（辽宁城市建设职业技术学院）
【摘 要】本文以实际工程设计为例，对点式幕墙自平衡结构系统利用有限元分析软件计算和研究分析，经过合理的构件截面设计，自平衡结构在超大跨度空间双曲面幕墙中应用是可行的,设计时应综合考虑预应力值、杆索截面变化引起的杆索应力变化及整体结构变形情况，通过精确的设计来提高结构效率，同时保证了立面效果与体系的安全性。
【关键词】点式幕墙；有限元分析；自平衡结构；预应力拉索
引言
1980年点式幕墙在国内首次使用，在我国到2001年出版相关行业标准，2003年形成较系统的国家标准。人们逐渐认识到点式幕墙的美观，开始少量使用点式幕墙是在2000年，直到2003年才开始大量使用，但是点式幕墙每个工程项目上应用的面积多数较小，直至2005年大型建筑规模的点式幕墙才越来越多。点式玻璃幕墙面板仅通过几个点连接到支撑结构上，自平衡结构系统的玻璃幕墙主要支撑结构是不锈钢杆件和预应力拉索，玻璃由金属紧固件和金属连接件与拉索连接，拉索固定于杆件上。本文研究的预应力自平衡结构杆件优势明显，在大型建筑及标志性建筑中的应用前景非常广阔。
一、工程结构设计
（一）点式幕墙自平衡结构系统的设计
承重杆技术人员都会计算，只需算出玻璃的重量就可以，最主要的承力索，尤其是拉索的预紧力更是重中之重。
1．根据建筑结构考虑幕墙的受力体系，幕墙主要承受的荷载为风荷载、重力荷载、地震作用和温度作用。
2．重力荷载一般是悬挂在幕墙的上部，即竖向索来承担幕墙重力荷载。重力荷载一般为恒定荷载，这种拉索称为承重索。
3．风荷载为可变荷载，在设计中正负风压的作用都要考虑，根据建筑结构的特点和工程总体需要，可以靠竖向拉索承受风荷载，也可以靠水平拉杆承受风荷载，这些杆称为承力杆。
（二）工程实例
某工程局部幕墙效果图如图1，此工程建筑地上4-5层，地下一层，建筑高度为20.7m-36.5m，结构形式为框架剪力墙。此工程设计的外围护结构采用点式透明双曲面幕墙体系，造型新颖，视觉效果美观。特点是外立面是双曲面，整个立面有若干块点式玻璃组成，玻璃选择采用平板构成折线形式拟弧来实现外立面效果。
图2：局部节点示意图
本工程幕墙面水平方向上的曲率半径最小为30ｍ，我们在每两个轴线方向均分成5份，相邻两块玻璃的夹角为176.5°，完全可以做出折线拟弧效果。高度方向上最小曲率半径为66ｍ，相邻两块玻璃的夹角为178.7°，折线拟弧效果和曲线基本没有分别 。分区一曲率最大处平面半径 R1为34287mm, 立面半径为R2为66252mm;分区二曲率最大处平面半径 R3为40055mm, 立面半径为R4为66252mm;故板块分区一双曲最大, 玻璃板块理论位置与实际位置距离最大。分区一的玻璃板块理论位置与实际位置距离最大为8.6mm，为了保证玻璃无应力、视觉效果平滑及幕墙不漏水，采取爪件用球铰的办法，同时用胶吸收玻璃阶差能够吸收玻璃的翘曲，局部节点图如图2所示。
此工程建筑幕墙的使用性能设计还需保证幕墙采光遮阳功能；满足气密性能和水密性能要求；满足室内的节能性能，降低能耗；中空夹胶玻璃隔满足室内环境需求；幕墙材料选用绿色环保材料，减小环境污染；幕墙结构安全性能设计应用先进的有限元分析作为理论依据，注重局部细节的处理确保体系的安全。
二、工程结构分析
（一）计算分析建模
计算工程标高为36.5米，地面粗糙度为C类，基本风压值按50年一遇采用为W0=0.45kPa ，抗震设防等级为7度。由于外立面本身为双曲面，可将自平衡承重索和平衡索采用同一根拉索。玻璃配置为8mm+1.52PVB+8mm+12A+10mm中空钢化夹胶玻璃，采用300系列爪件，按照四点支撑连接到自平衡索上。自平衡结构上部铰接于网架且不承受自重，下部铰接于土建梁上，幕墙结构自重由整个杆索结构的下部传递给土建结构。构件的截面设计：主杆选用圆钢管Φ273×12，平衡杆选用圆钢管Φ121×6，稳定杆选用圆钢管Φ152×6，拉索选用不锈钢绞线Φ26。
（二）计算结果分析
选取最危险部分的结构，用有限元分析软件进行整体结构计算和静力分析。分析类型是非线性结构、静态，单元种类是梁单元与杆单元。施加给前侧临近玻璃面的拉索的预应变值为0.0025，内侧拉索的预应变值为0.0022。应注意双侧拉索施加的预应力值是不相同的，设计计算时考虑工况为：①拉索预紧力 + 钢结构自重荷载 ，②拉索预紧力 +钢结构自重荷载+玻璃自重荷载，③拉索预紧力+自重荷载+正风荷载＋地震荷载+温度作用，④拉索预紧力+自重荷载+负风荷载＋地震荷载+温度作用。
将荷载乘以相应的分项系数进行组合计算，运用幕墙所受的荷载设计值对以上四种工况计算结果如下：工况①，梁单元最大应力为115.012Mpa，最大位移 4.284mm。工况②，梁单元最大应力为76.278Mpa，最大位移7.318mm。工况③，梁单元最大应力为108.714Mpa ，索单元轴向应力为418.24Mpa，最大位移为24.485mm。最不利的结果出现在工况④中，梁单元最大应力为115.012Mpa ，如图3所示，计算结果小于 215 Mpa。索单元轴向应力422.861Mpa如图4所示，计算结果小于628.664 Mpa。最大位移 25.653mm，计算结果小于72mm。结构内力和变形都在允许的范围内,且无杆件失稳现象。
图4：索单元轴向应力图
为保持拉索支承结构的稳定性或防止平面外失稳而设置的拉杆称为稳定杆。在点式玻璃幕墙设计中，其受力结构是至关重要的，要根据土建结构和工程总体需要来布置幕墙的支撑体系。
结论
幕墙结构设计是按最大荷载组合条件计算的，应该保证最大荷载状态下是安全的，并且留有必要的安全系数，其中有荷载分项系数，有材料分项系数。本文依据工程实例，通过使用有限元分析软件对各种复杂组合工况进行计算研究，结构内力和变形都在允许的范围内,且无杆件失稳现象。自平衡结构系统，从结构形式和受力性能上都是安全合理的，在点支式双曲面幕墙体系结构中应用是可行的。设计时应综合考虑预应力值、索杆截面变化引起的索杆应力变化及整体结构变形情况。既要满足建筑师的视觉效果，又以严谨的科学设计计算实现结构中的每一个构件和节点。
参考文献：
[1]Qiao Zhang, Yue Liu,and Shishi wang.Unit type curtain wall mullions to strengthen the design and structure calculations. [J]. Applied Mechanics and Materials. 2012(12) , in Chinese
[2]The building structures specification" GB 50009-2012, in Chinese
[3]"Seismic Design Code " GB 50011-2010, in Chinese
作者简介：
张俏，女，汉族，1984年12月出生，黑龙江人，讲师，工程师，一级注册建造师，研究生学历，硕士学位。现任钢结构教研室主任。研究方向：结构计算与优化
论文作者:张俏
论文发表刊物:《工程建设标准化》2015年10月供稿
论文发表时间:2016/3/9
标签：荷载论文; 幕墙论文; 结构论文; 拉索论文; 玻璃论文; 工况论文; 双曲面论文; 《工程建设标准化》2015年10月供稿论文;