单向单索幕墙结构设计.docVIP

单层单向索系幕墙结构设计 刘玉 谢得亮 (一)、概述 广东省东莞市某项目玻璃幕墙采用单层单向索系结构，幕墙高度总高约8.4m，单索索上下两端为铰接支座，也即计算水平荷载作用时。单索的计算长度约为8.4m，竖向索为主受力索，其重力由单索全部承担。由于单索计算长度为8.4m，属较小区间，并且此处的平面为弧形平面，不利于平衡索的布置，在适当提高单索安全余量的前提下，可不设置侧向平衡索。单索上的水平荷载为沿跨度均布。 该处点式幕墙采用单索支承形式，玻璃采用12+12A+12mm中空钢化玻璃，玻璃板块宽为1825mm，高为2100mm。拉索最大侧向间距为1825mm，钢索锚固于混凝土梁上。幕墙风荷载标高按10.0m考虑。基本风压为Wo =0.60 kN/m2；场地类别为C类；抗震设防烈度：6度；设计基本地震加速值为a=0.05g；东莞地区，年度最大温差取80oC，本例假设施工时环境温度近似处于平均值，本拉索温度的升高或降低取值为+40oC或-40oC。风荷载体型系数取-1.2。 (二)、单层单向索系幕墙结构承载理论 无论是单层单向索系结构还是单层双向平面索网结构，在未加预应力之前，索只有抗拉刚度，在平面内外均无抗弯刚度，索只能承受拉力，即无法承受水平荷载。施加预应力之后，考虑应力刚化几何非线性，结构刚度会改变。单层单向索系结构和单层双向平面索网结构几何非线性表现主要有应力刚化与大位移小应变两类。 由于结构中面内应力状态的影响，中面内应力与横向刚度的耦合效应，通称应力刚化，在薄的、高应力的结构中，如缆索或薄膜结构中最明显。由于应力刚化单层索系索网结构平面内外抗弯刚度增大，但单纯靠施加预应力以承受水平外荷载，必定会增大索截面，同时也会使锚固索的混凝土梁设计特别大，不经济。 考虑到单层单向索系幕墙结构在正常使用状态下容许水平位移可达到L/50（业内经验），L为索设计跨度，索结构的挠度虽达到1/50，但其应变仍是很小的，满足小应变假定。所以经济的设计方法是同时考虑大位移小应变几何非线性效应，即P-△二阶效应，其原理详见图一。 上图中，当索AMC在索中外力P的作用下， M点移到M’点，即位移δ=MM’，并产生夹角α ，令AM’=L’，即L’=(L2+δ2)0.5，当夹角α 很小时，(L2+δ2)0.5≈L，即L’ ≈L。 由力的平衡原理可知，2*T*Sinα=P 式中，Sinα=δ/L’≈δ/L 即: T=P/(2* Sinα)=P/(2*δ/L) =P*L/2δ 该式表明，在外荷载P不变的情况下，水平位移δ越大，索内力T越小。可见单层索系索网结构平面内外抗弯刚度主要是靠索内力（施加预应力与外荷载作用下索的内力总和）与平面外位移的二阶效应实现的。故单层索系索网结构经济的设计方法就是充分利用满足正常使用的容许水平位移。但现用规范中还没有单层索系索网结构容许挠度的规定，业内经验按L/40~50设计（L为索设计跨度），均能满足幕墙的正常使用要求。为确保安全，本案例容许挠度取L/50。 (三)、单层单向索系幕墙结构人工理论计算 1、概念 ⑴、钢绞线的强度标准值取破折拉力(不是屈服强度)， JGJ102-2003规定材料分项系数K2=1.8，即：强度标准值/强度设计值=1.8。故恒荷载总安全系数取为1.2×1.8=2.16，活荷载总安全系数取为1.4×1.8=2.52。 ⑵、单索在水平荷载标准值作用下，其挠度控制值为[f]=1/50。（实际工程中有的取值为1/40） 竖向单索水平位移控制值为[δ]=L/50=8400/50=168（mm） 2、水平荷载计算 ⑴、水平荷载 荷载和作用效应组合的分项系数,按以下规定采用: A、承载力计算时: 重力荷载: 1.2 风荷载: 1.4 地震作用: 1.3 B、挠度和变形计算时: 重力荷载: 1.0 风荷载: 1.0 荷载和作用效应组合的组合系数,按以下规定采用: 第一个可变荷载按1.0取用 第二个可变荷载按0.5取用 由计算可知， 风荷载标准值为1.12(KN/m2) 风荷载设计值为1.568(KN/m2) 水平地震作用效应标准值为0.16(KN/m2) 水平地震作用效应设计值为0.208(KN/m2) 水平荷载标准组合值WK合=1.0×1.12 =1.12(KN/m2) 水平荷载设计组合值W合=1.0×1.568+0.5×0.208=1.672(KN/m2) 由上计算可知，垂直于玻璃面的荷载标准值为1.12kN/m2，垂直于玻璃面的荷载设计值为：1.672kN/m2。一榀单索的受力面宽度为1825mm，也即相应的线荷载为： 荷载标准值线荷载：1.12x1.825=2.044(kN/m) =2.044(N/mm) 荷载设计值线荷载：1.67