预应力玻璃结构

29
玻璃结构的设计要点

玻璃结构的选型
根据跨度和功能要求选择玻璃结构类型，如全玻璃 结构或玻璃-金属组合结构。当选择玻璃-金属组合 结构时，是刚性结构还是柔性结构支承体系。

玻璃结构的形态分析和荷载效应分析
（1）支承结构为刚性结构，计算采用线性计算方法 （2）柔性结构体系，结构变形较大，分析时应考虑 几何非线性的影响。
54
第一阶振型（f=0.83Hz）
55
第二阶振型 (f=0.92Hz)
56
第三阶振型 (f=1.02Hz)
57
¾ 南侧幕墙 （South Cable Net Wall）
结构前10阶自振频率（Hz)
1 0.98 6 1.87 2 1.11 7 1.94 3 1.29 8 2.02 4 1.52 9 2.06 5 1.76 10 2.21
10Biblioteka -5P.S.D10
-7
10
-9
10
-11
结构最大位移点位移时程 和功率谱曲线
0.01 0.1 1 10
10
-13
Frequency (Hz)
66
0.5 0.4
0.5 0.4
Displacement (m)
Displacement (m)
0 10 20 30 40 50 60
0.3 0.2 0.1 0.0 -0.1
32
国外的典型工程 大阪海洋博物馆
33
34
35
36
37
38
汉堡博物馆庭院上的顶棚
39
汉堡博物馆庭院上的顶棚
40
国内采光顶工程：
北京植物园
41
深圳市民中心采光顶
42
马 鞍 形 采 光 顶
43
浙江万里学院采光顶
44
武汉精伦采光顶
45
7.3 工程实例分析
46

新保利大厦高106m，共23层，建筑平面呈等边直 角三角形，直角边长76m。 大厦主体结构由位于三角形角部的3个钢筋混凝土 核心筒和连接两个直角边的钢－砼组合框架结构 组成。 在大厦的东北立面上设置了大面积点支式玻璃幕 墙围护结构。幕墙在立面上呈倒L形，轮廓尺寸 57.6×87.7m，单体面积约4000m2，是目前国内 建造的同类幕墙结构中跨度最大的一座。

关键节点设计
30
形态分析
1、零状态(无自重、无边界、无预应力) 2、初始态(自重和预应力作用下的自平衡状态)
d1+d2 d2
d1
d1
m
......
a
b
c
d
e
f
不平衡态 初始状态
平衡状态
不平衡状态
平衡状态
不平衡状态
平衡态
31
7.2 预应力玻璃采光顶结构




与玻璃幕墙结构类似，玻璃采光顶结构也是由 玻璃面板、连接爪件和支承结构三部分组成 就玻璃面板和连接爪件而言，两者在很多技术 上是相通的；但是在支承结构方面，两者各有 其自身特点。 采光顶的支承结构除了要满足通透性这一基本 要求外，其结构体系与一般屋盖结构类似。 采光顶的支承体系可以采用一般刚性结构，也 可以采用柔性的悬索结构，还可以采用兼具 “刚”、“柔”特点的混合张力结构。
58
第一阶振型 （f=0.98Hz）
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第二阶振型 （f=1.11Hz）
60
第三阶振型 （f=1.29Hz）
61
¾ 小结 （Summary）
1) 东北幕墙上不同部位的索网刚度差异较大。其中 上部幕墙由于受到两条主钢索的约束作用上，刚 度较好；而右下侧幕墙，由于其跨度较大，因此 刚度相对偏柔。 2) 南侧幕墙在质量和刚度上分配都比较均匀，因此 其振动形态类似一块薄板；横向水平拉索对结构 动力刚度的贡献较大。 3) 结构的前几阶振型均在1Hz附近，而这恰好是风 荷载能量较集中的频率区间。因此可以判定该幕 墙属风敏感结构，需做进一步的风振分析。
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•大型公共民用建筑中第一个采用索结构点支玻璃技术的是 上海大剧院，1998年建成。
26
•第二个大型索结构点支玻璃幕墙是南京国际会展2000 年建成（国内独立完成）
面积：1200m2，高度：35m左右，长度：70m～252.4m
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承重受力孔
点 支 式 玻 璃 幕 墙 工 作 原 理
承重受力孔
53
2.结构自振特性分析
2. Frequency Analysis
¾ 东北侧幕墙 （North-East Cable Net Wall）
结构前10阶自振频率（Hz)
1 0.83 6 1.46 2 0.92 7 1.51 3 1.02 8 1.61 4 1.20 9 1.65 5 1.36 10 1.69
水平受力孔
承重受力托块
承重受力托块
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幕墙结构设计的一般原则
1. 幕墙应按围护结构设计，不承担主体结构的荷 载和作用。 2. 幕墙及其连接件应具有强度和刚度，以避免在 风荷载、地震和温度作用下产生破坏或过大变 形。 3. 连接件应具有足够的位移能力，以避免玻璃因 应力集中而破坏。 4. 应考虑重力荷载、风荷载、地震作用、温度作 用和主体结构位移影响下的安全性。
-12
0.0 -0.1 0 10 20 30 40 50 60
10
-14
0.01
0.1
1
10
Time (s)
Frequency (Hz)
右侧索网节点位移时程和功率谱曲线
67
210 205 200
10
1
Force (kN)
195 190 185 180 175 170 0 20 40 60
10
-1
P.S.D
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1. 计算模型及相关参数的确定
1. Calculation Model and Parameters
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¾ 东北侧幕墙 （North-East Cable Net Wall） • 横向索：
Φ34不锈钢钢绞线 初始预张力220kN • 竖向索： Φ26不锈钢钢绞线 初始预张力80kN • 主钢索： Φ206低松弛高强钢丝 束 1650t(L),1100t(R)
7. 预应力玻璃结构
Prestressed Glass Structures
主讲人：武 岳
哈尔滨工业大学
7.1 预应力玻璃幕墙结构 7.2 预应力玻璃采光顶结构 7.3 工程实例分析
1
7.1 预应力玻璃结构

玻璃结构的定义：
由玻璃面板、支承结构和连接件组成的建筑外围 护结构。

建筑要求：
通透性，形成宽敞、明亮的室内空间。
10
-3
10
-5
10
-7
0.01
0.1
1
10
Time (s)
Frequency (Hz)
横向索内力时程和功率谱曲线
215 210
12400
12200
Force (kN)
205
Force (kN)
0 20 40 60
200 195 190 185 180
12000
11800
11600
11400
175
0 20 40 60
65
¾ 东北侧幕墙+负风压
（North-East Cable Net Wall Under Wind Suction）
0.9 0.8
Displacement (m)
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 -0.1 0 10 20 30 40 50 60
Time (s)
10
-3
Tension rod trusses; point fixed glass
24
Kempinski Hotel Munich Airport Cable net glass wall; 33 m span architect: Murphy/Jahn engineer: Schlaich Bergermann c. 1991
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¾ 南侧幕墙 （South Cable Net Wall） • 横向索：
Φ26不锈钢钢绞线 初始预张力160kN • 竖向索： Φ20不锈钢钢绞线 初始预张力60kN • 玻璃分格尺寸： 1.5×1.333m • 幕墙自重：60kg/m2
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¾ 参照标准 （References ）
• GB 50009-2001 建筑结构荷载标准 • GB 50011-2001 建筑抗震设计规范 • JGJ 102-96 玻璃幕墙工程技术规范 • CECS 127-2001 点支式玻璃幕墙工程技术规程 • 顾志福，新保利大厦塔楼风荷载研究，2003,8 • 施工图文件，美国SOM建筑设计公司，2003,12

结构要求：
采用尽量大的玻璃分格，降低支承构件的杆件截 面，提高连接件的安全性和耐久性。
2
南京国际会展（2000年）
3
哈尔滨会展（2002年）
4
广州国际会议展览中心（2002年）
5
广州新白云机场主航站楼（2003年）
6
北京天文馆（2004年）
7
玻璃结构的构成

玻璃材料
（1） 脆性材料，一直到破坏之前，应力—应变几乎 是线性关系； （2）常用建筑玻璃包括：退火玻璃、钢化玻璃、夹胶 玻璃和中空玻璃等。
Time (s)
Time (s)
竖向索内力时程
主钢索内力时程
68
¾ 小结 （Summary）
1) 结构各点的振动幅值差异较大，其最大振幅可达到 0.8m左右，基本满足结构跨度1/50的要求。 2) 在1Hz左右的频率区间结构振动出现峰值，说明在此 频率附近出现共振现象。 3) 在风吸力的作用下主钢索内力增加，横向拉索出现不 同程度的松弛，说明风吸力对索网结构的整体刚度是 不利的。 4) 索的内力变化相对于初始预张力而言很小，说明对于 像索这样的强几何非线性结构，其在风荷载作用下的 位移响应问题是主要的，通常索自身的强度问题不起 控制作用。