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中国对世界幕墙技术发展的新贡献(三)

来源:  作者:张芹  日期:2005-2-22
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  张拉索杆结构点支式玻璃幕墙已发展为拉索杆点支式玻璃幕墙、单层索网点支式玻璃幕墙、张拉自平衡索杆结构点支式玻璃幕墙体系,前两种使用于锚定结构能承受张拉力的建筑,在主体锚定结构不能承受张拉力时,使用张拉自平衡索杆结构。同时可用三者中任何二三种组合成张拉索杆结构体系。对于层高较高的建筑,往往用桁架作为主支承结构,当桁架按每块玻璃宽度设置即玻璃全支承在桁架上时为桁架点支式玻璃幕墙,当桁架按多块玻璃宽度设置时,需在桁架上设置水平拉索杆,或张拉自平衡索杆结构作为横向支承,在竖向桁架上和水平支承结构上分设钢爪固定玻璃,即为竖向桁架、水平拉索杆或竖向桁架、水平向张拉自平衡索杆结构点支式玻璃幕墙。当采用水平拉索时要注意边柱伸缩缝处柱对水平张力的平衡。而水平张拉自平衡索杆结构的水平张力由梭形的自平衡结构中的压杆承担,不传给桁架柱,桁架柱只承担张拉平衡结构索杆的支座反力。

   JGJ1O2-2003《玻璃幕墙工程技术规范》规定“主体结构应能承受拉杆体系或拉索体系的预拉力和荷载作用产生的内力”。

  张拉索杆结构点连接全玻璃幕墙是将玻璃面板用钢爪固定在张拉索杆结构上的全玻璃幕墙。它由三个部份组成玻璃面板、张拉索杆结构、锚定结构。

  张拉索杆结构是跨越幕墙支承跨度的重要构件,张拉索杆结构悬挂在锚定结构上,它由按一定规律布置的高张强度的索及连系杆组成。张拉索杆结构起着形成幕墙系统,承担幕墙承受的荷载并将其传至锚定结构的任务。

  锚定结构是指支承框架屋面梁、楼板梁、地锚、水平基础梁等组成,它承受张拉索杆结构传来的荷载,并将它们可靠地传向基础,同时锚定结构也是张拉索杆结构赖以进行张拉的主体。张拉索杆结构要强力拉紧后才能形成幕墙系统,为了获得稳定的幕墙体系,必须施加相当的拉力才能绷紧,跨度越大,所需的拉力就越大,为此就须要有承受相当大反力的锚定结构来维持平衡。张拉索杆结构依托的锚定结构和采用刚性结构幕墙的主体结构的要求是不一样的:采用刚性结构幕墙的主体结构除了使用荷载结构自重和活、雪荷载外,只承受由幕墙连结件通过点连结传来幕墙上的水平作用风荷载地震作用和竖向作用自重。张拉索杆结构依托的锚定结构除了承受上述作用外,还要承担张拉张拉索杆结构的预应力以及张拉索杆结构受荷后产生的拉力反推力,这就要求这些锚定结构在主体结构使用荷载和张拉索杆结构拉力共同作用下能满足安全使用,即其承载能力在上述荷载共同作用下,要满足要求,其正常功能挠度也要在控制范围之内。如果锚定结构在承担使用荷载后,其承载能力不能承受张拉索杆结构的拉力,这样拉索式点连接幕墙就不能施工或要采取加固补强措施。张拉自平衡索杆结构的张力由梭形的自平衡结构中的压杆承担,不传给锚定结构,锚定结构只承担张拉平衡结构索杆的支座反力。

  玻璃面板由安装在张拉索杆结构上的钢爪进行固定,作填缝处理后,最终形成幕墙系统。玻璃面板、张拉索杆结构、锚定结构组成幕墙系统。

  玻璃面板、张拉索杆结构、锚定结构三者互相依存、互相制约、互相影响。张拉索杆结构要悬挂在锚定结构上进行张拉,才能形成具有固定形状和刚度的桁架。因此,锚定结构除了承受主体结构使用荷载自重、活荷载、风荷载、雪荷载、地震作用外,还要承受张拉索杆结构的预拉力以及张拉索杆结构受荷后产生的拉力反推力。而且这个拉力相当大,它产生的效应有时甚至会超过使用荷载作用的效应,如果在设计建筑物主体结构时,对支承张拉索杆结构的锚定结构不考虑张拉索杆结构拉力产生的效应,拉索式点连接玻璃幕墙就无法使用改用刚性桁架或必须对主体结构进行加固补强这时可能会影响其建筑效果,同时锚定结构在施工和使用过程中的挠度变位等又对张拉索杆结构和面板产生影响,影响张拉索杆结构的有效预应力(预应力损失值和张拉索杆结构的形状,从而影响面板的位置和效应,面板的刚度也会影响张拉索杆结构的刚度和稳定。

  张拉索杆结构是柔性的张拉结构,在没有施加预应力之前没有刚度,其形状也是不确定的,必须通过施加适当的预应力赋于其一定的形状,才能成为能承受外荷的结构。在给定的边界条件下,所施加的预应力系统的分布和大小这是一套自平衡的内应力系统,同所形成的结构初始形状是相互联系的。如何最合理地确定这一初始形状和相应的自平衡预应力系统,就是张拉结构“外形确定”或更确切地称之为“初始平衡状态的确定”这一命题要解决的任务,这是张拉索杆结构这种张拉结构设计中的一个关键问题。张拉索杆结构以一系列受拉索为主要承重构件,这些索按一定规律组成各种不同形式的索系,并悬挂在相应的锚定结构上。在锚定结构不能承受张拉索杆结构的张力时可用张拉自平衡索杆结构,这种结构的张力由自平衡杆来平衡,张拉自平衡索杆结构一般为梭形,中央的压杆用来平衡两侧拉索的张力,我们对张拉自平衡索杆结构的张力平衡要有全面的认识,即在始态它平衡两索的预应力,此时压杆在对称的预应力下是轴心受压结构,而在承受水平作用后,张拉自平衡索杆结构一侧张力增大要求不能大于索强度设计值,另一侧预张力由于索回缩而逐步损失要求回缩后的长度不能小于下料长度,即不发生松弛,此时张拉自平衡索杆结构为偏心受压结构。

  张拉索杆结构是靠结构变形后产生的拉力来平衡外荷,张拉索杆结构既连结玻璃面板又连接主体结构,既要有足够的索变形以平衡外荷,又要求变形不致过大,从而保证玻璃面板和建筑立面的平整性和水密性。

  张拉索杆结构由两层索承力索、稳定索以及它们之间的联系杆组成,双层索和连系杆一般布置在同一竖向平面内,双层索系要分别锚固在稳固的锚定结构支承框架、地锚、水平基础梁等上,这样才可以对体系施加预应力,对索系进行张拉,使索系绷紧使索内保持足够的预应力,以保证索系具有必要的形状、稳定性。由于存在预应力,两层索一起抵抗水平荷载作用,从而整个索系的刚度得到提高。预应力双层索系是解决张拉索杆结构形状、稳定性问题的一个十分有效途径。

  每榀张拉索杆结构在平面内是稳定的,但在平面外是很不稳定的。如果单榀张拉索杆结构侧向之间没有支撑把它们互相连接起来,结构就会因为整体失稳而破坏。为了满足设计要求和保证结构稳定,希望考虑玻璃的作用,也就是把玻璃作为张拉索杆结构的横向支撑。这样做在某些情况下能达到目的,此时玻璃将不可避免地要参与张拉索杆结构体系的工作,成为索系的分布结构,而玻璃会由于附加内力而破坏,一旦玻璃破碎,张拉索杆结构体系将失稳,因此,想利用玻璃来加强结构的刚度以减少或取消侧向支撑的方法是不可取的。
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