組件與玻玻璃接觸時(shí)時(shí)，垂直于于玻璃板面面的極限力力表達(dá)式：：Ff=0..00155td+0.44396tt-0.00122dd-1.11407((kN)((7)Fc=0.00177td+0.33388tt-0.00165dd-0.55625((kN)(8))需要指出的是，式式（6），（7）是在特特定的連接接組件和玻玻璃強(qiáng)度下下得出，式式中參數(shù)組組成的量綱綱，表面上上也不協(xié)調(diào)調(diào)一致，其其普遍適用用性尚需結(jié)結(jié)合具體情情況再研究究、試驗(yàn)確確定。當(dāng)然，尚需根據(jù)據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)[4，5]的規(guī)定定，計(jì)算玻玻璃面板的的撓度u，使之不不大于允許許撓度[u]其要求，即即：u≤