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解讀:單索單玻玻璃幕墻設計應用

來源:2020論文集  作者:盧占和  日期:2020-11-25
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    在現代中國建筑市場,隨著更多國外建筑師的加入,建筑設計越來越個性化、多樣化。隨著這些多樣化的建筑設計出現,對建筑幕墻的設計業提出了更多的要求,帶來了更多的挑戰。在望京保利國際廣場工程中,建筑設計方就提出了一種單索幕墻的全新形式的--單索單玻索結構支撐幕墻。該幕墻系統區別于當前已經出現和應用的單索支撐幕墻、索網幕墻、肋支承玻璃幕墻。現有的這些玻璃幕墻的設計思路、力學模型等已經不能用于該系統設計,強行套用會理論和設計將會有較大背離,導致工程留有隱患。因此有必要從基礎著手探究其設計理論、研究力學模型以及完善結構分析模型。

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  摘要:在現代中國建筑市場,隨著更多國外建筑師的加入,建筑設計越來越個性化、多樣化。隨著這些多樣化的建筑設計出現,對建筑幕墻的設計業提出了更多的要求,帶來了更多的挑戰。在望京保利國際廣場工程中,建筑設計方就提出了一種單索幕墻的全新形式的--單索單玻索結構支撐幕墻。該幕墻系統區別于當前已經出現和應用的單索支撐幕墻、索網幕墻、肋支承玻璃幕墻。現有的這些玻璃幕墻的設計思路、力學模型等已經不能用于該系統設計,強行套用會理論和設計將會有較大背離,導致工程留有隱患。因此有必要從基礎著手探究其設計理論、研究力學模型以及完善結構分析模型。本文簡要介紹該幕墻系統設計解決問題的思路及一些注意事項,為同類型的幕墻設計提供一些參考。通過本案例設計研究過程說明,規范中許多條文的制定是有一定的適用范圍的。在實際應用過程中,我們應該根據實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,面材與支撐結構整體建模分析是有必要的,對于柔性索結構幕墻來說,整體建模分析可以發現分離建模中被忽略的情況,從而使幕墻結構更加合理和安全。

  關鍵詞: 單索幕墻,全玻,預應力撓度,ansys

  引言:隨著玻璃幕墻的大量應用,在現代中國建筑市場,隨著更多國外建筑師的加入,建筑設計越來越個性化、多樣化。隨著這些多樣化的建筑設計出現,對建筑幕墻的設計業提出了更多的要求,帶來了更多的挑戰。在望京保利國際廣場工程中,建筑設計方就提出了一種全新形式的--單索單玻索結構支撐幕墻。該幕墻系統區別于當前已經出現和應用的單索支撐幕墻、索網幕墻、肋支承玻璃幕墻。現有的這些玻璃幕墻的設計思路、力學模型等已經不能用于該系統設計,強行套用會理論和設計將會有較大背離,導致工程留有隱患。因此有必要從基礎著手探究其設計理論、研究力學模型以及完善結構分析模型。本文簡要介紹該幕墻系統設計解決問題的思路及一些注意事項,為同類型的幕墻設計提供一些參考。

  一、單索單玻玻璃幕墻系統簡介

  望京保利國際廣場建筑師為 SOM,整個建筑設計恢弘大氣,極具現代感。為了配合建筑的品味,建筑師在首層開創性的設計了通高整片玻璃配單索的新型結構的玻璃幕墻。(圖一,圖二)

  二、相關幕墻系統簡析與對比

  常見的索結構幕墻分為單索和索網兩種結構。單索結構幕墻一般應用較少,典型應用為梅蘭芳大劇院(圖 3);索網結構幕墻應用比較多,比如中國青年旅行社大樓,中國石油大廈等工程(圖 4)。

圖 3

圖 4

  可以看出單索幕墻是從索網幕墻演化取消了橫向聯系索而來。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),其區別是支撐結構的形式不同,由剛性玻璃肋換成柔性的拉索

圖 6

  三、系統分析及需要解決的問題

  (1) 撓度匹配問題

  目前,國內還沒有規范針對預應力索網(單索)幕墻的設計規范,沒有撓度控制的相關規定(目前新版《玻璃幕墻工程技術規范(送審稿)》有建議不大于1/45L)。見于國內外文獻中,關于拉索幕墻的結構撓度限值一般為 1/30L~1/50L。究其原因是當撓度控制要求小于 1/50L,索的計算軸拉力會成非線性的急劇增大,因而索體及支撐索體的主體結構(詞條“主體結構”由行業大百科提供)成本會急劇上升。在目前情況下,國內單索工程常從嚴控制選取 1/50L 作為撓度限值。有前述分析可知,索結構是玻璃的支撐結構,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,《玻璃幕墻工程技術規范 2003 版》中 6.1.3.3 條、7.2.3 條、8.1.5.3 條對各種形式的玻璃規定的撓度限制均為支撐間距的 1/60。(需要注意的是,對這些條文的規定直接套用在本案例中會導致錯誤的結果,這些在后續章節會加以分析說明)即面板(詞條“面板”由行業大百科提供)與支撐結構同步變形,但是支承結構(詞條“支承結構”由行業大百科提供)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構的撓度控制要求至 1/60L。經過測算,索體直截面積需要增加 60%,對結構的反力也增加了 78%。已經超出結構的設計承載力,因此除索結構本身成本增加約 78%外,整個結構加固成本已經業主可以接受的范圍。二是降低玻璃面板撓度控制要求至 1/50L。最終,綜合建筑師、業主、材料供應方意見,結合理論分析,玻璃撓度按 1/50L 可以滿足本工程的安全性。應該說本案例的實施是對玻璃應用的一個突破,單屬于特殊工程的一個特殊樣本,是特殊案例下安全性、使用性能和成本達成的一個平衡,不具備推廣性,但對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

  本案例結構模型可簡化為圖 8 所示。拉索頂部設計有張力保持機構,下端鉸接;玻璃上端吊掛,下端入槽。很顯然在荷載作用下,產生水平位移的同時還會產生拉索和玻璃還會產生一個軸向位移。經過分析,本案例中索最大軸向變形出現在拉索的與張力保持機構連接端;玻璃最大軸向變形出現在下端入槽位置。此位移至可以用最終有限元分析結果中取得。在拉索選型基本確定后可以通過下列方式得到一個初步的軸向位移值。

  拉索端軸向位移計算:

  假設:所選拉索最小破斷力為 T、面積為 S、 拉索長度為 L、彈性模量為常數 E,張力保持器倔強系數 K。索端最大位移△l 計算如下,

  △l=K*(0.5T-0.2T)

  本案例為約為 16mm

  玻璃下端位移:

  假設玻璃面板在風荷載變形情況下,玻璃面板的總長度不變,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計成滑動連接(圖 9),允許位移的范圍設計為正負 20mm。玻璃面板與下端玻璃槽之間也存在位移,因此整個玻璃入槽深度也應加大,在產生位移后應該任然應該有足夠的入槽深度。

  (3) 拉索運動隨機性問題

  本案子中的拉索,每根拉索獨立工作,相互之間沒有關聯。每由于制造誤差、安裝誤差、不同的預應力等因素,每根索都有各自的受力狀態和規律運動。風荷也是載是一個動態荷載。因此二因素疊加,相鄰索的運動就是相對隨機的。由于相鄰索的運動的隨機性,玻璃就會存在扭曲變形的情況。我們認為,相鄰兩索一個正風壓(詞條“風壓”由行業大百科提供)變形達極限另一個負風壓變形達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極限,另一根回彈變形為 0 的位置。分析此彎扭狀態玻璃的應力分布,發現其最大應力小于玻璃許用強度。因未有相關資料文獻可供借鑒,此假設是基于我們的經驗判斷。另外玻璃應力分布分析任然采用的是靜態分析方法,我們認為是能夠滿足工程安全的。

  四、建模分析的誤區以及改進模型分析結果

  《玻璃幕墻工程技術規范(2003 版)》8.3.1 條“點支承玻璃幕墻的支承結構宜單獨進行計算,面板玻璃不易兼做支承結構的一部分”。這一條不能應用于本案例,否則會因錯誤的模型得出錯誤的結論。

  (1) 采用分離的模型分別對玻璃和拉索分析

  玻璃分析:

圖 10 玻璃分析模型

圖 11 玻璃撓度結果

圖 12 拉索獨立分析模型

圖 13 拉索內力分析結果

圖 14 拉索撓度分析結果

  顯而易見,這種分析模型偏離實際情況太多,導致結果與實際嚴重不符,所得結果異常偏小。而且這種脫離實際的分析結果掩蓋了玻璃實際出現的較大撓度變形,在邊口位置,因為沒有改善措施而導致設計失敗

  (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行結構分析。在 ANSYS 建模過程中,玻璃和拉索不直接建立物理練習,而是通過為一位耦合的方式將玻璃和拉索聯系起來。

圖 15 選擇分析區域

圖 16 撓度變形分析結果

圖 17 玻璃應力分析結果

  通過上述分析,可以很明顯的看出被錯誤模型掩蓋的一些風險暴露出來,玻璃變形是分離模型分析結果的 40 多倍,在一些局部區域出現了不規則扭曲,應力集中超玻璃自身強度的現象。本案例中,分離模型分析結果如果應用于工程將會留下巨大隱患。

  (3) 改進設計

  改進措施:

  1、改善門側玻璃扭曲狀況

  2、門側玻璃與門框之間采用柔性連接

  最終加強方案圖 18,玻璃與門框之間連接改用彈性墊塊嵌槽,以改善應力集中現象。

圖 18 優化設計方案

圖 19 優化設計方案位移分析結果

  從分析結果來看,門側玻璃的扭曲變形已經大大改善

圖 20 優化設計方案應力分析結果

  從分析結果來看,門側玻璃的應力集中現象也已經大大改善,已經小于玻璃的容許應力。

  在本案例中,通過不斷地調整試算,最終在門側選擇直徑為 40 的拉索,大面位置選擇直徑 24 的拉索,最終選擇的玻璃規格為 12T+1.52pvb+12T。

  結論

  通過本案例設計研究過程說明,規范中許多條文的制定是有一定的適用范圍的。在實際應用過程中,我們應該根據實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,面材與支撐結構整體建模分析是有必要的,對于柔性索結構幕墻來說,整體建模分析可以發現分離建模中被忽略的情況,從而使幕墻結構更加合理和安全。當然,本文講述的方法還存在一些缺點和不足,有待于我們在工作中繼續摸索和不斷完善。

  參考文獻

  [1] 張洪才. ANSYS 14.0 理論解析與工程應用實例[M].北京:機械工業出版社, 2013.01-01

  [2] 房貞政. 預應力結構理論與應用[M].北京:中國建筑工業出版社 2013.01-01

  [3] JGJ 102-2003,玻璃幕墻工程技術規范[M]

作者單位:中國建筑科學研究院

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