玻璃建筑柔性支承结构体系的应用与研究

第8卷第2期空　间　结　构V ol.8N o.2 2002年6月SPA T IA L ST R U CT U R ES Jun.2002

[文章编号]1006-6578(2002)02-0031-07

玻璃建筑柔性支承

结构体系的应用与研究

吴　朋1,　张良平2,　董石麟1,　王　吉吉3

(1.浙江大学空间结构研究中心,　浙江　杭州　310027;

2.华森建筑与工程设计顾问有限公司,　广东　深圳　518067;

3.清华大学土木系,　北京　100084)

[摘　要]　柔性支承结构体系玻璃建筑作为点支式玻璃建筑中最先进、最有发展潜力的结构

形式,在国内外工程中的应用越来越多。本文对柔性支承结构体系的特点、应用与研究现状进

行了简要介绍,并探讨了其研究方向。

[关键词]　玻璃建筑;柔性支承;预应力

[中图分类号]　T U382 [文献标识码]　A

1　引　言

我国自上世纪80年代开始在北京、上海、深圳等大中城市应用玻璃幕墙,玻璃幕墙以其通透性好、外形美观等特点赢得了设计者和用户的青睐,出现在越来越多的商业及公共建筑中。点支式玻璃幕墙最早于六十年代出现在美国,于上世纪90年代引入中国。它具有无框、通透的特点,而且与传统的幕墙结构相比更加安全、灵活。

其中,柔性支承体系以拉索(杆)为主,与受压杆相结合作为玻璃的支承结构,通过施加预应力产生平面内刚度,构成预应力拉索(杆)结构体系。该体系适用于玻璃幕墙和采光顶,是玻璃幕墙体系中最具代表性、最有发展前景的结构体系,也是目前研究的重点[1～7]。

与传统的玻璃幕墙支承体系相比,柔性支承体系具有以下特点及优势:

(1)美观。柔性支承体系构件轻巧,使建筑物通透明亮,视野开阔,将建筑物室内外空间融为一体,给人以特有的现代感。

(2)先进。将预应力技术与空间结构技术有机地结合在一起,受力合理,结构先进。

(3)结构安全。钢化玻璃通过不锈钢爪固定于支承结构,密封胶不参与传力,玻璃之间无相

[收稿日期]　2002-04-10

[作者简介]　吴　朋(1977—),男,辽宁沈阳人,硕士研究生,主要从事预应力空间结构的研究。

2002年吴　朋等:玻璃建筑柔性支承结构体系的应用与研究第2期

互作用,使其受力更为合理。玻璃孔洞与钢爪连接件之间留有空隙,允许一定位移,可以调节由于构件生产和组装而产生的误差。因此,玻璃不会因为施工及温度原因而受到额外的荷载,从而达到很好的受力状态。

(4)灵活。点支式结构灵活多样,使设计者有更多的选择余地与发挥空间,将更多新颖别致、具有现代感和艺术气息的建筑展现在都市中。

2　工程应用

2.1　柔性支承结构体系常见类型

目前应用的柔性支承体系,常见形式包括以下几种:

(1)普通桁架式,如图1(a)、(b)所示;

(2)鱼腹式,如图1(c)、(d)、(e)所示;

(3)自平衡式,如图1(f)所示;

(4)其他形式,如图1(g)等。

而根据所采用的预应力构件,柔性支承结构体系可分为采用预应力索、采用预应力拉杆及预应力索与预应力拉杆相结合三种。

图1　柔性支承体系结构示意图

2.2　柔性支承体系在玻璃幕墙中的应用

上海大剧院是上海的标志性建筑,其建筑风格新颖别致(图2)。它是国内最早采用柔性支承体系玻璃幕墙的工程[8]。它采用了如图1(a)所示的索桁架,同时在各索桁架之间采用水平拉索及交叉拉索来保证平面外的刚度。由于当时国内在柔性支承体系玻璃幕墙领域还是空白,上海大剧院玻璃幕墙的设计与施工采用了国外的技术与材料。它为我国成功地引入了柔性支承体系玻璃幕墙,但其幕墙的造价高达13000元/m2。

南京国际展览中心位于南京市区东北部,东接紫金山,西靠玄武湖[9]。该中心长约272m,宽约159m,高46m,总建筑面积89000m2。整个展览中心四面均采用如图l(g)所示柔性支承体系玻璃幕墙,给人以通透、美观、现代的感觉。南京国际会展中心玻璃幕墙的索桁架由深圳三鑫公司与东南大学土木系等单位合作进行开发、试验与设计,是国内首例自行设计、自行施工的大面积玻璃幕墙柔性支承结构。其幕墙的造价约为2500元/m2,仅为上海大剧院工程的

1/5,为该技术在国内的普遍应用提供了基础[10]

。

图2　上海大剧院

图3　清华大学游泳馆

清华大学游泳馆(图3)位于清华大学东大操场的北侧,是清华大学主要的体育活动场所,也是2001年世界大学生运动会的重要比赛场所[11]。幕墙高10.2m,东西向跨度72m,采用如图1(c)所示柔性支承体系。整个玻璃幕墙共设9道主刚架,各相邻主刚架间相距8m,相邻两榀主刚架间设置了3道彼此相距2米的普通鱼腹式柔性拉杆结构,鱼腹拉杆直径为 22,直拉杆的直径为 12,刚架的材料为Q345,拉杆的材料为不锈钢1Cr18Ni9。清华大学土木系和珠海特种玻璃集团公司(KGE)联合对其进行了预应力加载的室内和现场试验,取得了大量的第一手数据。

2.3　柔性支承结构体系在玻璃采光顶中的应用

深圳市市民中心是深圳市标志性建筑[12,13]。采光顶位于该工程东区博物馆大堂上空,平面尺寸30m×54m,结构高1.5m,覆盖面积1620m2,临空高度21.7m左右。该采光顶采用预应力拉索网架(图4)作为支承结构,将预应力技术与空间网架技术相结合,使采光顶通透、轻巧、美观,收到很好的建筑效果。

近几年,我国自行设计、施工、安装的清华大学游泳馆、深圳市青少年宫、宁波机场航站楼、广州国际展览中心等大型预应力钢索(杆)玻璃幕墙和采光顶工程相继完工。该项技术已越来越为设计者和用户所接受。

2002年空　间　结　构第2期

图4　深圳市市民中心采光顶拉索桁架示意图

3　研究现状

3.1　数值分析方法及其研究现状

柔性支承体系玻璃建筑是典型的非线性大变形柔性结构。在该体系中,构件的应变仍在材料的弹性范围内,应力应变关系遵从虎克定律,但描述其具体变形特征的基本关系即应变与位移的关系是非线性的,其中非线性项的数值不象小变形问题那样相对线性项可以略去,而是不可忽略和必须考虑的。基本关系的非线性使得所建立的力学微分方程成为非线性微分方程。

柔性索结构的静力计算方法分为两大类,即连续化方法和离散化方法。连续化方法通过线性化处理以避免求解非线性方程,它适用于小垂度问题,不能处理现实工程中的大变形问题。离散化方法即有限元方法,其基本思想是对柔性索结构进行有限元化处理,然后在局部坐标下形成单元刚度阵,再构成总体坐标系下的结构总刚度矩阵,建立有限元基本方程并用计算机进2002年吴　朋等:玻璃建筑柔性支承结构体系的应用与研究第2期