玻璃幕墙索结构概念设计分析及其要点

　　玻璃幕墙索结构是近年来在国内外应用较为广泛的一种新型幕墙结构型式。这种玻璃幕墙给人们带来轻盈通透的视觉，特别适用于大型机场航站楼、会展中心、体育馆、城市综合体、超高层等公共建筑中。众所周知，索结构承担玻璃幕墙的抗风支承结构的主要功能。它是一种特殊的结构，由于它的平面外刚度较差，风荷载作用下会产生大挠度变形，表现出较明显的几何非线性特征。这种幕墙新结构体系以其特有的简洁美观、构造简单、施工方便、成本低廉、不占室内空间等众多优点而倍受业内外人士的青睐。由于玻璃幕墙索结构仅仅是主体建筑的外围护结构，只有依赖主体结构具备边界条件作为索结构的支承关系才能成立，在外荷载作用下，索的拉力非常大，给主体结构带来较大的不利作用。这种由围护结构分体系和主体建筑总结构体系的相互关系复杂，必须依靠结构设计师运用结构概念设计知识来作结构设计合理判断。所谓概念设计一般指不经详细计算，尤其在一些难以作出精确理性分析或在规范中难以规定的问题中，依据主体结构体系和幕墙索结构体系之间的力学关系、结构破坏机理、和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想，从整体的角度来确定幕墙结构的总体布置和细部构造措施的宏观控制。

　　2、索结构的概念设计分析

　　2.1、索结构力学原理

　　索结构抗风的力学原理和特点，可以用直线拉索抗风的力学原理和特点来代表。众所周知，直线拉索施加了一定的预拉力后，就具备了一定的侧向刚度，但这种刚度是很差的，风荷作用下会产生大挠度变形，如图1所示。

　　索挠度f与索截面A，索拉力H外荷载qw之间均为非线性相关，必须用非线性理论进行计算分析。将直线拉索与常规的梁式结构作一比较，梁的抗风能力是由梁的截面弯矩M，剪力Q和支座反力R提供的，如图2所示。

当外荷载和梁的跨度确定后，这些M、Q、R也都确定了。当需要调整截面尺寸时，只有梁的挠度f发生变化，而这些内力参数是不会改变的，梁的强度控制和挠度控制可以独立进行。对直线拉索来说，其抗风能力是由索拉力N，挠度f,支座反力H、R等提供的，当荷载和跨度确定后，索拉力N、挠度f和索截面积A之间都是可变的，没有固定的关系，可以作出多种不同组合的设计。现仍以图1为例，对有关参数之间的关系作一分析。拉索承受风荷qw后，跨中弯矩

，跨中挠度为f，支座水平反力为H。由静力平衡原理可知，

。当外荷qw和跨度L确定后

， 是一个常数，即Hf=常数，所以f越大H就越小。而支座反力H=Ho+Hq，其中预拉力Ho是可以人为调控的。通过调控Ho也就使得挠度f得到了调控。加大预拉力，可使f减小，但索的内力增大了。Hq是索从直线状态变为有挠度f的曲线状态时，索弹性伸长产生的索力增量对支座的水平作用力。索的截面越大Hq就越大，Ho可越小，当索截面加大到一定程度时，索中可以不加预拉力Ho就可满足拉索的抗风要求，但这样的设计索截面太大，经济上不合理。当荷载和跨度确定后，处理好索截面、预拉力和挠度这三者之间的关系，索结构设计的重要任务。

　　2.2、 索结构受力特点

　　1)、直线拉索承受风荷后，必然产生挠度，只有挠曲后的索才能将风荷向支座传递，挠度越大，抗风的能力越强。限制拉索的挠度，就是限制了索的抗风能力，所以拉索产生挠度是索具备抗风能力的必要条件，这是直线拉索和平面索网抗风有别于其它结构的一个显著特点。

　　2)、拉索抗风前应施加一定的预拉力，预拉力越大，挠度反应越小，刚度越好，但索的总拉力也增大了，索本身的强度安全系数下降了，施工的难度增加了，周边支承结构的负担也加重了，所以预拉力又不应加得太大。如果索拉力太大，索本身的强度安全系数已不能满足安全要求，只有增大索截面才行。

　　3)、设计、施工中往往需要调整截面，一般认为以大代小总是安全的，这对常规结构可以，对索结构则不一定安全，因为索断面增大后，挠度反应减小，索力增大，周边结构的安全就可能受到威胁，所以调整截面后必须重新分析。

　　4)、常规结构的有关规范，从使用角度出发，都是限制结构变形的，因为这样的限制不会影响结构承载能力的发挥，但对直线拉索来说，则必须允许产生大挠度变形，只有产生了大变形，才会产生抗风能力，才会收到好的抗风效果，

　　5)、直线索结构只能承受拉力，不能承受压力和剪力，只有允许索结构产生较大几何变形才能具备抗风的能力。控制预拉力大小是影响索结构抗风能力和经济效果的关键因素。

　　3、 索结构概念设计要点

　　笔者通过多年来的工程实践，总结出玻璃幕墙索结构在设计过程中要注意如下要点：

　　3.1、幕墙索结构设计成立的必要条件就是其边界结构，由索结构的力学原理分析可以看出，索结构在受力状态下，其对支座的反力比常规设计下的梁结构大很多倍，因此边界结构设计非常重要。若是主体结构除了承受自身荷载外，还要额外承担幕墙索结构传递来的巨大拉力。

　　3.2、主体结构若无边界条件，必须另外设计边界结构创造条件来实现索结构的支承目的。这里要注意新的边界结构和主体结构关系互相适应。

　　3.3、直线索结构宜设计成单层索网，若不具备条件，由于单向单索结构体系跨中方向变形很大，宜在两侧幕墙端部设置伸缩缝或适应变形构造设计。

　　3.4、索结构的预拉力不宜过大，按照《索结构技术规程》规定，单索结构最大挠度与其短边跨度之比不得大于 1/45，索桁架最大挠度与跨度之比不得大于 1/200。

　　3.5、索结构应分别进行初始预拉力和荷载作用下计算分析。由于单索结构的荷载作用与效应呈非线性关系，因此其计算应考虑几何非线性影响。

　　3.6、基于索结构对支承结构的变形敏感，支承结构变形对索的预拉力影响较大，因此建议有条件时将索结构和边界结构一起计算。在施工张拉期间，应考虑索结构张拉顺序计算互为影响，并且需做施工张拉模拟分析。

　　3.7、斜面幕墙不宜设计单索结构，必须设计的话，建议设计单层平面索网结构，其构造设计应考虑消除索结构在幕墙自重作用下变形影响。

　　3.8、索结构穿过主体结构要考虑与主体结构实际受力传递关系，其节点构造要分别满足主体结构支承作用和变形影响。

　　3.9、索结构的两端与边界结构连接构造设计应考虑方便预拉力调节和测量。

　　3.10、为防止意外偶然因素影响，可以考虑设计弹簧装置作为索结构的保险作用(如图3)，该弹簧装置可以根据建筑效果需要设计在上方还是下方，是外露还是隐藏式(注意图中仅示意，水平方向设置可以参考竖向)。

　　3.11、索结构不宜跨越建筑伸缩缝，若由于设计需要必须跨越的话，应该充分计算主体结构伸缩变形对索结构的内力影响，其节点构造也必须考虑适应主体结构变形。

　　3.12、要认真重视多家单位设计关系，索结构和边界结构设计往往是两家单位，更有甚者会存在多家单位设计，这时候必须主动和其他单位紧密协调，把索结构支座反力准确无误传递给其他结构设计单位。并且还要考虑其他设计单位设计的边界结构变形给索结构带来不利影响。一般来说，由主体设计把两个结构体系放在一个结构模型共同计算，考虑了互为影响，其计算结果准确度高。为消除各自结构设计考虑不周留下安全隐患打下了良好基础。

　　3.13、在建筑主要立面出人口设计索结构玻璃幕墙时，其竖向索结构下端支承在门斗或雨棚结构上，支承结构要考虑索结构产生巨大拉力和风方向水平力，必要时把此结构和索结构建立统一模型共同计算。

　　4、结语

　　结构设计不是规范加计算，同样索结构计算也是如此。一些人认为“只要计算机算出来结果能满足规范要求，就算设计成功”是错误的。有经验的结构设计师往往不需先计算，就能根据建筑结构和围护结构关系来构思和判断整个结构体系的安全性合理性，从而明确总结构体系和分结构体系之间最佳受力要求。特别是在方案设计阶段，能通过概念性近视计算或估算进行探索，优化以致最后确定各分体系构件的合理尺寸，并确定设计方案的可行性。在整个设计过程中，应以正确的判断力来把握设计。必须理解吃透规范条文，而不是生搬硬套，更不能盲目从一体化计算机设计和计算程序，任其随意摆布。在玻璃幕墙索结构设计中尤其如此。随着大量场馆建筑或超高层建筑层出不穷，大跨度公共建筑越来越多采用索结构玻璃幕墙，为人们在不断增加物质文明同时也增添了不少精神文明的内容。然而仅管索结构的应用优势明显，由于玻璃幕墙索结构必须依赖其边界结构的关系，若设计不当则会产生许多负面影响，甚至导致设计安全事故。设计管理不到位导致在工程实践中出现各种隐患已经屡见不鲜。各单位间发生矛盾扯皮也影响施工工期，严重影响工程质量，造成了不必要的经济损失甚至安全隐患。特别是对于大跨度的索结构设计必须慎重。因此作为幕墙结构设计师必须要掌握丰富踏实的整体结构概念设计技能，理顺主体结构体系和和索结构分体系的复杂关系。并且抱有对设计负有终身责任制的精神，充分认识索结构概念设计特点，牢牢把控索结构设计要点，紧密和主体结构设计单位合作，保证玻璃幕墙索结构设计安全可靠，经济合理、科学完美。

　　参考文献

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