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]　A1　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2002年空　间　结　构第2期行求解。

有限元方法方便灵活,根据不同的研究对象可采用不同的单元模式,形成不同的有限元计算方法和理论。

用有限元方法求解柔性索结构,不论平衡方程或运动方程推导途径如何,最终归为一个非线性矩阵方程,一般采用逐步近似的迭代法求解。

在静力问题中,目前应用较多的方法是Newto n-Raphson迭代法和荷载增量法。

七十年代以来,人们利用有限元方法对柔性索结构在各种边界约束及荷载条件下的平衡问题和动力问题进行了大量的研究,在许多柔性索结构工程中得到成功应用[14～19]。

3.2　柔性支承结构体系研究在目前柔性支承结构体系的结构分析与设计中,普遍采用通用有限元计算软件,如ANSYS、SAP等。

如清华大学建筑玻璃与金属结构研究所采用ANSYS进行了清华大学游泳馆点式玻璃幕墙柔性支承体系的设计,并进一步对柔性支承体系的整体性能、玻璃对柔性支承体系的影响等进行了分析[9]。

在计算方法方面,东南大学刘军进、吕志涛对索桁架中的典型节段进行了静力分析,提出了计算假定,并给出了设计计算方法[20]。

深圳南玻幕墙工程有限公司李耀庭等提出了钢索杆结构的内力分析及挠度计算的简化方法,并提供了索杆结构的内力系数表[21]。

在相关软件开发方面,浙江大学罗尧治、董石麟在对索杆张力结构进行理论分析的基础上,研制开发了适用于这一体系的分析程序CST S,该程序适用于索穹顶、索网结构、索桁结构和张拉整体结构等体系的分析计算[22]。

目前,国内包括清华大学、浙江大学、同济大学、东南大学、哈尔滨建筑大学等院校都已开展了对柔性支承体系玻璃建筑的研究,为其在实际工程中的应用和进一步的发展提供理论基础。

3.3　试验研究目前国内有关柔性支承结构的试验研究较少。

2000年,深圳三鑫公司与广东省建筑科学研究院、东南大学土木系等合作进行了南京国际展览中心点支式玻璃幕墙预应力索桁架的试验研究,研究了柔性支承在水平荷载下的位移与应力变化,提出了一种比较可行的试验装置和加载方案。

同时暴露出柔性支承进行预应力加载试验的一些问题,为今后的试验研究提供了借鉴[9,23]。

之后又进行了广州新白云国际机场旅客航站楼主楼与连接楼玻璃幕墙自平衡索桁架、深圳市市民中心博物馆采光天棚索桁架等的试验研究,为工程提供了设计依据,并为进一步的理论及试验研究提供了基础[13,24]。

清华大学土木系与珠海晶艺特种玻璃集团合作,联合对中华世纪坛、清华大学游泳馆的点支式玻璃幕墙进行了强度安全测试、柔性支承的预应力施加室内试验和现场试验,提出了柔性支承结构中施加预应力的控制方法,为进一步研究提供了基础。

3.4　设计规范与规程我国于1996年颁布了第一本有关建筑玻璃幕墙的行业技术规范《玻璃幕墙工程技术规范》(JGJ102—96)[25],对玻璃幕墙的建筑设计、结构设计、制作及安装等作了详尽的规定。

随着点支式玻璃幕墙理论、实验研究的深入及应用的日益普遍,中国工程建设标准协会于2001年颁布了《点支式玻璃幕墙工程技术规程》(CECS127:2001)[26],为点支式玻璃幕墙的建筑设计、结构设计、制作及安装等提供了标准。

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4　研究方向随着柔性支承体系玻璃建筑被更多设计者和用户所接受,国内企业所面临的国外技术挑战也更为严峻,进行深入研究,不断完善该技术,同时开发新一代支承结构是当前推动幕墙技术向更高水平发展的当务之急。

目前,需要进行的研究包括:(1)柔性支承体系施工技术研究。

在对目前国内外柔性支承结构施工技术,如预应力的施加工艺等进行研究和改进的基础上,进行新方法、新技术的研究。

(2)柔性支承体系玻璃建筑承载、变形与整体稳定性分析。

在进行非线性理论分析的基础上,结合工程实际和国内已有的试验研究,采用有限元分析软件,对柔性支承体系承载性能、变形性能、整体稳定性能进行研究。

(3)在结构分析中,柔性支承结构中的刚架中压杆的稳定是一个需要特别注意的问题。

玻璃通过金属连接件将柔性拉索(杆)和刚架紧密连接在一起,起到了刚性支撑的作用。

另一方面,玻璃作为一种脆性材料,不能不考虑由于偶然因素产生破碎对结构稳定性的影响。

所以,应该对采用玻璃作为刚架的侧向支撑体系进行充分的研究。