1、引言
玻璃幕墻索結(jié)構(gòu)是近年來在國內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的一種新型幕墻結(jié)構(gòu)型式。這種玻璃幕墻給人們帶來輕盈通透的視覺，特別適用于大型機場航站樓、會展中心、體育館、城市綜合體、超高層等公共建筑中。眾所周知，索結(jié)構(gòu)承擔(dān)玻璃幕墻的抗風(fēng)支承結(jié)構(gòu)的主要功能。它是一種特殊的結(jié)構(gòu)，由于它的平面外剛度較差，風(fēng)荷載（詞條“風(fēng)荷載”由行業(yè)大百科提供）作用下會產(chǎn)生大撓度（詞條“撓度”由行業(yè)大百科提供）變形，表現(xiàn)出較明顯的幾何非線性特征。這種幕墻新結(jié)構(gòu)體系以其特有的簡潔美觀、構(gòu)造簡單、施工方便、成本低廉、不占室內(nèi)空間等眾多優(yōu)點而倍受業(yè)內(nèi)外人士的青睞。由于玻璃幕墻索結(jié)構(gòu)僅僅是主體建筑的外圍護結(jié)構(gòu)，只有依賴主體結(jié)構(gòu)具備邊界條件作為索結(jié)構(gòu)的支承關(guān)系才能成立，在外荷載作用下，索的拉力非常大，給主體結(jié)構(gòu)帶來較大的不利作用。這種由圍護結(jié)構(gòu)分體系和主體建筑總結(jié)構(gòu)體系的相互關(guān)系復(fù)雜，必須依靠結(jié)構(gòu)設(shè)計師運用結(jié)構(gòu)概念設(shè)計知識來作結(jié)構(gòu)設(shè)計合理判斷。所謂概念設(shè)計一般指不經(jīng)詳細計算，尤其在一些難以作出精確理性分析或在規(guī)范中難以規(guī)定的問題中，依據(jù)主體結(jié)構(gòu)體系和幕墻索結(jié)構(gòu)體系之間的力學(xué)關(guān)系、結(jié)構(gòu)破壞機理、和工程經(jīng)驗所獲得的基本設(shè)計原則和設(shè)計思想，從整體的角度來確定幕墻結(jié)構(gòu)的總體布置和細部構(gòu)造措施的宏觀控制。
2、索結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計分析
2.1、索結(jié)構(gòu)力學(xué)原理
索結(jié)構(gòu)抗風(fēng)的力學(xué)原理和特點，可以用直線拉索抗風(fēng)的力學(xué)原理和特點來代表。眾所周知，直線拉索施加了一定的預(yù)拉力后，就具備了一定的側(cè)向剛度，但這種剛度是很差的，風(fēng)荷作用下會產(chǎn)生大撓度變形，如圖1所示。
圖1 拉索抗風(fēng)力學(xué)原理
索撓度f與索截面A，索拉力H外荷載qw之間均為非線性相關(guān)，必須用非線性理論進行計算分析。將直線拉索與常規(guī)的梁式結(jié)構(gòu)作一比較，梁的抗風(fēng)能力是由梁的截面彎矩M，剪力Q和支座反力R提供的，如圖2所示。
圖2簡支粱力學(xué)原理
當(dāng)外荷載和梁的跨度確定后，這些M、Q、R也都確定了。當(dāng)需要調(diào)整截面尺寸時，只有梁的撓度f發(fā)生變化，而這些內(nèi)力參數(shù)是不會改變的，梁的強度控制和撓度控制可以獨立進行。對直線拉索來說，其抗風(fēng)能力是由索拉力N，撓度f,支座反力H、R等提供的，當(dāng)荷載和跨度確定后，索拉力N、撓度f和索截面積A之間都是可變的，沒有固定的關(guān)系，可以作出多種不同組合的設(shè)計。現(xiàn)仍以圖1為例，對有關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系作一分析。拉索承受風(fēng)荷qw后，跨中彎矩
，跨中撓度為f，支座水平反力為H。由靜力平衡原理可知，
。當(dāng)外荷qw和跨度L確定后
， 是一個常數(shù)，即Hf=常數(shù)，所以f越大H就越小。而支座反力H=Ho+Hq，其中預(yù)拉力Ho是可以人為調(diào)控的。通過調(diào)控Ho也就使得撓度f得到了調(diào)控。加大預(yù)拉力，可使f減小，但索的內(nèi)力增大了。Hq是索從直線狀態(tài)變?yōu)橛袚隙萬的曲線狀態(tài)時，索彈性（詞條“彈性”由行業(yè)大百科提供）伸長產(chǎn)生的索力增量對支座的水平作用力。索的截面越大Hq就越大，Ho可越小，當(dāng)索截面加大到一定程度時，索中可以不加預(yù)拉力Ho就可滿足拉索的抗風(fēng)要求，但這樣的設(shè)計索截面太大，經(jīng)濟上不合理。當(dāng)荷載和跨度確定后，處理好索截面、預(yù)拉力和撓度這三者之間的關(guān)系，索結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要任務(wù)。
2.2、 索結(jié)構(gòu)受力特點
1)、直線拉索承受風(fēng)荷后，必然產(chǎn)生撓度，只有撓曲后的索才能將風(fēng)荷向支座傳遞，撓度越大，抗風(fēng)的能力越強。限制拉索的撓度，就是限制了索的抗風(fēng)能力，所以拉索產(chǎn)生撓度是索具（詞條“索具”由行業(yè)大百科提供）備抗風(fēng)能力的必要條件，這是直線拉索和平面索網(wǎng)抗風(fēng)有別于其它結(jié)構(gòu)的一個顯著特點。
2)、拉索抗風(fēng)前應(yīng)施加一定的預(yù)拉力，預(yù)拉力越大，撓度反應(yīng)越小，剛度越好，但索的總拉力也增大了，索本身的強度安全系數(shù)下降了，施工的難度增加了，周邊支承結(jié)構(gòu)的負擔(dān)也加重了，所以預(yù)拉力又不應(yīng)加得太大。如果索拉力太大，索本身的強度安全系數(shù)已不能滿足安全要求，只有增大索截面才行。
3)、設(shè)計、施工中往往需要調(diào)整截面，一般認為以大代小總是安全的，這對常規(guī)結(jié)構(gòu)可以，對索結(jié)構(gòu)則不一定安全，因為索斷面增大后，撓度反應(yīng)減小，索力增大，周邊結(jié)構(gòu)的安全就可能受到威脅，所以調(diào)整截面后必須重新分析。
4)、常規(guī)結(jié)構(gòu)的有關(guān)規(guī)范，從使用角度出發(fā)，都是限制結(jié)構(gòu)變形的，因為這樣的限制不會影響結(jié)構(gòu)承載能力的發(fā)揮，但對直線拉索來說，則必須允許產(chǎn)生大撓度變形，只有產(chǎn)生了大變形，才會產(chǎn)生抗風(fēng)能力，才會收到好的抗風(fēng)效果，
5)、直線索結(jié)構(gòu)只能承受拉力，不能承受壓力和剪力，只有允許索結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大幾何變形才能具備抗風(fēng)的能力。控制預(yù)拉力大小是影響索結(jié)構(gòu)抗風(fēng)能力和經(jīng)濟效果的關(guān)鍵因素。
3、 索結(jié)構(gòu)概念設(shè)計要點
筆者通過多年來的工程實踐，總結(jié)出玻璃幕墻索結(jié)構(gòu)在設(shè)計過程中要注意如下要點：
3.1、幕墻索結(jié)構(gòu)設(shè)計成立的必要條件就是其邊界結(jié)構(gòu)，由索結(jié)構(gòu)的力學(xué)原理分析可以看出，索結(jié)構(gòu)在受力狀態(tài)下，其對支座的反力比常規(guī)設(shè)計下的梁結(jié)構(gòu)大很多倍，因此邊界結(jié)構(gòu)設(shè)計非常重要。若是主體結(jié)構(gòu)除了承受自身荷載外，還要額外承擔(dān)幕墻索結(jié)構(gòu)傳遞來的巨大拉力。
3.2、主體結(jié)構(gòu)若無邊界條件，必須另外設(shè)計邊界結(jié)構(gòu)創(chuàng)造條件來實現(xiàn)索結(jié)構(gòu)的支承目的。這里要注意新的邊界結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)關(guān)系互相適應(yīng)。
3.3、直線索結(jié)構(gòu)宜設(shè)計成單層索網(wǎng)，若不具備條件，由于單向單索結(jié)構(gòu)體系跨中方向變形很大，宜在兩側(cè)幕墻端部設(shè)置伸縮縫或適應(yīng)變形構(gòu)造設(shè)計。
3.4、索結(jié)構(gòu)的預(yù)拉力不宜過大，按照《索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，單索結(jié)構(gòu)最大撓度與其短邊跨度之比不得大于 1/45，索桁架最大撓度與跨度之比不得大于 1/200。
3.5、索結(jié)構(gòu)應(yīng)分別進行初始預(yù)拉力和荷載作用下計算分析。由于單索結(jié)構(gòu)的荷載作用與效應(yīng)呈非線性關(guān)系，因此其計算應(yīng)考慮幾何非線性影響。
3.6、基于索結(jié)構(gòu)對支承結(jié)構(gòu)的變形敏感，支承結(jié)構(gòu)變形對索的預(yù)拉力影響較大，因此建議有條件時將索結(jié)構(gòu)和邊界結(jié)構(gòu)一起計算。在施工張拉期間，應(yīng)考慮索結(jié)構(gòu)張拉順序計算互為影響，并且需做施工張拉模擬分析。
3.7、斜面幕墻不宜設(shè)計單索結(jié)構(gòu)，必須設(shè)計的話，建議設(shè)計單層平面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造設(shè)計應(yīng)考慮消除索結(jié)構(gòu)在幕墻自重作用下變形影響。
3.8、索結(jié)構(gòu)穿過主體結(jié)構(gòu)要考慮與主體結(jié)構(gòu)實際受力傳遞關(guān)系，其節(jié)點構(gòu)造要分別滿足主體結(jié)構(gòu)支承作用和變形影響。
3.9、索結(jié)構(gòu)的兩端與邊界結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造設(shè)計應(yīng)考慮方便預(yù)拉力調(diào)節(jié)和測量。
3.10、為防止意外偶然因素影響，可以考慮設(shè)計彈簧裝置作為索結(jié)構(gòu)的保險作用(如圖3)，該彈簧裝置可以根據(jù)建筑效果需要設(shè)計在上方還是下方，是外露還是隱藏式(注意圖中僅示意，水平方向設(shè)置可以參考豎向)。
圖3
3.11、索結(jié)構(gòu)不宜跨越建筑伸縮縫，若由于設(shè)計需要必須跨越的話，應(yīng)該充分計算主體結(jié)構(gòu)伸縮變形對索結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響，其節(jié)點構(gòu)造也必須考慮適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)變形。
3.12、要認真重視多家單位設(shè)計關(guān)系，索結(jié)構(gòu)和邊界結(jié)構(gòu)設(shè)計往往是兩家單位，更有甚者會存在多家單位設(shè)計，這時候必須主動和其他單位緊密協(xié)調(diào)，把索結(jié)構(gòu)支座反力準(zhǔn)確無誤傳遞給其他結(jié)構(gòu)設(shè)計單位。并且還要考慮其他設(shè)計單位設(shè)計的邊界結(jié)構(gòu)變形給索結(jié)構(gòu)帶來不利影響。一般來說，由主體設(shè)計把兩個結(jié)構(gòu)體系放在一個結(jié)構(gòu)模型共同計算，考慮了互為影響，其計算結(jié)果準(zhǔn)確度高。為消除各自結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮不周留下安全隱患打下了良好基礎(chǔ)。
3.13、在建筑主要立面出人口設(shè)計索結(jié)構(gòu)玻璃（詞條“結(jié)構(gòu)玻璃”由行業(yè)大百科提供）幕墻時，其豎向索結(jié)構(gòu)下端支承在門斗或雨棚結(jié)構(gòu)上，支承結(jié)構(gòu)要考慮索結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大拉力和風(fēng)方向水平力，必要時把此結(jié)構(gòu)和索結(jié)構(gòu)建立統(tǒng)一模型共同計算。
4、結(jié)語
結(jié)構(gòu)設(shè)計不是規(guī)范加計算，同樣索結(jié)構(gòu)計算也是如此。一些人認為“只要計算機算出來結(jié)果能滿足規(guī)范要求，就算設(shè)計成功”是錯誤的。有經(jīng)驗的結(jié)構(gòu)設(shè)計師往往不需先計算，就能根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)和圍護結(jié)構(gòu)關(guān)系來構(gòu)思和判斷整個結(jié)構(gòu)體系的安全性合理性，從而明確總結(jié)構(gòu)體系和分結(jié)構(gòu)體系之間最佳受力要求。特別是在方案設(shè)計階段，能通過概念性近視計算或估算進行探索，優(yōu)化以致最后確定各分體系構(gòu)件的合理尺寸，并確定設(shè)計方案的可行性。在整個設(shè)計過程中，應(yīng)以正確的判斷力來把握設(shè)計。必須理解吃透規(guī)范條文，而不是生搬硬套，更不能盲目從一體化計算機設(shè)計和計算程序，任其隨意擺布。在玻璃幕墻索結(jié)構(gòu)設(shè)計中尤其如此。隨著大量場館建筑或超高層建筑層出不窮，大跨度公共建筑越來越多采用索結(jié)構(gòu)玻璃幕墻，為人們在不斷增加物質(zhì)文明同時也增添了不少精神文明的內(nèi)容。然而僅管索結(jié)構(gòu)的應(yīng)用優(yōu)勢明顯，由于玻璃幕墻索結(jié)構(gòu)必須依賴其邊界結(jié)構(gòu)的關(guān)系，若設(shè)計不當(dāng)則會產(chǎn)生許多負面影響，甚至導(dǎo)致設(shè)計安全事故。設(shè)計管理不到位導(dǎo)致在工程實踐中出現(xiàn)各種隱患已經(jīng)屢見不鮮。各單位間發(fā)生矛盾扯皮也影響施工工期，嚴(yán)重影響工程質(zhì)量，造成了不必要的經(jīng)濟損失甚至安全隱患。特別是對于大跨度的索結(jié)構(gòu)設(shè)計必須慎重。因此作為幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計師必須要掌握豐富踏實的整體結(jié)構(gòu)概念設(shè)計技能，理順主體結(jié)構(gòu)體系和和索結(jié)構(gòu)分體系的復(fù)雜關(guān)系。并且抱有對設(shè)計負有終身責(zé)任制的精神，充分認識索結(jié)構(gòu)概念設(shè)計特點，牢牢把控索結(jié)構(gòu)設(shè)計要點，緊密和主體結(jié)構(gòu)設(shè)計單位合作，保證玻璃幕墻索結(jié)構(gòu)設(shè)計安全可靠，經(jīng)濟合理、科學(xué)完美。
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