幕墻自平衡結構承載性能探究

鄭友釗

摘 要：本文利用ANSYS軟件對影響幕墻自平衡體系結構的因素進行分析研究，得到了一些較有實用意義的結論，以為廣大同業設計人員提供參考。

關鍵詞：自平衡體系結構 承載性能 影響因素

中圖分類號： TV223 文獻標識碼： A 文章編號：

幕墻自平衡體系結構是一種新型的支承體系，影響和控制它的承載性能的因素很多。很多幕墻結構設計人員對幕墻自平衡體系結構的計算進行了研究，但就其承載性能影響因素進行分析的還較少見?；?，筆者根據以往的設計工作經驗，在考慮幾何非線性的基礎上，利用ANSYS 軟件對幕墻自平衡體系結構的承載性能進行了探討，并討論了幕墻自平衡體系結構矢高、拉索截面積、平衡桿截面積、拉索預應力、玻璃面板厚度等因素對其承載性能的影響，得到了一些較有實用意義的結論。

1 幕墻自平衡體系結構特點

如圖1所示是由幕墻自平衡體系結構作為支承結構的玻璃幕墻，幕墻自平衡體系結構支座與剛度較大的鋼桁架鉸接，拉索通過夾具和銷軸與支撐桿相連。幕墻自平衡體系結構由平衡桿(如CF )、支撐桿(如EH )以及鋼索(如CDF )組成。圖1 中豎向索AB 為承重索，承受玻璃等構件自重，水平索GI 為穩定索。水平及豎向擺放的幕墻自平衡體系結構是主要的承力體系，風荷載及地震荷載通過面玻璃和駁接組件傳遞給幕墻自平衡體系結構。當承受正風壓時，靠近面玻璃的拉索(CHF )為穩定索(副索)，遠離面玻璃的拉索(CDF )為承力索(主索)，受負風壓時則反之。平衡桿由于彎曲抵抗一部分外力，它與拉索共同承受外載。

支撐桿與平衡桿采用鉸接。平衡桿為壓彎構件，在幕墻自平衡體系結構平面內彎矩很大，但是由于有拉索和支撐桿的作用使其在平面內失穩的可能性很小，而平面外由于彎矩很小，并且有穩定索( GI )通過支撐桿對其進行加強，穩定性也很好。

2計算理論設定

2.1 計算假定

(1)索是理想柔性的，只能受拉而不能受壓，也不能抗彎；(2)索的受拉工作符合虎克定律；(3)荷載均作用于節點；(4)節點為理想無摩擦的鉸節點。

2.2 計算模型

本文將應用有限元軟件ANSYS 分析幕墻自平衡體系結構各參數的變化對整體結構受力性能的影響。按有限元理論對點支式玻璃幕墻進行分析時，將整個結構體系看作由若干個單元組成的空間組合結構。在計算模型中，對拉索采用只受拉桿單元(Link10 單元)，承受軸向拉力采用初始應變來模擬拉桿中的預應力。對幕墻自平衡體系結構中的撐桿采用普通桿單元(Link8 單元)來進行模擬，承受軸向壓力和軸向拉力。

平衡桿具有一定的抗彎剛度，采用梁單元(Beam4 單元)來進行模擬。對于玻璃面板既承受平面內力又承受彎曲內力，其受力狀態為平面應力狀態與彎曲應力狀態的組合，屬于平面殼體問題，將玻璃板離散成板殼單元。在計算時，要使計算模型盡可能符合點支式玻璃幕墻實際受力情況，不僅要考慮玻璃面板的共同作用，還應該在有限元模型中加入硅酮密封膠和駁接鋼爪。硅酮密封膠彈性模量較小，厚度較薄，和玻璃面板一樣，采用板殼單元模擬。駁接鋼爪既承受軸力，又承受彎矩，可將其離散成梁單元(Beam4 單元)，在與玻璃面板的支承點處鉸接。

3 幕墻自平衡體系結構承載性能影響因素分析

在以下討論中，均以圖1 所示幕墻自平衡體系結構模型為例進行，對影響幕墻自平衡體系結構承載性能的參數進行了分析。幕墻自平衡體系結構的基本參數為：不銹鋼拉索截面積200mm2，預應力300N/mm2，彈性模量1.5×105N mm2；矢高1.0m；平衡桿φ120×12 ，彈性模量2.06×105N mm2；玻璃面板厚度10 mm，彈性模量7×104N mm2；硅酮密封膠膠縫厚度20mm ，彈性模量3N/mm2 。以下分別變動幕墻自平衡體系結構矢高( DH 長，本文取兩倍幕墻自平衡體系結構對稱處支撐桿EH 長)、拉索截面積、拉索預應力、玻璃面板厚度、平衡桿截面積等參數，討論所變動的參數對幕墻自平衡體系結構的承載性能的影響

3.1 幕墻自平衡體系結構矢高的影響

分別取矢高0.6 m、0.8 m、1 m、1.2 m、1.4 m。圖2、圖3 給出了幕墻自平衡體系結構的位移及主索和副索的應力隨幕墻自平衡體系結構矢高變化曲線。

由圖2 可以看出，隨著矢高的增加，結構的位移相應減小?？梢娫龃笫父呖梢杂行г黾幽粔ψ云胶怏w系結構的剛度。但當矢高增大到一定程度后，通過增大矢高來增大結構剛度的效率降低。矢跨比(結構矢高/跨度)是控制幕墻自平衡體系結構位移的主要因素，但幕墻自平衡體系結構的高度除了建筑的要求之外，還要驗算撐桿的穩定。幕墻自平衡體系結構中的撐桿在工作中始終處于受壓狀態，其長度決定幕墻自平衡體系結構的結構高度。由此可以得知，在進行幕墻自平衡體系結構支承結構設計時，在實際條件允許的情況下，可以適當地增加幕墻自平衡體系結構支承結構的高度。

在圖3 中，隨著矢高的增加，幕墻自平衡體系結構主索應力減小，副索應力增大，二者向初始應力靠近，這對幕墻自平衡體系結構是有利的。

3.2 拉索截面積的影響

分別取不銹鋼拉索截面積為100 mm2、150 mm2、200 mm2、250 mm2、300 mm2。圖4、圖5給出了幕墻自平衡體系結構的位移及主索和副索的應力隨不銹鋼拉索截面積變化曲線。從圖4 可以看出，隨著預應力拉索截面積的增大，結構的位移減小?？梢娎鹘孛娣e對幕墻自平衡體系結構的剛度影響明顯。在圖5 中，隨著預應力拉索截面積的增加，幕墻自平衡體系結構主索應力減小，副索應力增大，二者向初始應力靠近，且靠近速度較幕墻自平衡體系結構矢高變化時快，說明影響程度比矢高

因素顯著。

雖然增大拉索截面積可以改善幕墻自平衡體系結構受力性能，但從節省材料的角度考慮，還是要減小拉索的截面積。只在非常必須的時候才考慮增大拉索截面積來增加幕墻自平衡體系結構的剛度。

3.3玻璃面板厚度的影響

在考慮玻璃面板與幕墻自平衡體系結構體系共同工作時，很關心的一個問題是玻璃面板的厚度對結構變形的影響會有多大。分別取玻璃面板厚度為6 mm、8 mm、10 mm、12 mm、14 mm，可以看出，隨著玻璃面板厚度的變化，結構的位移、主索應力、副索應力變化不大。在進行點支式玻璃幕墻的玻璃面板設計時，主要考慮的還應該是玻璃面板本身的應力和變形問題。

3.4 平衡桿的影響

為簡單起見，平衡桿外徑保持不變，僅變化厚度。分別取平衡桿φ120×8 、φ120×10 、φ120×12 、φ120×14 、φ120×16 。

從圖6、圖7 可以看出，隨著平衡桿壁厚的增大，結構的位移、主索應力變小?？梢娖胶鈼U壁厚的增大加強了幕墻自平衡體系結構的剛度。因為平衡桿是受彎構件，增大其壁厚對其截面慣性矩影響不大，如增大其外徑自平衡體系結構剛度變化會更明顯一些，但這會在一定程度上影響玻璃幕墻的美觀。

3.5 拉索預應力值的影響

分別取預應力為250 N/mm2、300N/mm2、350 N/mm2、400 N/mm2、450N/mm2。圖8、圖9 給出了幕墻自平衡體系結構的位移及主索和副索的應力隨拉索預應力變化曲線。由圖8 可以看出，隨著索中預應力的增加，幕墻自平衡體系結構的位移小幅減小，且減小幅度逐漸變小。這說明拉索中預應力對幕墻自平衡體系結構剛度有加強作用，但效果不明顯。

在圖9 中，隨著拉索預應力的增大，幕墻自平衡體系結構主索應力、副索應力都增大。這說明，雖然幕墻自平衡體系結構剛度的加強對主索有卸載作用，所以在圖2 中主索應力減小，但在本處，拉索預應力的增大作用大于幕墻自平衡體系結構剛度的加強對主索的卸載作用，因而主索應力增大。同樣道理，副索應力增大，且較主索應力變化速度快。

4 結 論

(1) 幕墻自平衡體系結構是典型的非線性結構，對其進行分析應采用非線性分析軟件。在ANSYS 程序中，預應力技術應用方便使得計算結果更加合理。因此本文選用ANSYS 軟件。

(2) 玻璃面板厚度、拉索預應力對幕墻自平衡體系結構剛度影響不大，而其矢高、拉索截面面積、平衡桿影響較為明顯。

(3) 玻璃面板厚度的增加對幕墻自平衡體系結構剛度提高的作用不大?？紤]玻璃面板與幕墻自平衡體系結構共同作用后，玻璃面板仍由其側向受彎來控制其強度和變形，所以增加玻璃面板厚度只是為了擴大幕墻分格的尺寸，提高幕墻的通透性。

注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。