4.1 大跨度的钢结构。
为满足幕墙的通透性的要求,大跨度的钢结构多作为此类幕墙的主抗风结构,其布设间距较大,一般在幕墙玻璃面板横向分格两块以上布置一榀。如广州会展中心幕墙工程,其主抗风柱的水平布置间距为5.0米(两块玻璃水平分格尺寸),广州新白云机场幕墙工程,
其主抗风柱的水平布置间距为9.0米(三块玻璃水平分格尺寸)等。∶该类钢结构跨度大,主要是抵抗其水平布置间距内的幕墙的水平荷载,并将荷载的作用力传递给建筑主体结构。主抗风柱之间的支承结构多采用轻盈通透的钢索结构或玻璃肋结构等轻型结构。该类钢结构在实际的设计中较多地采用了钢管桁架的形式(如图3)。此类主抗风钢柱还可以采用一些构造新颖的造型,如采用开孔的
钢板拼焊的钢立柱,又有一种完全不同的风格(如图4)。
有些幕墙工程外形复杂,由许多不规则的曲面构成,此时幕墙的支承结构可以全部采用钢结构,因为钢结构具有良好的加工性,可通过拉弯等工艺弯曲成各种形状,以适应复杂立面造型的需要。如北京天文馆幕墙工程的入口处的马鞍形幕墙，其支承结构就全部为钢管结构。如图五。
幕墙主抗风钢桁架柱的顶底连接在设计时应予以重点的考虑。由于场馆类建筑的屋顶主体结构是自成体系的大跨度结构,其在外荷载作用下在X、Y、Z三个方向的变形均较大,为避免对立面维护结构造成破坏,幕墙支承结构一般只将水平荷载传给屋顶主体结构,
其连接节点要能够适应屋顶结构三维空间的位移量,且幕墙顶部与屋面结构需采用柔性连接密封收口。如图6是一种典型的连接节点,此种双向铰机构既可传递幕墙水平荷载,又可适应屋顶结构三维空间的位移量;在幕墙面板与屋面板之间采用风琴
橡胶板连接,既可保证幕墙的密封性能,又可保护幕墙面板不会被屋面较大的变形所破坏。主抗风钢桁架柱的柱脚设计时既要考虑水平荷载和竖向重力荷载的综合作用,又要兼顾外观的装饰性,一般可以设计成双铰板或三铰板,还可以使用铸造柱脚(如图7)。
钢结构的设计计算可以使用电算软件完成,如同济大学开发的3d3s具有强大的计算功能,可对整体钢结构模型的强度、刚度及
稳定性进行全面的计算分析。
4.2 预应力钢索结构。
预应力钢索结构由于其结构造型的新颖别致,构件的精致纤细等特点,在场馆类建筑玻璃幕墙支承结构中得到了广泛的应用。预应力钢索结构中的钢索材料是一种柔性材料,仅能够承受拉力不能够承受压力,需要对钢索材料施加一定的预应力使其具有一定的刚度,才能够作为玻璃幕墙的支撑结构。目前常用的预应力钢索结构的形式有:预应力钢索桁架,预应力钢索自平衡桁架,预应力单层索网结构等。预应力钢索桁架是通过
撑杆连接前后两根钢索,并对钢索施加预应力具有一定的形状(通常是鱼腹(尾))形,形成能够承受玻璃幕墙荷载的平面桁架。特点是节点构造精致、美观、纤细,通透性好,但索桁架需占用一定的空间,钢索的内力需要靠主体结构或边框结构来承受。钢索桁架的预应力需要在工地现场施加完成,现场工作量较大。预应力钢索桁架矢高对钢索桁架结构受力的影响很大,矢高越大,使用的钢索直径就越小,钢索桁架的整体位移也越小。但矢高太大会占据较大的室内建筑空间,影响钢索桁架的美观性,在设计中对钢索桁架的矢高取值一般是其跨度的1/10～1/12。图8所示为两种基本的预应力钢索桁架的形式在实际幕墙工程中的应。
预应力钢索自平衡桁架是在一般钢索桁架的前后钢索间布置了一根纵向的压杆,钢索的内力由纵向压杆来承担,不传给主体或边框结构。特点是自平衡桁架同样要占用一定的空间,且压杆本身较粗重,对幕墙的通透性有一定的影响,但其桁架单元可以在工厂内预
制后运往工地现场,减少了现场的工作量。图9所示为预应力钢索自平衡桁架在实际幕墙工程中的应用。
预应力单层索网结构是由横竖钢索交叉构成预应力平面受力体系,由于省略了前后索之间的杆件,其结构本身做到了最大化的简洁、通透、轻盈,极大的释放了幕墙的使用空间。单层索网结构不具有平面外刚度,仅当产生平面外位移时才能抵抗来自平面外的荷载,即其平面外刚度是靠索预拉力的二阶效应来实现的。为将索网结构的平面外位移控制在一定范围内,钢索需要施加较大的预应力,所以对周边结构的受力要求也较高。图10所示为单层索网结构在实际幕墙工程中的应用。
预应力钢索结构设计中的两个关键步骤是预应力N。的确定和位移量F值的求解。预应力N0的施加需满足索结构的初始状态是平衡的、稳定的,并应保证钢索结构在受荷全过程中钢索始终处于张紧状态,钢索不因受压而退出工作,维持结构体系的
整体稳定,同时节点位移应满足要求。在《玻璃幕墙工程技术规范》JCJ102－2003中,对预应力钢索桁架的位移限值的规定是钢索桁架跨度的1/200,而预应力单层索网结构的位移限值目前国内一般的取值是主受力索跨度的1/50。预应力钢索结构是典型的几何非线性大变形柔性结构,利用目前国际上非常流行的有限元软件ANSYS的非线性模块,可以对钢索结构的受力状态进行精确的模拟分析。在分析中常用的单元类型为Link8单元和Link10单元,Link8单元可以用来模拟索桁架中的撑杆,Link10单元用来模拟拉索。Link10单元的初始应变的输人是索桁架有限元分析的关键数据,其计算公式为ε=N。/EA,其中N。即为钢索的初始预应力,A为钢索的有效截面积,对计算结果分析后可根据需要对A值进行调整,以确定最佳的钢索直径和预应力值。
4,3 大跨度的玻璃肋结构
玻璃肋结构具有平整光滑的质感、晶莹剔透的造型等优点,能够表达现代建筑的时尚寿色,因此在场馆类建筑玻璃幕墙支承结构中得到了较多的应用。玻璃是一种刚性材料,尽管具有非常高的内在强度,但由于其表面存在许多细小的裂纹,所以大大降低了玻璃的
强度设计值。玻璃作为幕墙支承结构时,常常以玻璃肋的形式出现,此时整个幕墙的面板及支承结构全部都由玻璃材料构成,所以又称全玻幕墙。考虑到安全性的因素,玻璃肋结构通常做成夹层玻璃或钢化夹层玻璃。其设计强度取玻璃的侧面强度,如12mm以下厚度的玻璃,普通
浮法玻璃设计强度值为19.5N/mm2,钢化玻璃设计强度值为58.8N/mm平方。跨度不大的玻璃肋可以用一整块玻璃制作,并以吊挂或落地的形式作为玻璃幕墙的支承结构。
对于跨度较大的玻璃幕墙,玻璃肋必须分段制作,且需将各段连接成为一整条肋结构,一般做法是在两玻璃肋的连接处开孔,并用
螺栓、金属
夹板、柔性垫片及
胶粘剂共同完成此节点的连接。需要说明的是由于此节点在外荷载作用下承受非常大的力和力矩,靠玻璃孔承压和螺栓受剪是无法完成力和力矩的传递,此时需利用连接部件与玻璃肋板之间的摩擦力来实现力和力矩的传递。这一点似乎有悖人们的常识,因为玻璃光滑的表面看起来摩擦系数很低,但实际上玻璃和金属的静摩擦系数在正常条件下几乎是相等的,都位于0.16～0.29之间,所以可以利用金属夹板和玻璃肋板之间的摩擦力来传递力和力矩。如图11.
5 结束语
大量的场馆类建筑的落成带动了建筑玻璃
幕墙技术的快速发展,而各类极具特色的建筑玻璃幕墙的使用也为场馆类建筑带来了勃勃生机。展望未来,还会涌现出许多技术含量高、施工难度大、造型新颖的场馆类建筑。通过研究实践各类玻璃幕墙在此类建筑中的应用,必将带动我国建筑幕墙技术进人一个新的发展阶段。
参考文献
[1] 《建筑结构荷载规范》GB50009-2001
[2] 《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2OO3
[3] 《公共
建筑节能设计标准》GB50189-2005
[4] 《悬索结构设计(第二版)》沈世钊 徐崇宝 赵臣 武岳
[5] 《建筑玻璃实用手册》Joseph S.Amstock主编,王铁华 李勇译
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