单层索网结构点支式玻璃幕墙抗震计算思路

单层索网结构点支式玻璃幕墙抗震计算思路

发表时间：2016-12-13T10:25:49.333Z 来源：《基层建设》2016年22期作者：刘媛丽

[导读] 摘要：单层索网结构点支式玻璃幕墙初始刚度较小的单层索网体系几何非线性较大，以及其地震反应受主体结构的影响不可忽视，使得单层索网结构点支式玻璃幕墙抗震计算思路有待进一步完善。

深圳市三鑫幕墙工程有限公司 518054

摘要：单层索网结构点支式玻璃幕墙初始刚度较小的单层索网体系几何非线性较大，以及其地震反应受主体结构的影响不可忽视，使得单层索网结构点支式玻璃幕墙抗震计算思路有待进一步完善。

关键词：单层索网结构；点支式；玻璃幕墙；抗震计算；思路

1计算思路

《玻璃幕墙工程技术规范》( JGJ102—2003) ( 以下简称幕墙规范) 将地震作用的动力作用转化为等效静力荷载，垂直于幕墙平面的分布地震作用标准值QEk可按下式计算:

QEk=βEαmaxGk/A

式中:Gk为玻璃幕墙构件的重力荷载代表值；A为玻璃幕墙平面面积；αmax为《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001)( 以下简称抗震规范) 中线性体系反应谱最大值；βE为考虑玻璃脆性引入的动力放大系数，可取1.0～5.0，一般取3.0。

此方法完全忽视了结构的动力特性，地震影响系数亦未考虑几何非线性体系地震反应谱的不同，而地震作用与结构的动力特性直接相关，需引入相关参数以考虑其动力特性。

图1 抗震设计方法比较

对一组不同周期的单层索网模型的地震反应进行分析计算，图1为幕墙规范等效静力法和15条地震波非线性时程分析计算结果平均值。计算结果表明:幕墙规范采用最大地震影响系数进行计算，忽略了长周期体系地震作用较小的特点，使计算结果偏大较多，因而抗震设计计算时有必要考虑索网动力特性的影响。

2改进等效静力法

2.1模态参与特性研究

实际工程中，玻璃幕墙的平面单层索网结构重力主要由竖向索承担，且由于索网横竖向跨度及刚度设计的差异，使得一般单层索网的振动频率不同于刚度双向对称的单层索网，并未表现出明显的频率密集的特性。

表1 幕墙索网结构参数

以典型索网结构为例，参数见表1，忽略几何非线性对频率和振型的影响，通过振型叠加反应谱法分析了索网幕墙地震作用下动力反应的模态参与特性。反应谱参数选取如下:北京地区Ⅱ类场地，抗震基本设防烈度为8度，最大地震影响系数为0.16，场地特征周期取0. 35s，结构阻尼比取0.02。

2.2简化设计公式推导

对于质量、刚度分布均匀的单层索网结构，类比一般意义上以剪切变形为主的质量、刚度分布均匀的常规结构，其抗震设计基于振型分解反应谱理论，取第1阶模态计算总地震作用力，再将计算所得总地震作用力分配到各质点上，基于其基本振型接近于双重三角正弦函数的假设，提出了单层索网结构的改进等效静力法。

根据振型分解反应谱理论，基本振型对应地震作用最大值可表示为:

F1i =α1γ1X1iGi

式中:α1为相应于结构基本自振周期的水平地震影响系数值；γ1为基本振型质量参与系数；X1i为基本振型质点i的振型位移；Gi为集中于质点i的重力荷载代表值。

对于四边支承单层索网，在直接地震作用下，即假设周边刚性，可得索网节点( s，k) 的地震作用为:

Fsk= α1γ1XskGsk，Gsk=mglxly

Xsk=usin（πslx/ Lx)sin(πkly/ Ly)

式中:lx，ly分别为索网横、竖索间距；Lx，Ly分别为索网横、竖向跨度；u为索网中心点振型位移。

则结构总的地震作用标准值:

其中：

则：

为了与单自由度体系地震作用表达式相似，令:

式中v为等效质量系数，其物理意义反映多质点体系底部剪力值与对应单质点体系剪力值异，需根据大量结构采用直接动力法分析的结果统计求得，文中参照抗震规范，取v= 0. 85。则:

FE=α1vG=α1vGeq

以上公式必须Gsk全部相等才能成立。因此，必须假定所有的节点质量均相等，即必须是均匀索网。所以文中公式适用范围为横索、竖索间距相等，玻璃等厚度、形状尺寸相同，各节点质量相同。

2.3非线性反应谱曲面

不同于线性体系的反应谱，其地震反应谱应由几何非线性因子和线性周期双参数控制，可按照抗震规范采用的抗震设计反应谱曲线的计算方法，从大量的实际地震反应谱(约300 多条)按主要影响因素(即场地条件、烈度、近远震分类)进行统计分析，以平滑后的加速度反应谱作为设计用的标准反应谱曲面。选取人工波和El Centro NS 波，不经过平滑处理，构造不同线性周期和非线性因子的几何非线性单质点体系，计算得Ⅱ类场地特征周期为0.35s，8度抗震设防，阻尼比为0.02的地震反应谱曲面如图2所示，并依此法确定索网结构基本频率对应的α1，计算索网幕墙地震反应，与相应时程分析结果进行比较，讨论上述改进等效静力法的可行性。