预应力单层索网幕墙结构分析

预应力单层索网幕墙结构分析
[摘要]根据某幕墙受力形式特殊的特点，采用不同边界模型进行结构分析，并进行结构设计。

[关键词]幕墙结构分析边界条件
[abstract] according to force a curtain wall form the special characteristic, using different boundary model structure analysis and design.
[key words] curtain wall structure analysis boundary conditions
中图分类号：tu74文献标识码：a 文章编号：
1工程概况
某幕墙采用单层索网的结构形式，立面由尺寸为30m x 23.4m （宽x高）的双向张紧的直索组成，水平索间距1400mm，竖索间距2000mm，水平索与竖向索均为单索。

索两边连接在两侧主体结构上（均与框架柱连接），上边连接在两座主体结构间的主桁架上，下索连在地面及钢门框雨棚顶。

幕墙宽为30m，高仅为12.8m（除掉钢框架雨棚高度），故本幕墙风荷载主要沿短向跨度竖向索传递。

竖向索为主要传力索，其边界条件为桁架和门框架，均为弹性支座。

2 荷载作用
2.1 重力荷载
幕墙自重1.50kn/m2。

2.2 风荷载
计算幕墙索网结构变形时，基本风压按50年一遇取值，计算索网结构承载力时，基本风压按100年一遇取值。

50年一遇的风荷载标准值：1.32kn/m2；100年一遇的风荷载标准值：1.44 kn/m2。

2.3 地震作用
地震作用：抗震设防烈度为7度，根据《玻璃幕墙工程技术规范》表5.3.4规定，动力放大系数取β=5.0；作用在幕墙索网结构平面外地震荷载标准值：kn/m2。

2.4 温度作用
温度作用取值范围为±35℃；考虑到索的线膨胀系数
1.32x10-5，升降温35℃引起的结构应变为0.5‰，约占索初始应变的1/5，故风荷载宜与温度作用应同时考虑。

2.5 荷载组合
考虑各种不利的荷载组合情况，列出荷载工况组合如下：
（1）正常使用状态
工况1：1.0（恒载+预应力）+1.0风载+温度升高；
（2）非抗震计算
工况2：1.2恒载+1.0预应力+1.4风载+温度下降
（3）抗震计算
工况3：1.2恒载+1.0预应力+1.3平面外地震力+1.4x0.2风荷载+0.2温度下降。

2 结构分析
采用ansys建立模型，横索、竖索均采用link10单元。

横索施
加2.25‰的初始应变（80kn初始拉力），竖索施加2.5‰的初始应变（150kn初始拉力）。

竖直拉索取φ28；水平拉索取φ18，弹性模量e=1.3x105mpa。

预应力单层索网幕墙需要满足的要求：正常使用时，索网变形值不可过大，需保证玻璃正常工作，索安全系数不低于2.5，索网平面外变形小于1/50短向跨度[25-27]。

2.1 边界条件
刚性边界模型：采用简化铰接边界，幕墙索四周平动位移均约束，见图1。

弹性边界模型：建模输入顶层钢桁架及桁架两侧框架柱，雨棚钢架也真实输入，偏安全的将框架柱所对应楼层处约束水平位移，见图2
2.2 刚性边界模型
初始应变施加后求得结构水平索初始拉力为8kn，竖向索拉力为15kn。

对此模型施加工况1，得到幕墙正常使用状态下平面外位移最大为143mm（见图3），满足规范索要求；对此模型施加工况2，得到风荷载作用下索的应力，如图4：竖索最大拉力发生在幕墙顶部钢框架正上方，索力为314kn～318kn（应力为500mpa），幕墙两侧竖索拉力较小250～270 kn，地面竖索拉力为180～195kn，门框顶竖索拉力为275kn（295mpa）；横索大部分为83～100kn，局部最大126kn（500mpa）。

幕墙顶部钢框架正上方竖索拉力最大，而横索拉力与初拉力80kn相比变化较小，说明风荷载主要由竖向索进行传递；钢门框角部横索拉力变化较大，主要是因为其限制幕墙两端
竖索在风荷载作用下的变形。

图3 刚性边界幕墙索位移图图4 刚性边界幕墙索应力图
2.3 弹性边界模型
考虑到风荷载作用前桁架初始状态为竖向无挠度，本模型对边界点施加反向初拉力以平衡幕墙索的初始应力，保证计算模型与实际情况相符。

对此模型施加荷载工况1，得到幕墙正常使用状态下平面外位移最大为228mm（见图5），为幕墙索短向跨度的1/55，满足规范索要求；对此模型施加荷载工况2，得到风荷载作用下索的应力，如图6：竖索最大拉力发生在幕墙顶部钢框架正上方，索力为285kn ～300kn（应力为485mpa），幕墙两端竖索拉力较小250～260 kn，地面竖索拉力为178～188kn，门框顶竖索拉力为250kn；横索大部分为83～100kn，局部最大126kn（500mpa）。

正常使用状态下，弹性边界与刚性边界幕墙索最大面外位移分别为234mm，和143mm，弹性边界幕墙索位移比刚性边界增加60%；荷载工况2作用下，弹性边界与刚性边界对应的幕墙索应力变化很小，竖索最大拉力仅变化6%。

可见边界条件对幕墙索力无明显影响，可采用简化模型进行索拉力估算；但其对位移影响很大，应引起足够的重视。

图5 弹性边界幕墙索位移图图6 弹性边界幕墙索应力图
3 幕墙结构设计
对幕墙索施加初始预应力是为了保持幕墙索网体系初始状态的
稳定和产生必要的刚度；预应力的大小对索桁架刚度影响不大, 但对单层平面索网结构的刚度贡献很大；本文采用两个算例对其进行对比分析。

算例1：幕墙竖索预拉力由20kn变为30kn（即预应力增加50%），其余条件均同弹性边界模型，对此模型施加荷载工况1，得到幕墙索最大面外位移为170mm（见图7），位移比弹性边界模型减少了27%。

算例2：幕墙竖索的索径由φ28变为φ36（即面积增加60%），其余条件均同弹性边界中模型，对此模型施加荷载工况1，得到幕墙索最大面外位移为228mm（见图8），位移比弹性边界模型减少了2.5%。

图7算例1幕墙索位移图图8算例2幕墙索位移图
由以上算例可知，单层索网幕墙的面外刚度主要由索的初始预应力提供，初始预应力的大小会对单索幕墙面外刚度产生很大的变化；单索幕墙面外刚度对拉索初始预应力大小较为敏感。

本工程幕墙索网边界条件均为弹性边界，钢桁架在风荷载作用下竖向挠度为8.2mm，为其跨度的1/3600，钢门框竖向挠度为1.2mm；钢桁架和钢门框挠度的变化引起竖索的应变为0.73‰（相当于
95mpa应力），由于索应力减小引起的索网刚度的变化很大，幕墙面外位移增加60%（相对与刚性边界）；可见本幕墙竖索对边界条件非常敏感，设计时应对屋顶钢桁架和钢门框的竖向刚度提出严格要求。

此外，钢桁架和钢门框均会承担竖索面外分力25kn，其面外刚度也应给予保证。

4 结论
本幕墙索受力形式特殊，竖向索除了承受玻璃荷载外，还承担了绝大部分风荷载作用；通过以上分析，得到以下结论：（1）屋顶钢桁架对幕墙两侧主体结构有较强的协调作用，水平地震作用引起幕墙横索应变较小，仅为0.4‰，且水平索为稳定索，仅承受很少的风荷载，故水平索满足设计要求；
（2）幕墙面外所受风力荷载约为地震力的2倍，即抗震设计对幕墙索设计不起控制作用；
（3）温度作用引起的幕墙索应变为0.5‰，大约占索初始应变的1/5，故风荷载与温度作用应同时考虑；
（4）索桁架刚度较强，索的非线性效果较弱，索所提供的刚度主要由索面积及其弹性模量提供，而单索幕墙在面外荷载作用下会产生很强的几何非线性，面外刚度主要由单索初始预应力提供；单索幕墙提高索预应力效果要远好于提高索面积的效果，如本例中将索预应力及其面积分别提供50%，其面外位移分别改善27%和2.5%；
（5）钢桁架有较强的协调作用，两座主体结构间的相对变形很小；
参考文献
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