摘 要:預應力技術的引入使得帷幕結構朝著大尺度、輕型化和通透性發(fā)展,索網等柔性結構已逐漸成為玻璃帷幕結構的主要結構體系。結合晶藝公司對新保利大廈二期工程單層索網體系的設計方案,通過有限元程序對含主次索的復雜單層索網體系的試驗模型進行分析,并對試驗的預應力控制過程進行模擬,為實際工程施工提供參考。
關鍵詞:單層索網體系 預應力控制 張拉
1 概 述
北京新保利大廈二期工程的正立面采用含主次索的復雜單層索網預應力玻璃幕墻體系,高90m,寬70m,面積之大堪稱世界第一,效果圖見文獻[1]的圖9。結合晶藝公司設計的此工程索網幕墻結構方案,在清華大學結構工程實驗室內根據實際工程設計了1∶10的試驗模型,并進行了8·6m×5·5m單層索網點支式玻璃幕墻的模型試驗。單層索網玻璃幕墻被兩根斜主索分成3部分:水平索主要承受風載,豎向索主要承受墻面自重,索網的兩端固定在剛架邊框上。本文結合此試驗模型,介紹有限元程序的設計計算過程以及預應力的控制技術,為實際工程施工提供參考和依據。
2 模型的設計與分析
2·1 計算軟件及有限元模型的選取
本項目在進行有限元設計分析時,采用目前在國際上得到廣泛應用的大型有限元分析計算軟件ANSYS,計算采用彈性-大變形有限元分析模塊模型中幕墻拉索采用link10單元,該單元為三維只拉單元,用于描述拉索不能承受壓力的特性,連桿采用link8單元,既可受拉也可受壓。張拉過程中索的變形與拉力影響很大,因此在分析過程中考慮索的幾何非線性。在模型承載過程中,索網的節(jié)點看作是鉸接的;在模型張拉過程中,橫索和豎索的節(jié)點認為在水平x方向和豎直z方向可以相對滑動,因此在ANSYS中把橫索和豎索在y方向耦合起來,并通過對索施加初始預應變來模擬其預拉力。
2·2 基本參數取值及荷載計算
參考北京新保利大廈的實際工程,利用有限元軟件反復設計和計算,保證索在施加預應力后在各種荷載組合作用下不發(fā)生過大變形或索拉力,結合實驗室的條件,確定試驗模型的材料參數取值見表1。試驗模型的索網結構布置如圖1,試驗中對橫索和豎索在每一步張拉時進行監(jiān)測。
與試驗模型采用的材料參數相對應的荷載結構自重為:墻面玻璃(采用6mm鋼化玻璃)0·15kN/m2連接件0·11kN/m2,支承結構0·02kN/m2,合計墻面0·28kN/m2。風載:北京基本風壓為wo50=45kN/m2(50年一遇)。《建筑結構荷載規(guī)范》(GB50009-2001)規(guī)定需計算圍護結構的局部體形系數:正壓區(qū)(迎風墻面+0·8,負壓區(qū)(背風墻面)-1·0;封閉建筑內表面風壓體形系數:正壓區(qū)-0·2,負壓區(qū)+0·2。C類地面粗糙度 0m高處陣風系數βgz=2·10,μz=0·74。地震:北京抗震設防烈度8度(第一組),設計基本地震加速度0·2g,水平地震作用地震影響系數αmax=0·16。索預拉力的原則是保證在各種荷載組合作用下不發(fā)生過大變形或過大索拉力,經有限元計算并考慮到試驗條件,試驗模型的主次索預應力取值如表1。
2·3 承載力及變形計算
幕墻結構承載力及變形計算結果如表2所示。對于柔性結構,有關幕墻變形控制指標規(guī)范未規(guī)定。由于本工程單層索網結構的特殊性,不應采用現(xiàn)行規(guī)范衡量此工程平面內的變形性能(《玻璃幕墻技術規(guī)程》(CECS127∶2001)規(guī)定支承結構的相對撓度不應大于1/300)。從點支式玻璃面對變形的適應能力來考慮,在最不利荷載組合下,幕墻結構的變形可控制在1/50。表2中索網幕墻的變形滿足這一要求。
3 預應力控制技術與分析
3·1 張拉方案的選取
在研究張拉力方案時,如果對所有索采用同步張拉,這樣的設備及人力投入顯然不可能。按傳統(tǒng)方法在施工張拉時每一階段張拉、每根索的張拉力均保持相同,由于索力相互影響,則張拉完畢后只有最后一根索力是設計值,此后要對前面所有的索進行調整,且每對索的調整量又不相同,同時調整的索力又對其他索產生影響。雖然從理論上分析,經多次反復張拉能使索力達到設計精度,但這樣工作量將大大增加。此試驗中采取倒拆法,考慮索之間的相互影響,運用程序調整到設計張拉值,然后進行倒拆(放松索),計算出在一次張拉到位時索的張力值。這樣當張拉完最后一根索時,之前的索均能達到預定的索力值。
3·2 倒拆法有限元分析結果
方案一:一步張拉到位。先張拉2根主索分別至48、32kN,然后依次張拉豎索和橫索,所有橫索和豎索只張拉一次,采用倒拆法進行有限元計算分析得出張拉索力,張拉過程及結果見表3。這種張拉方式在本試驗模型中可以實現(xiàn),但在實際工程中,可能因為張拉過程會對主體結構產生過大的局部應力而不能完成。
方案二:分三步張拉。先張拉2根主索分別至48、32kN,然后橫索和豎索按照設計張拉力的33%、66%、100%的三階段進行張拉,張拉過程及結果見表3,最終結果滿足橫索和豎索預應力90MPa左右在試驗每一步張拉過程中,監(jiān)測模型索力的變化,以便與有限元計算的結果進行比較。圖2反映了ANSYS有限元計算中4根典型的豎索和橫索在分三步預應力張拉全程中的應力變化。
由計算結果可以看出:
1)一步張拉到位張拉次數較少,但是張拉過程中每根索需要張拉的力較大,而且由于索之間的相互影響,各索張拉的力差別較大,給施工帶來不便。由于各索受力不均勻,張拉過程中作用在邊框的力比較大,這在實際工程中可能會損壞周圍的剛性邊框。分三步張拉次數較多,但是張拉過程中各橫索和各豎索之間的張拉力差別較小,特別是第三次張拉,各索力比較均勻,對邊框的影響也比較小。
2)由于本工程模型含有主次索、橫索和豎索組成三個平面,橫索和豎索之間的相互影響較大,張拉過程中索力變化復雜,特別是索網上部橫豎索之間影響很大。對于索網下部,從計算結果可以看出,對前面索力的影響很小。
4 結 論
1)由于索網體系分階段張拉索之間的相互影響,采用傳統(tǒng)的按比例等量加載順序法施工,顯然不如分級不等量加載的倒拆法施工。
2)借助有限元分析軟件,對含主次索的復雜索網體系張拉及相互影響可以用計算機進行模擬分析,找出合理張拉順序及張拉力的大小,為工程張拉過程提供依據。利用ANSYS軟件對索網幕墻結構承載力及變形進行計算,可以選取恰當的材料參數和預應力值。
3)索網周圍邊框的剛度也是影響張拉階段時各索力的因素,在本試驗中經過加固后,邊框的剛度很大,因此在分析過程中,不考慮邊框的變形對索力的影響。
可以算出增大比例及增大后鋁合金材料支承件與原合金鋼材料支承件的重量比(表9)。計算結果表明,在保證支承件承載力的前提下,當采用鋁合金材料時,X型支承件和H型支承件中間肢的重量減小,但H型邊肢和圓盤滑動型支承件的重量增加。因此在工程中,X型支承件和H型支承件中間肢可以采用鋁合金材料,而H型邊肢和圓盤滑動型支承件采用鋁合金材料則不經濟。
5 總 結
本文在線性有限元分析的基礎上,給出了點式支承玻璃建筑中金屬緊固件和支承件的承載力簡化計算公式和優(yōu)化方法,得到了以下結論:
1)傳統(tǒng)彈性理論計算方法與試驗和有限元分析結果相差較大,連接件的設計不能依據傳統(tǒng)的彈性理論方法,應采用基于有限元分析和試驗結果的簡化設計方法。
2)在滿足建筑美學和玻璃板孔徑要求的前提下,支承件和緊固件的外形可以進一步優(yōu)化,可以通過等比例縮小的方法減小連接件的尺寸,減少材料用量。3)緊固件和部分支承件也可以采用鋁合金材料制造,由于鋁合金材料重量比合金鋼輕,因此可以降低連接件的重量和造價。
