点支式玻璃幕墙建筑结构设计分析中的若干问题

清华大学建筑玻璃与金属结构研究所 李少甫

    
      摘要：本文简要介绍了点支式玻璃幕建筑结构的组成与类别张拉索杆结构体系的组成、布置及其常见的张拉索杆基本结构组件;阐述了张拉索杆结构体系的受力特性、索的设置、张拉索的张拉力要求等中的若干问题;还讨论了这种结构式的一些计算方法及玻璃幕墙承载力的计算。
      一 玻璃幕建筑结构的组成与类别玻璃幕建筑结构是指以玻璃作为覆盖幕面的一种建筑,它可以是建筑的屋盖、墙体、楼层、楼梯、走道栏板式整个建筑。
      众所周知玻璃是一种脆性材料，由于制成时不可避免的内在缺陷，强度较低。此外，因受生产工艺限制，其板厚和板面尺度也有限，故常需适当的结构体系作支承，才能形成予期的建筑。这一结构体系称为玻璃幕建筑的支承结构，它与玻璃幕面共同组成玻璃幕建筑结构。
      1、玻璃幕建筑结构的组成及基本要求　
      玻璃幕建筑的支承结构可以是由玻璃或铝、钢等金属材料组成。因此可以说：玻璃幕建筑结构是由玻璃金属材料，经过加工、连接和安装组成的可独立地承受各种可能荷载作用，并滿足各项预定功能要求的工程构筑物。通常，它包括玻璃面板、支承结构（含连接件）和基座（结构）等三部分。对于点支式玻璃建筑结构而言，连接件是指螺栓组件和支承装置；基座是指玻璃幕建　筑结构赖以坐落支承的部分。　　　　
      玻璃幕建筑结构的板件、杆件、构件间的相互连接方法可有胶接、焊接和机械连接等，且其连接型式也多种多样，无论那种都必须具有足够的承载能力和适宜的刚度。
      如上所述，玻璃幕建筑结构是一种工程结构，它所承受的荷载作用，可能是由自然环境影响和人为作用引起的。在各种可能荷载作用组合下，必须满足安全、适用和耐久性等三项基本要求。当然，它作为玻璃幕建筑的外露结构，还应与建筑艺术美的要求相匹配。
      2、玻璃幕建筑结构的类别
      在结构设计中，必须首先选择并确定结构的类别，并进而了解结构的性能和可能的荷载作用，才能正确地给出结构的计算模型和进行结构分析。对于玻璃幕建筑结构，可按以下条件划分类别：　   （1） 按玻璃面板支承状况分为：线支式结构和点支式结构：　 （2）   按玻璃面板是否作为该结构的必要受力部件分为：组合式结构和集合式结构。前者玻璃面板与其它板件共同组成统一的结构体系，并相互依存不可缺，否则结构失效；后者，一般视玻璃面板为其附属结构，支承结构（包括基座）为其基本结构，二者相对独立。　   （3） 按支承结构刚劲性分为：刚性支承结构（如梁、刚架、桁架、网架等）和柔性支承结构（如张拉索杆结构等）。前者组成结构的基本构件，均为刚性杆件；后者组成结构的相当多的基本构件不是刚性，而是仅能承受拉力的柔性杆件。
      二　张拉索杆结构体系的组成及其布置
      1、 什么是张拉索杆结构
      张拉索杆结构是指由柔性张拉索（或链杆，下同）及刚性撑杆组成的结构。它在设计、施工和使用过程中柔性索必须具有足够和适当的张拉力。
      柔性索仅具有抗拉刚度（EA），当无张拉力时其抗压等刚度很小，当无张拉时其抗压等刚度很小，在结构承受荷载中无贡献或可忽略。必须对它们进行张拉，使之具有足够的张力，才能组成结构和可靠地承受荷载作用。
      刚性撑杆具有各种需要的，如拉、压、弯等刚度，足以承受相应大的拉、压、弯曲等作用而不丧失其承载力。
      2、 张拉索杆结构体系的组成这种结构体系通常由张拉索杆基本结构组件和支座（结构）组成，必要时需设置平衡重力性索和保证结构体系的稳定性索。其张拉索杆基本结构组件可以平衡的或非自平衡的，后者的张拉索端部分的张力需由其支座（结构）平衡。
      3、 张拉索杆结构体系的分类与布置张拉索杆结构的体系，按其受力工作状况，可分为单向受力体系和双向受力体系：　   （1） 单向受力体系是由单一方向布置的若干张拉索杆基本结构组件和必要的重力与稳定性索（或杆件）组成。　 （2） 双向受力体系是由相互交叉的张拉索杆基本结构组件和必要时的一些重力与稳定性索（或杆件）组成。其交叉与布置，常根据建筑及结构设计要求确定，可以是正交正放，正交斜放或斜交放置等。
      4、 主受力索，重力性索与稳定性索的作用和张力要求
      主受力索――是张拉索杆结构体系中基本结构组件的主受拉力元件，应始终具有足够而适当的初张拉力，使之不退出工作和被拉断。
      重力性索――为改善张拉索基本结构组件的受力，用以平衡重力性荷载而设置的拉索。一般平行于玻璃板面的重力方向布置，可不需要太大的初张力，但应张紧，并足以承受其重力荷载。
      稳定性索――为保证张拉索杆结构体系中的基本结构组件及其某些撑杆平面外的稳定性和减少可能的风振而设置的索，也常用它保证玻璃幕结构体系中某些刚性构件的平面外稳定性。这种索的初张力虽不需很大，但索的张力设计，必须给上述被稳定构件以足够的侧向支承力，以保证其不发生侧向失稳。
 
      三 张拉索杆基本结构组件的几种常见形式张拉索杆结构体系中常见的张拉索杆基本结构组件形式有：自平衡式和非自平衡式两类，如图－1和图－2所示。前者其组件中的张拉索的索身和索的尽端均与撑杆相互连接，并其内力自相平衡；后者张拉索的尽端不与撑杆相连，而是连接在其边端支座（结构）上，借助支座对索施加张拉，因此仅靠组件自身各索杆间的作用，不能形成内力的完全平衡。张拉索杆基本结构组件索的外形点迹有抛物线形和折线形，在均布荷载下前者较后者合理。
 
      四　张拉索杆基本结构组件的若干力学特性
      1、 张拉索应始终处于张力正定状态。研究分析表明，此时各杆（包括索）均对结构刚度及承载力有贡献，否则其结构刚度将极大降低，甚至其承载力丧失。
      2、 组件的几何特性随其所受荷载而有较大改变，属于几何易变形性（柔性）结构。它与几何可变形性（劲性）结构或不变形性（刚体）结构体系的分析方法有所不同。一般宜采用二阶分析方法。
      3、 由于它是由高强钢丝绳（绞线）经张拉形成的柔性结构，故结构的工作性能对设计、施工缺陷的敏感性较大，其中主要有：　   （1） 受力分析及荷载组合时，因采用线性方法，使内力的计算不准；　 （2）   体系刚度及承载力，因张力索的张力不足或松驰退出工作时，呈现的非线性或跳跃性退化或丧失；　 （3） 温度的升或降，使张力索松驰或超张；　   （4） 正确施加和监控索的张力较困难；　 （5） 高张力索杆的缺口应力集中，引起的高强钢索应力腐蚀；　   （6） 塑性及韧性差的超强度钢材的应用；　 （7） 自平衡组件中纵向主撑杆的复杂受力；　   （8） 高强钢索及其连接，因材料、构造和工艺性缘故，存在的类裂纹性缺陷等。
 
      五 张拉索杆结构体系设计中的若干问题
      1． 体系的选择
      单向受力体系的布置、索张力施加和控制相对比较简单，受力明确。当其为单跨为，可不受支座刚度影响；但当为多跨连续时，支座的压缩刚度对结构内力和变形有相当大的影响。常为不太大建筑面积空间及荷载情况下采用。
      双向受力体系的布置，可有多种型式，其索的张拉力的施加和控制比较麻烦，受力复杂。但在相同建筑面积空间及荷载情况下索的张力较小，且常可省去一些重力性索和稳定性索。故相对较省钢，而为较大建筑面积空间及荷载情况下采用。
      2． 体系的布置
      (1) 单向受力体系布置中，常需设重力性索，必要时应布置稳定性索。
      (2) 双向受力体系布置中，多在短向布置主受力基本结构组件，长向布置辅受力基本结构组件的单元，二者的横向撑杆常共用。当辅受力基本结构组件的某些索元与重力性索位置一致时，二者可合而为一。
      (3) 平面自平衡基本结构组件及平面钢桁架常作为单向受力体系的中间支座，此时应考虑其平面外稳定性的保证和必要的止失稳元件的设置。
      3． 荷载、作用值及其可能组合对于张拉索杆这种柔性结构，理应采用非线性二阶分析方法进行结构计算，其荷载作用也应先组合，后逐级施加，但在实际中很难实施。一些研究分析表明：对于一般不大的张拉索杆结构，如具有适当的初张力时，可以按一阶分析，荷载作用采用线性组合，构件计算中考虑二阶效应。这样引起的误差不会很大。活载，风载与地震作用等可变性荷载作用的可能组合及其组合系数的选择，应按现行<建筑结构荷载规范>执行。考虑到尚无数十甚至千百年一遇的风载同时发生地震的历史记载，而且二者的峰值又都是瞬间一过性的作用，玻璃幕建筑结构的自重又不很大，故对这种结构而言，风载作为第一可变荷载与地震作用组合似不必要。当然设防烈度下的地震作用与可能的风载组合是应该的。
      4． 张拉索初始张拉应力值的选定与最小值的控制张拉索杆结构同其它结构的根本区别在于其受拉杆件应始终处于张拉状态，即必须保持其内力是正定性。一旦呈现非正定时，结构刚度将极大降低或承载力丧失。而保持张拉杆受力正定性的关键是正确地设定其初张力值。初张力值设置过小，不利荷载作用下，一些张拉杆将因其内力减小为零(负)而退出工作，致使结构性能退化；如果初张力值设置过大，不利荷载作用下，某些张拉杆将因其强度不足而破断，致使结构毁坏；如其截面设计过大，不利荷载作用下，这些张拉杆虽不会因其强度不足而破断，但却材料增多，索直径粗影响结构的轻盈通透性。对于如图――1，2 示结构组件，当作为玻璃幕结构，可能承受正、反两方向荷载时，其主张拉索杆的初张应力值σ0的范围可按以下建议设置：
      (1) 对于普通强度不锈钢材，当以其抗拉屈服强度设计值fd考虑时，设为：25%≤σ0/fd≤50% (1)
      (2) 对于高强度钢材，当以材料抗拉极限强度设计值考虑时，如取其设计值为：fd≤0.45fu，将其代入式(1)取整则有：12%≤σ0/fd≤22% (2)
      需要指出的是，初张力对张拉索结构是必须的，且随其值的增大，组件刚度也有提高，但提高有限，不如增大张拉索的面积有效。
      至于重力性索的初张力可不必施加过大，σ0/fd≈10%；稳定性索的初张力，则应根据被保证构件稳定性需要的支撑力，参考有关资料确定。
      5． 风荷载标准值及其风振系数
      风荷标准值的计算方法在《建筑结构荷载规范》已经给出为：
      (1) 当计算主要承重结构时　　　　　Wk=βz μz μs wo (3)
      式中：βz----结构在高度Z处的风振系数：
      《建筑结构荷载规范》(GB50009—2001)取βz=1+ξ x v x￠z / μz
      《玻璃幕墙工程技术规范》(JGJ 102-96)取βz=2.25；
      《点支式玻璃幕墙工程技术规程》(CECS 127：2001)规定：计算支承结构时取βz=1.1 (1+ξ x v x￠z / μz)　 (2) 当计算维护结构时
      Wk=βgz μz μs wo (4)
      式中：βgz----结构在高度Z处的阵风系数，《建筑结构荷载规范》(GB500009-2001) 用(5)确定。
      βgz=K(1+2μf) (5)
      式中：K—--地面粗糙度调整系数，对A、B、C、D四种分别取0.92、0.89、0.85、0.80；
      μf ---- 脉动系数，按式(6)确定。
      μf=0.5 X   351.8(α-0.16)(Z/10)-α
      式中：α----地面粗糙度指数，对应于A、B、C、D四类地貌，分别取0.12、0.16、0.22、0.30。
      6．关于基本结构组件的抗弯刚度及挠度控制与要求对于张拉索杆结构体系的一些常用的基本结构组件，一般地说，其抗弯刚度取决于组件的几何形式、矢高、矢跨比、张拉索杆的堆面积和张拉索的初张应力。就组件的几何形式而言，相同条件下，自平衡体系最好：其次为非自平衡体系中的双索鱼腹形，直索形最差。同一种组件其本身的几何构成对于其抗弯刚度也有不小影响。张拉索的初张应力对其抗弯刚度虽有不可忽略的影响，但当张拉足够紧后，张拉索张力的增加对其抗弯刚度的贡献很有限，如欲提高其抗弯刚度，需要增大拉索截面积或调整组件的几何形式和尺寸。
      在实际工程中对于张拉索杆结构体系的挠度控制十分必要，它对防止玻璃幕结构不必要振动、玻璃挤压破坏等有重要的意义。要求过严，实际工程很难达到，也不一定需要；要求太松，又可能出现工程损害，具体指标尚待研究。
      六 关于有孔玻璃面板的承载力计算
      1、 集合式结构体系中的玻璃强度计算前已指出：集合式结构中的玻璃是体系中的附属性结构，其受力相对独立，不受其支承(基本)结构的影响。在垂直于玻璃面板均布荷载，如风等的作用下，玻璃板面受弯曲工作。由于玻璃板钻孔、切边、磨边以及钢化等加工的影响，其边缘类裂纹性缺陷大小的随机性尚不清楚；点支式有孔玻璃板孔边应力集中，因受连接组件、板厚度及其孔的几何特性等影响，故其应力和强度的严格计算有待深入研究。一些研究表明：点支有孔玻璃板在垂直于玻璃板面均布荷载作用下其破坏常由孔边开始发生；点支处承载力与玻璃板厚度、孔径及其连接组件的结构构造和材料等因素有关，当这些因素有较好匹配时，此承载力可能比相应均布荷载下玻璃板面的抗弯强度高，否则较低。有鉴于此，对于有孔玻璃面板的承载力计算，一般可分别计算其玻璃板面的抗弯强度和点支处节点承载力，并取二者中的较低者，以保证安全。
      (1) 玻璃板面的抗弯强度计算，可用以下表达式 ：
      　 σmax≤fg （5）
       式中：σmax ----玻璃板边缘或板面中的最大弯曲应力，可由一些手册，文献［3］或规程［4］中查获；
      (2) 点支处节点承载力计算，可用以下表达式：
      　　F≤Rg （6）
       式中:F----点支处节点上荷载和作用的设计值(kN);
      　　　Rg----玻璃面板连接节点承载力的设计值(kN)；
      文章［2］曾经对带金属连接组件（紧固件）的有孔玻璃的承载力进行了研究，分别给出了，考虑浮头和沉头连接组件与玻璃接触时，垂直于玻璃板面的极限力表达式：
       　　Ff=0.0015td+0.4396t-0.0122d-1.1407(kN)   (7)
       　　Ff=0.0017td+0.3388t-0.0165d-0.5625(kN)   (8)
      需要指出的是，式（6）、（7）是在特定的连接组件和玻璃强度下得出，式中参数组成的量網，表面上也不协调一致，其普通适用性尚需结合具体情况研究试验确定。当然，尚需根据技术标准［4 ，5］的规定，计算玻璃面板的挠度u，使之不大于允许挠度［u］其要求，即：
      　　　　 u≤[u] （9）
       式中：u----玻璃面板的最大挠度u；
      　　 ［u］----玻璃面板的允许挠度值，见［4，5］的规定。
       2、组合式结构体系中的玻璃强板度计算问题
      组合式结构体系中的玻璃板是结构中的必要元件，它参与体系的共同受力，点支有孔玻璃板在垂直于玻璃板面均布荷载作用下，不但常受有板的弯曲应力，而且可能同时受有连接件对孔壁的挤压接触应力。孔边应力状态十分复杂，不但其应力分析麻烦，而且其破坏准则也待研究，故通常根据具体工程结构的受力情况，由试验研究确定。
      七　结束语
      张拉索杆结构体系是点支式玻璃幕建筑较新的一种支承结构。它的杆件纤细，结构轻颖，建筑内外的交流通透性强，故常为建筑设计者所青睐。但它却是一种具有较大张力索的柔性结构，其受力分析较繁，结构工作的敏感性较强，设计规程尚不够完善，需要建造者大胆创新，慎密研究：精心施工；合理使用和及时维护，才能获得预期的良好效果。
      限于笔者水平，文中所述仅供参考；谬误之处，敬请批评指正。
      参考文献
      1． 荆军等。点式支承玻璃建筑的轻型与柔性支承结构体系的研究，工业建筑，2000/10。
      2． 邹宇等。玻璃建筑中带金属紧固件玻璃板的承载性能研究，工业建筑，2000/10。
      3． 杨威等。点式支承玻璃帷幕建筑中四点支承玻璃板承载性能的受弯分析，清华大学学报，2001
      4． CECS　127：2001　点支式玻璃幕墙工程技术规程，2001。北京
      5． JGJ　 102----96　　玻璃幕墙工程技术规范，1996。北京
      6． GB50009—2001　建筑结构荷载规范，2002。北京