點支式玻璃幕墻建筑結構設計分析中的若干問題
發布時間：2010-01-14 共1頁
一、玻璃幕墻建筑結構的組成與類別
玻璃幕墻建筑結構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、走道欄板式整個建筑。
眾所周知玻璃是一種脆性材料，由于制成時不可避免的內在缺陷，強度較低。此外，因受生產工藝限制，其板厚和板面尺度也有限，故常需適當的結構體系作支承，才能形成予期的建筑。這一結構體系稱為玻璃幕墻建筑的支承結構，它與玻璃幕墻面共同組成玻璃幕墻建筑結構。
1.玻璃幕墻建筑結構的組成及基本要求
玻璃幕墻建筑的支承結構可以是由玻璃或鋁、鋼等金屬材料組成。因此可以說：玻璃幕墻建筑結構是由玻璃金屬材料，經過加工、連接和安裝組成的可獨立地承受各種可能荷載作用，并滿足各項預定功能要求的工程構筑物。通常，它包括玻璃面板、支承結構（含連接件）和基座（結構）等三部分。對于點支式玻璃建筑結構而言，連接件是指螺栓組件和支承裝置；基座是指玻璃幕墻建筑結構賴以坐落支承的部分。
玻璃幕墻建筑結構的板件、桿件、構件間的相互連接方法可有膠接、焊接和機械連接等，且其連接型式也多種多樣，無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，玻璃幕墻建筑結構是一種工程結構，它所承受的荷載作用，可能是由自然環境影響和人為作用引起的。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基本要求。當然，它作為玻璃幕墻建筑的外露結構，還應與建筑藝術美的要求相匹配。
2.玻璃幕墻建筑結構的類別
在結構設計中，必須首先選擇并確定結構的類別，并進而了解結構的性能和可能的荷載作用，才能正確地給出結構的計算模型和進行結構分析。對于玻璃幕墻建筑結構，可按以下條件劃分類別：按玻璃面板支承狀況分為：線支式結構和點支式結構；按玻璃面板是否作為該結構的必要受力部件分為：組合式結構和集合式結構。前者玻璃面板與其它板件共同組成統一的結構體系，并相互依存不可缺，否則結構失效；后者，一般視玻璃面板為其附屬結構，支承結構（包括基座）為其基本結構，二者相對獨立。
按支承結構剛勁性分為：剛性支承結構（如梁、剛架、桁架、網架等）和柔性支承結構（如張拉索桿結構等）。前者組成結構的基本構件，均為剛性桿件；后者組成結構的相當多的基本構件不是剛性，而是僅能承受拉力的柔性桿件。
二、張拉索桿結構體系的組成及其布置
1.什么是張拉索桿結構
張拉索桿結構是指由柔性張拉索（或鏈桿，下同）及剛性撐桿組成的結構。它在設計、施工和使用過程中柔性索必須具有足夠和適當的張拉力。
柔性索僅具有抗拉剛度（EA），當無張拉時其抗壓等剛度很小，在結構承受荷載中無貢獻或可忽略。必須對它們進行張拉，使之具有足夠的張力，才能組成結構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，足以承受相應的拉、壓、彎曲等作用而不喪失其承載力。
2.張拉索桿結構體系的組成
這種結構體系通常由張拉索桿基本結構組件和支座（結構）組成，必要時需設置平衡重力性索和保證結構體系的穩定性索。其張拉索桿基本結構組件可以平衡的或非自平衡的，后者的張拉索端部分的張力需由其支座（結構）平衡。
3.張拉索桿結構體系的分類與布置
張拉索桿結構的體系，按其受力工作狀況，可分為單向受力體系和雙向受力體系：
單向受力體系是由單一方向布置的若干張拉索桿基本結構組件和必要的重力與穩定性索（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構組件和必要時的一些重力與穩定性索（或桿件）組成。其交叉與布置，常根據建筑及結構設計要求確定，可以是正交正放，正交斜放或斜交放置等。
4.主受力索，重力性索與穩定性索的作用和張力要求
主受力索――是張拉索桿結構體系中基本結構組件的主受拉力元件，應始終具有足夠而適當的初張拉力，使之不退出工作和被拉斷。
重力性索――為改善張拉索基本結構組件的受力，用以平衡重力性荷載而設置的拉索。一般平行于玻璃板面的重力方向布置，可不需要太的初張力，但應張緊，并足以承受其重力荷載。
穩定性索――為保證張拉索桿結構體系中的基本結構組件及其某些撐桿平面外的穩定性和減少可能的風振而設置的索，也常用它保證玻璃幕墻結構體系中某些剛性構件的平面外穩定性。這種索的初張力雖不需很，但索的張力設計，必須給上述被穩定構件以足夠的側向支承力，以保證其不發生側向失穩。
三、張拉索桿基本結構組件的幾種常見形式
張拉索桿結構體系中常見的張拉索桿基本結構組件形式有：自平衡式和非自平衡式兩類。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（結構）上，借助支座對索施加張拉，因此僅靠組件自身各索桿間的作用，不能形成內力的完全平衡。張拉索桿基本結構組件索的外形點跡有拋物線形和折線形，在均布荷載下前者較后者合理。
四、張拉索桿基本結構組件的若干力學特性
1.張拉索應始終處于張力正定狀態。研究分析表明，此時各桿（包括索）均對結構剛度及承載力有貢獻，否則其結構剛度將極降低，甚至其承載力喪失。
2.組件的幾何特性隨其所受荷載而有較改變，屬于幾何易變形性（柔性）結構。它與幾何可變形性（勁性）結構或不變形性（剛體）結構體系的分析方法有所不同。一般宜采用二階分析方法。
它是由高強鋼絲繩（絞線）經張拉形成的柔性結構，故結構的工作性能對設計、施工缺陷的敏感性較，其中主要有：受力分析及荷載組合時，因采用線性方法，使內力的計算不準；體系剛度及承載力，因張力索的張力不足或松馳退出工作時，呈現的非線性或跳躍性退化或喪失；溫度的升或降，使張力索松馳或超張；正確施加和監控索的張力較困難；高張力索桿的缺口應力集中，引起的高強鋼索應力腐蝕；塑性及韌性差的超強度鋼材的應用；自平衡組件中縱向主撐桿的復雜受力；高強鋼索及其連接，因材料、構造和工藝性緣故，存在的類裂紋性缺陷等。
五、張拉索桿結構體系設計中的若干問題
體系的選擇單向受力體系的布置、索張力施加和控制相對比較簡單，受力明確。當其為單跨為，可不受支座剛度影響；但當為多跨連續時，支座的壓縮剛度對結構內力和變形有相當的影響。常為不太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，受力復雜。但在相同建筑面積空間及荷載情況下索的張力較小，且常可省去一些重力性索和穩定性索。故相對較省鋼，而為較建筑面積空間及荷載情況下采用。
體系的布置單向受力體系布置中，常需設重力性索，必要時應布置穩定性索。
雙向受力體系布置中，多在短向布置主受力基本結構組件，長向布置輔受力基本結構組件的單元，二者的橫向撐桿常共用。當輔受力基本結構組件的某些索元與重力性索位置一致時，二者可合而為一。平面自平衡基本結構組件及平面鋼桁架常作為單向受力體系的中間支座，此時應考慮其平面外穩定性的保證和必要的止失穩元件的設置。
荷載、作用值及其可能組合對于張拉索桿這種柔性結構，理應采用非線性二階分析方法進行結構計算，其荷載作用也應先組合，后逐級施加，但在實際中很難實施。一些研究分析表明：對于一般不的張拉索桿結構，如具有適當的初張力時，可以按一階分析，荷載作用采用線性組合，構件計算中考慮二階效應。這樣引起的誤差不會很。
活載，風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的選擇，應按現行《建筑結構荷載規范》執行。考慮到尚無數十甚至千百年一遇的風載同時發生地震的歷史記載，而且二者的峰值又都是瞬間一過性的作用，玻璃幕墻建筑結構的自重又不很，故對這種結構而言，風載作為第一可變荷載與地震作用組合似不必要。當然設防烈度下的地震作用與可能的風載組合是應該的。 張拉索初始張拉應力值的選定與最小值的控制
張拉索桿結構同其它結構的根本區別在于其受拉桿件應始終處于張拉狀態，即必須保持其內力是正定性。一旦呈現非正定時，結構剛度將極降低或承載力喪失。而保持張拉桿受力正定性的關鍵是正確地設定其初張力值。初張力值設置過小，不利荷載作用下，一些張拉桿將因其內力減小為零（負）而退出工作，致使結構性能退化；如果初張力值設置過，不利荷載作用下，某些張拉桿將因其強度不足而破斷，致使結構毀壞；如其截面設計過，不利荷載作用下，這些張拉桿雖不會因其強度不足而破斷，但卻材料增多，索直徑粗影響結構的輕盈通透性。對于結構組件，當作為玻璃幕墻結構，可能承受正、反兩方向荷載時，其主張拉索桿的初張應力值σ0的范圍可按以下建議設置：
對于普通強度不銹鋼材，當以其抗拉屈服強度設計值fd考慮時，設為：25%≤σ0/fd≤50% （1） 對于高強度鋼材，當以材料抗拉極限強度設計值考慮時，如取其設計值為：fd≤0.45fu，將其代入式（1）取整則有：12%≤σ0/fd≤22% （2） 需要指出的是，初張力對張拉索結構是必須的，且隨其值的增，組件剛度也有提高，但提高有限，不如增張拉索的面積有效。
至于重力性索的初張力可不必施加過，σ0/fd≈10%；穩定性索的初張力，則應根據被保證構件穩定性需要的支撐力，參考有關資料確定。
六、關于基本結構組件的抗彎剛度及撓度控制與要求
對于張拉索桿結構體系的一些常用的基本結構組件，一般地說，其抗彎剛度取決于組件的幾何形式、矢高、矢跨比、張拉索桿的堆面積和張拉索的初張應力。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腹形，直索形最差。同一種組件其本身的幾何構成對于其抗彎剛度也有不小影響。張拉索的初張應力對其抗彎剛度雖有不可忽略的影響，但當張拉足夠緊后，張拉索張力的增加對其抗彎剛度的貢獻很有限，如欲提高其抗彎剛度，需要增拉索截面積或調整組件的幾何形式和尺寸。
在實際工程中對于張拉索桿結構體系的撓度控制十分必要，它對防止玻璃幕墻結構不必要振動、玻璃擠壓破壞等有重要的意義。要求過嚴，實際工程很難達到，也不一定需要；要求太松，又可能出現工程損害，具體指標尚待研究。
七、關于有孔玻璃面板的承載力計算
1.集合式結構體系中的玻璃強度計算
前已指出：集合式結構中的玻璃是體系中的附屬性結構，其受力相對獨立，不受其支承（基本）結構的影響。在垂直于玻璃面板均布荷載，如風等的作用下，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小的隨機性尚不清楚；點支式有孔玻璃板孔邊應力集中，因受連接組件、板厚度及其孔的幾何特性等影響，故其應力和強度的嚴格計算有待深入研究。一些研究表明：點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始發生；點支處承載力與玻璃板厚度、孔徑及其連接組件的結構構造和材料等因素有關，當這些因素有較好匹配時，此承載力可能比相應均布荷載下玻璃板面的抗彎強度高，否則較低。有鑒于此，對于有孔玻璃面板的承載力計算，一般可分別計算其玻璃板面的抗彎強度和點支處節點承載力，并取二者中的較低者，以保證安全。
玻璃幕墻建筑結構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、走道欄板式整個建筑。
眾所周知玻璃是一種脆性材料，由于制成時不可避免的內在缺陷，強度較低。此外，因受生產工藝限制，其板厚和板面尺度也有限，故常需適當的結構體系作支承，才能形成予期的建筑。這一結構體系稱為玻璃幕墻建筑的支承結構，它與玻璃幕墻面共同組成玻璃幕墻建筑結構。
1.玻璃幕墻建筑結構的組成及基本要求
玻璃幕墻建筑的支承結構可以是由玻璃或鋁、鋼等金屬材料組成。因此可以說：玻璃幕墻建筑結構是由玻璃金屬材料，經過加工、連接和安裝組成的可獨立地承受各種可能荷載作用，并滿足各項預定功能要求的工程構筑物。通常，它包括玻璃面板、支承結構（含連接件）和基座（結構）等三部分。對于點支式玻璃建筑結構而言，連接件是指螺栓組件和支承裝置；基座是指玻璃幕墻建筑結構賴以坐落支承的部分。
玻璃幕墻建筑結構的板件、桿件、構件間的相互連接方法可有膠接、焊接和機械連接等，且其連接型式也多種多樣，無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，玻璃幕墻建筑結構是一種工程結構，它所承受的荷載作用，可能是由自然環境影響和人為作用引起的。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基本要求。當然，它作為玻璃幕墻建筑的外露結構，還應與建筑藝術美的要求相匹配。
2.玻璃幕墻建筑結構的類別
在結構設計中，必須首先選擇并確定結構的類別，并進而了解結構的性能和可能的荷載作用，才能正確地給出結構的計算模型和進行結構分析。對于玻璃幕墻建筑結構，可按以下條件劃分類別：按玻璃面板支承狀況分為：線支式結構和點支式結構；按玻璃面板是否作為該結構的必要受力部件分為：組合式結構和集合式結構。前者玻璃面板與其它板件共同組成統一的結構體系，并相互依存不可缺，否則結構失效；后者，一般視玻璃面板為其附屬結構，支承結構（包括基座）為其基本結構，二者相對獨立。
按支承結構剛勁性分為：剛性支承結構（如梁、剛架、桁架、網架等）和柔性支承結構（如張拉索桿結構等）。前者組成結構的基本構件，均為剛性桿件；后者組成結構的相當多的基本構件不是剛性，而是僅能承受拉力的柔性桿件。
二、張拉索桿結構體系的組成及其布置
1.什么是張拉索桿結構
張拉索桿結構是指由柔性張拉索（或鏈桿，下同）及剛性撐桿組成的結構。它在設計、施工和使用過程中柔性索必須具有足夠和適當的張拉力。
柔性索僅具有抗拉剛度（EA），當無張拉時其抗壓等剛度很小，在結構承受荷載中無貢獻或可忽略。必須對它們進行張拉，使之具有足夠的張力，才能組成結構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，足以承受相應的拉、壓、彎曲等作用而不喪失其承載力。
2.張拉索桿結構體系的組成
這種結構體系通常由張拉索桿基本結構組件和支座（結構）組成，必要時需設置平衡重力性索和保證結構體系的穩定性索。其張拉索桿基本結構組件可以平衡的或非自平衡的，后者的張拉索端部分的張力需由其支座（結構）平衡。
3.張拉索桿結構體系的分類與布置
張拉索桿結構的體系，按其受力工作狀況，可分為單向受力體系和雙向受力體系：
單向受力體系是由單一方向布置的若干張拉索桿基本結構組件和必要的重力與穩定性索（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構組件和必要時的一些重力與穩定性索（或桿件）組成。其交叉與布置，常根據建筑及結構設計要求確定，可以是正交正放，正交斜放或斜交放置等。
4.主受力索，重力性索與穩定性索的作用和張力要求
主受力索――是張拉索桿結構體系中基本結構組件的主受拉力元件，應始終具有足夠而適當的初張拉力，使之不退出工作和被拉斷。
重力性索――為改善張拉索基本結構組件的受力，用以平衡重力性荷載而設置的拉索。一般平行于玻璃板面的重力方向布置，可不需要太的初張力，但應張緊，并足以承受其重力荷載。
穩定性索――為保證張拉索桿結構體系中的基本結構組件及其某些撐桿平面外的穩定性和減少可能的風振而設置的索，也常用它保證玻璃幕墻結構體系中某些剛性構件的平面外穩定性。這種索的初張力雖不需很，但索的張力設計，必須給上述被穩定構件以足夠的側向支承力，以保證其不發生側向失穩。
三、張拉索桿基本結構組件的幾種常見形式
張拉索桿結構體系中常見的張拉索桿基本結構組件形式有：自平衡式和非自平衡式兩類。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（結構）上，借助支座對索施加張拉，因此僅靠組件自身各索桿間的作用，不能形成內力的完全平衡。張拉索桿基本結構組件索的外形點跡有拋物線形和折線形，在均布荷載下前者較后者合理。
四、張拉索桿基本結構組件的若干力學特性
1.張拉索應始終處于張力正定狀態。研究分析表明，此時各桿（包括索）均對結構剛度及承載力有貢獻，否則其結構剛度將極降低，甚至其承載力喪失。
2.組件的幾何特性隨其所受荷載而有較改變，屬于幾何易變形性（柔性）結構。它與幾何可變形性（勁性）結構或不變形性（剛體）結構體系的分析方法有所不同。一般宜采用二階分析方法。
它是由高強鋼絲繩（絞線）經張拉形成的柔性結構，故結構的工作性能對設計、施工缺陷的敏感性較，其中主要有：受力分析及荷載組合時，因采用線性方法，使內力的計算不準；體系剛度及承載力，因張力索的張力不足或松馳退出工作時，呈現的非線性或跳躍性退化或喪失；溫度的升或降，使張力索松馳或超張；正確施加和監控索的張力較困難；高張力索桿的缺口應力集中，引起的高強鋼索應力腐蝕；塑性及韌性差的超強度鋼材的應用；自平衡組件中縱向主撐桿的復雜受力；高強鋼索及其連接，因材料、構造和工藝性緣故，存在的類裂紋性缺陷等。
五、張拉索桿結構體系設計中的若干問題
體系的選擇單向受力體系的布置、索張力施加和控制相對比較簡單，受力明確。當其為單跨為，可不受支座剛度影響；但當為多跨連續時，支座的壓縮剛度對結構內力和變形有相當的影響。常為不太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，受力復雜。但在相同建筑面積空間及荷載情況下索的張力較小，且常可省去一些重力性索和穩定性索。故相對較省鋼，而為較建筑面積空間及荷載情況下采用。
體系的布置單向受力體系布置中，常需設重力性索，必要時應布置穩定性索。
雙向受力體系布置中，多在短向布置主受力基本結構組件，長向布置輔受力基本結構組件的單元，二者的橫向撐桿常共用。當輔受力基本結構組件的某些索元與重力性索位置一致時，二者可合而為一。平面自平衡基本結構組件及平面鋼桁架常作為單向受力體系的中間支座，此時應考慮其平面外穩定性的保證和必要的止失穩元件的設置。
荷載、作用值及其可能組合對于張拉索桿這種柔性結構，理應采用非線性二階分析方法進行結構計算，其荷載作用也應先組合，后逐級施加，但在實際中很難實施。一些研究分析表明：對于一般不的張拉索桿結構，如具有適當的初張力時，可以按一階分析，荷載作用采用線性組合，構件計算中考慮二階效應。這樣引起的誤差不會很。
活載，風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的選擇，應按現行《建筑結構荷載規范》執行。考慮到尚無數十甚至千百年一遇的風載同時發生地震的歷史記載，而且二者的峰值又都是瞬間一過性的作用，玻璃幕墻建筑結構的自重又不很，故對這種結構而言，風載作為第一可變荷載與地震作用組合似不必要。當然設防烈度下的地震作用與可能的風載組合是應該的。 張拉索初始張拉應力值的選定與最小值的控制
張拉索桿結構同其它結構的根本區別在于其受拉桿件應始終處于張拉狀態，即必須保持其內力是正定性。一旦呈現非正定時，結構剛度將極降低或承載力喪失。而保持張拉桿受力正定性的關鍵是正確地設定其初張力值。初張力值設置過小，不利荷載作用下，一些張拉桿將因其內力減小為零（負）而退出工作，致使結構性能退化；如果初張力值設置過，不利荷載作用下，某些張拉桿將因其強度不足而破斷，致使結構毀壞；如其截面設計過，不利荷載作用下，這些張拉桿雖不會因其強度不足而破斷，但卻材料增多，索直徑粗影響結構的輕盈通透性。對于結構組件，當作為玻璃幕墻結構，可能承受正、反兩方向荷載時，其主張拉索桿的初張應力值σ0的范圍可按以下建議設置：
對于普通強度不銹鋼材，當以其抗拉屈服強度設計值fd考慮時，設為：25%≤σ0/fd≤50% （1） 對于高強度鋼材，當以材料抗拉極限強度設計值考慮時，如取其設計值為：fd≤0.45fu，將其代入式（1）取整則有：12%≤σ0/fd≤22% （2） 需要指出的是，初張力對張拉索結構是必須的，且隨其值的增，組件剛度也有提高，但提高有限，不如增張拉索的面積有效。
至于重力性索的初張力可不必施加過，σ0/fd≈10%；穩定性索的初張力，則應根據被保證構件穩定性需要的支撐力，參考有關資料確定。
六、關于基本結構組件的抗彎剛度及撓度控制與要求
對于張拉索桿結構體系的一些常用的基本結構組件，一般地說，其抗彎剛度取決于組件的幾何形式、矢高、矢跨比、張拉索桿的堆面積和張拉索的初張應力。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腹形，直索形最差。同一種組件其本身的幾何構成對于其抗彎剛度也有不小影響。張拉索的初張應力對其抗彎剛度雖有不可忽略的影響，但當張拉足夠緊后，張拉索張力的增加對其抗彎剛度的貢獻很有限，如欲提高其抗彎剛度，需要增拉索截面積或調整組件的幾何形式和尺寸。
在實際工程中對于張拉索桿結構體系的撓度控制十分必要，它對防止玻璃幕墻結構不必要振動、玻璃擠壓破壞等有重要的意義。要求過嚴，實際工程很難達到，也不一定需要；要求太松，又可能出現工程損害，具體指標尚待研究。
七、關于有孔玻璃面板的承載力計算
1.集合式結構體系中的玻璃強度計算
前已指出：集合式結構中的玻璃是體系中的附屬性結構，其受力相對獨立，不受其支承（基本）結構的影響。在垂直于玻璃面板均布荷載，如風等的作用下，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小的隨機性尚不清楚；點支式有孔玻璃板孔邊應力集中，因受連接組件、板厚度及其孔的幾何特性等影響，故其應力和強度的嚴格計算有待深入研究。一些研究表明：點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始發生；點支處承載力與玻璃板厚度、孔徑及其連接組件的結構構造和材料等因素有關，當這些因素有較好匹配時，此承載力可能比相應均布荷載下玻璃板面的抗彎強度高，否則較低。有鑒于此，對于有孔玻璃面板的承載力計算，一般可分別計算其玻璃板面的抗彎強度和點支處節點承載力，并取二者中的較低者，以保證安全。
