隐形索结构玻璃幕墙

【王德勤】隐形索结构玻璃幕墙

摘要：隐形索结构玻璃幕墙就是一种从单向单索结构玻璃幕墙中引伸出来的新型玻璃幕墙形式，满足了在玻璃建筑中视觉上无结构的需求。本文介绍了该体系的基本概念及应用现状，并结合实际工程分析闸述其主要构造技术、结构特点及设计要点。隐形索结构玻璃幕墙是一种具有广阔前景的新型实用建筑幕墙支承体系。

关键词：点支式玻璃幕墙；预应力单索结构；钢纹线；单向单索结构；

随着我国在幕墙技术的发展，索结构作为支承体系的玻璃幕墙得到了广泛的应有。在现在建筑中，鱼腹式双层索系玻璃幕墙、自平衡素彬架等玻璃幕墙、单层索网玻璃幕墙、单向单索结构玻璃幕墙等柔性支承体系的玻璃墙已不再凤毛麟角。对于建筑师和幕墙工程师来说，索结构支承体系的玻璃幕墙已经成为常见的幕墙形式。同时在新的国家标准和工程技术规范中已对索结构幕墙有了严格、详细的技术规定。对于幕墙企业来说对此类幕墙的设计与施工技术也己日趋成熟。

由于幕墙技术的不断发展，更新的幕墙形式逐渐不断的涌现出来。本文所介绍的隐形索结构玻璃幕墙就是一种从单向单索结构玻璃幕墙中引伸出来的新型玻璃幕墙形式。

1．隐形索结构玻璃幕墙支承体系

长期以来人们一直期待"视觉上无结构”的玻璃建筑。隐形索结构支承体系是在单向单索结构的基础上采用了特殊构造措施，即利用了玻璃面板的厚度，将钢索隐藏在玻璃竖向胶缝的中问，不论从室内还是室外，都看不见任何结构构件，从而达到视觉上无结构的目的。好像是玻璃‘’飘浮在”空中。

隐形索结构体系具备柔性结构的一切特征，受力状态和传力途径类似单向单索体系。体系在没有施加预应力前没有刚度，且形状不确定，必须施加足够的预应力后才能承受荷载，是典型的小应变大变形结构。拉索的应力与位移的关系是非线性的。隐形索结构体系玻璃幕墙的最大挠度与跨度之比不宜大于1/50.

2．隐形索结构的工作原理

分析单索支撑结构的工作原理也就是要了解单索玻璃幕墙抵抗风荷载作用时的工作状态。了解单索结构作为玻璃幕墙的支撑结构时，索的变形与预应力的关系。索体应力的大小、单索玻璃幕墙平面在抵抗风荷载时各节点的适应能力。（如图1）

在玻璃幕墙平面受外部荷载后通过玻璃的连接机构将外部荷载转化成节点荷载P，节点荷载P作用在索结构上，只要在索体中有足够的预应力NO和挠度F，就可以满足力学的平衡条件。当P为某一确定值时，挠度F和预应力NO成反比。即预应力NO值越大，挠度F就越小。F=P/NO。因此挠度F和预应力NO是单层平面索网的两个关键参数，必须经过计算分析后才能确定。

3．隐形索结构玻璃幕墙设计

当幕墙竖向跨度不大时，可在单层索网的基础上简化成单向单索结构。通常将钢索沿竖向玻璃缝布置，由竖向布置的钢索独立承受全部荷载，使玻璃建筑显得通透、轻盈。与单层索网相比，取消稳定索不但能充分发挥钢索抗拉性能，最大程度降低用钢量，而且还取消了昂贵的钢索间的连接构造及稳定索与建筑主体的锚固装置。必须考虑水平方向玻璃面板自身平面内刚度，以满足体系抗侧要求。

一般控制单向单索幕墙的竖向单跨不超过10米，当连续跨度较大时还需从构造上加设保护装置。

设计方法普遍采用将单索结构离散化的节点位移法，将单索结构离散为有限单元，形成单元刚度矩阵后构成总体坐标系下的结构总刚度矩阵，根据节点的平衡方程和各单元的物理方程得到节点位移，建立有限元基本方程进行求解。计算的基本假设为:(1))索是理想柔性的，只能受拉而不能受压，也不能抗弯;(2)索的受拉工作符合虎克定律;(3)荷载均作用在节点上，因此各索段均呈直线形。该假定也意味着忽略索自重在的影响，当索内预应力远大于自重引起的张力时这一假定是符合实际的。

设计的重点是构造设计，精确的模拟计算模型的各种假定和恰当的释放或约束节点自由度。构造设计还必须考虑到来自温度、地震、支座位移等不利因素及材料疲劳、松弛和自身动力响应等特性。

对于预应力单索结构的分析一般分为三个状态，即初始几何态、预应力态和荷载态，在分析力学模型的推导除了根据弹性力学的基本原理还需要考虑以下因素:

(1))非线性和初始应力

预应力单索结构的分析模型必须基于非线性分析理论，必须表示出预应力对刚度的贡献。初始应力对

刚度的贡献体现在几何刚度矩阵中。

(2)大位移和小应变

预应力单索结构的分析力学模型须满足大位移和小应变假定，描述索结构各个阶段的几何形态成为分析的关键。

(3)索单元为只拉单元

索系作为一种柔性支承体系，理论上只能承受拉力，不能承受弯矩和剪力。一般在力学模型中不考虑索段的松弛。

以上是在预应力单索结构分析应该考虑的因素也是点支式玻璃建筑单索结构的理论分析基础.适用于隐式单索夹待式幕墙支承体系。

4拉索的组成及索体材料

拉索应由索体及两端的锚具组成。拉索索体可采用钢丝束、钢纹线或钢拉杆。

拉索两端锚具的构造应由建筑外观、索体类型、索力、施工安装、索力调整、换索等多种因素确定。

钢纹线索体选用应满足下列要求:

(1))钢纹线的质量、性能应符合现行行业标准《高强度低松驰预应力热镀锌钢纹线》YB/T 152、《镀锌钢纹线》YB/T 5004的规定。不锈钢绞线的质量、性能应符合现行行业标准《建筑用不锈钢绞线》JG/ T 200的规定;钢绞线的极限抗拉强度可分别采用1570,1720、1770、1850、1960Mpa等级别。

钢纹线可分别采用镀锌钢绞线、高强度低松驰预应力热镀锌钢纹线、不锈钢钢纹线，并可采用表1的索体截面形式。

(2)钢拉杆素体选用应满足下列要求:

钢拉杆的质量、性能应符合现行国家标准《钢拉杆》GB/T 20934的规定;钢拉杆杆体的屈服强度可分别采用345、460、550、650 MPa等级别。

索体材料的弹性模量宜由实验方法决定，在未进行实验的情况下，索体材料施加预应力后的弹性，模量可参照表２取值：

索体材料的线膨胀系数值宜由试验方法确定。

(3))玻璃幕墙拉索压接锚具的设计、制作、验收应符合现行行业标准《建筑幕墙用钢索压管接头》JG /T 201的规定。