實例分析：北京土城電話局點支式玻璃幕墻

　　點支式玻璃幕墻柔性支承體系具有通透性好、輕盈美觀、環保節能和施工靈活等特點,但由于柔性支承本身的設計不同于其他結構,在設計時需要考慮預應力和幾何非線性大變形的影響,這給柔性支承體系的設計增加了難度。隨著點支式玻璃建筑的逐步推廣,柔性支承體系將會越來越廣地應用到建筑與結構設計中。


　　1　工程簡介

　　北京土城電話局、信息港工程位于北京市朝陽區裕民路,本工程包括土城電話局、電信信息港、動力站及地下車庫四個部分。土城電話局中庭的幕墻和采光頂采用點支式玻璃幕墻,幕墻的支承結構為預應力單層索網結構。預應力索網點支式玻璃幕墻是一種新型的結構體系,它具有通透、輕盈的優點,但也存在結構剛度弱、變形大的缺點,需要施加足夠的預應力才能滿足設計需要。


　　2　方案確定

　　經過建筑師與甲方協商,確定玻璃幕墻長29·4m,高19·5m;采光頂跨度29·4m,寬32·5m(如圖1)。象這樣大面積的預應力索網點支式玻璃幕墻在國內尚無先例。

　　采光頂采用索桁架和玻璃肋結構承受豎向荷載,索桁架由上下弦桿、主桿和撐桿組成,如圖2所示。索桁架弦桿加預應力由中間的主桿平衡,對主體結構影響很小。桁架間加水平拉桿保證索桁架主桿的平面外穩定性和傳遞水平地震作用,水平拉桿與兩端的空間桁架相連。

　　幕墻所受荷載是兩個方向的:豎向恒荷載主要由玻璃、連接件、拉索的自重產生;水平方向的荷載由風荷載產生。墻面采用索網結構,水平索加預應力承受風載,豎向索主要承受墻面自重。索網兩端設格構柱承受水平索拉力,豎向索一端固定在水平桁架上,一端連接在基礎上。通過對索網施加預應力,使結構具有足夠的剛度,保證幕墻在自重、風載和地震荷載作用下不發生過大的變形。從提高索網結構的剛度考慮,應盡可能提高初始預應力,但是同時要避免索網在各種荷載作用下內力過大,超過容許值,也要避免索網在各種荷載作用下發生松弛。


　　由于索網是支承在主體結構上的,索網的拉力直接由主體結構承受,如果索網拉力過大,可能會造成主體結構破壞或索網的錨固破壞。因此,索網設計的關鍵是預應力控制。幕墻結構如圖3所示。由于水平索支承在主體結構上,過大的拉力會對主體結構或者錨固裝置造成破壞。在本工程中,設置了過載保護裝置(見文獻[5]中圖10),由安全子、承載彈簧和連接桿等構成,能保證當拉索結構在地震荷載作用時不被破壞。當地震荷載作用時,安全子首先破壞,過載保護器承載彈簧受壓反彈達到平衡狀態,保證索網不被破壞,以便可以及時修復。

　　安裝過程中,在對索施加預應力后,需要將過載保護裝置各機件外表面涂防銹油脂,加裝外罩并固定。過載保護裝置和周圍桁架之間通過耳板連接。


　　3　柔性支承結構的計算與設計

　　3·1　計算軟件

　　對于點支式玻璃幕墻柔性支承體系,必須采用可以考慮非線性大變形的計算程序,并且要具備可以模擬剛架梁、桁架和拉索等多種單元。所以,本工程計算軟件采用目前在國際上得到廣泛應用的大型有限元分析計算軟件ANSYS,計算均采用彈性-大變形有限元分析模塊。模型中格構柱的弦桿和腹桿、門框梁柱、采光頂的豎桿和撐桿等采用beam4單元,該單元為三維彈性梁單元;采光頂弦桿和幕墻拉索采用link10單元,該單元為三維只拉單元,用于描述拉索不能承受壓力的特性。


　　3·2　基本參數的取值

　　索桁架采用拋物線魚腹形結構,間距3·75m,墻面索網的水平索和豎向索間距均為1·5m。豎向恒荷載主要由玻璃、連接件、拉索的自重產生,墻面自重為0·66kN/m2,采光頂0·85kN/m2,屋頂吊掛0·3kN/m2,采光頂活載0·5kN/m2;水平方向的荷載由風荷載產生,北京地區基本風壓0·45kN/m2,C類場地。北京抗震基本設防烈度8度,設計基本地震加速度0·2g。索桁架和幕墻的材料特性見表1。

　　3·3　設計計算

　　3·3·1　非抗震計算(《建筑結構荷載規范》(GB50009-2001))采光頂索桁架弦桿預拉力的原則是保證在各種荷載組合作用下弦桿不發生松弛,即保持受拉狀態,且拉力不超過索抗拉設計值。經反復計算,弦桿初始預拉力取T0=240kN(σ0≈330MPa),弦桿預應力使豎桿產生的預壓力為16kN,撐桿預壓力為484kN,預應力使撐桿產生的壓縮變形約7mm。索桁架結構計算結果如表2。水平索預拉力的原則是保證在各種荷載組合作用下不發生過大變形或過大索拉力。經反復計算,水平索初始預拉力取T0=120kN(σ0=165MPa),豎向索在初始階段保持張緊狀態不松弛。幕墻和格構門架結構計算結果分別見表3、表4。

　　對于柔性結構,有關幕墻變形控制指標規范未規定,在玻璃幕墻中點支式玻璃幕墻是一個比較特殊的問題,尤其對于本工程單層索網結構,更不同于常規的剛性支承結構。且本工程的幕墻也沒有直接外掛在建筑結構上,幕墻玻璃隨結構在風壓或地震作用下產生平面外位移,平面內也沒有框的約束,建筑物的層間相對位移只是對索網的內力略有影響,對點支式玻璃沒有直接影響。因此,不應采用現行規范衡量此工程平面內的變形性能(《玻璃幕墻技術規程》(CECS127∶2001)規定支承結構的相對撓度不應大于1/300)。從點支式玻璃面對變形的適應能力來考慮,在最不利荷載組合下,采光頂結構的變形可控制在1/150,幕墻結構的變形可控制在1/50。表2、表3中采光頂和幕墻的變形驗算滿足這一要求。


　　3·3·2　抗震計算(《建筑抗震設計規范》(GB50011-2001))

　　水平小震采用動力放大系數3·0,中震和大震不考慮放大系數,而是對中震偏保守地采用與小震相同的地震作用。對于大震,結構已經進入塑性階段,所以不能用彈性有限元進行驗算。計算結果見預應力使撐桿產生的壓縮變形約7mm。索桁架結構計算結果如表2。水平索預拉力的原則是保證在各種荷載組合作用下不發生過大變形或過大索拉力。經反復計算,水平索初始預拉力取T0=120kN(σ0=165MPa),豎向索在初始階段保持張緊狀態不松弛。幕墻和格構門架結構計算結果分別見表3、表4。表5~表7。

　　注:表6、表7中幕墻和格構門架工況組合:①1·2×重力荷載+預應力+1·3×豎向地震力(Z方向)+0·5×水平地震力(Y方向)+0·2×1·4×風載(Y方向)+0·5×水平支座位移(Y方向);②1·2×重力荷載預應力+1·3×水平地震力(X方向)+0·2×1·4×風載(Y方向)+0·5×豎向地震力(Z方向)+水平支座相對位移(X方向);③1·2×(重力荷載+預應力)+1·3×水平地震力(Y方向)+0·5×豎向地震力(Z方向)+0·2×1·4×風載(Y方向)+水平支座相對位移(Y方向)。


　　看,我國要想在建筑節能方面取得更大的進步還需做好以下幾點。


　　3·1　加強建筑節能的資金投入,通過宣傳提高人們對建筑節能的認識

　　無論是節能材料、節能設備的使用,還是舊建筑的改造都需要大量的資金投入。但這并不能一味的要求政府承擔,還需要政府通過宣傳提高人們的建筑節能意識,感覺到節能建筑給大家帶來的確實的經濟利益。實踐證明,只要技術使用合理,用建筑造價的4%~7%達到節能30%的目標是可能的,而且投資回收期也很短,一般在3~6年。這些都為建筑節能的資金籌集創造了好的條件。


　　3·2　加強建筑節能技術的發展和西方發達國家比較,我國急需大力發展的建筑節能技術有:1)門窗密封。關鍵是在保證必要的通風率的基礎上減小換氣量,可以在窗戶上加微量通風器使用戶自行調節。2)墻體保溫。逐步形成以巖棉、玻璃棉、聚苯、膨脹珍珠巖和加氣混凝土為主體保溫材料的多種技術。3)太陽能利用。加大太陽能熱水,太陽能采暖的應用范圍和應用領域,并通過科學研究,擴展利用太陽能的方式(如太陽能發電等)。4)家用熱表。象電表、水表一樣,在每戶安裝一個熱表,向用戶收費。以此控制用戶的用熱量。國外已將該方法運用到實踐中,我國也應效仿,開發此項技術并推廣應用。5)紅外線反射技術。應用在墻體、屋面和門窗中,阻擋紅外線外逸,達到節能目的。


　　3·3　對舊型建筑進行節能改造隨著國家政策和人們節能意識的提高,近年來興建的大批工程已經很注意節能材料和節能技術的使用。但對于大量建于十幾年甚至二十年前的舊建筑,由于當時建筑節能意識的薄弱,能源浪費情況還十分嚴重,這就需要政府進行一定量的投入對其進行節能改造,使其達到國家節能的標準。


　　3·4　根據我國各地區的具體條件,在建筑設計時就力求節能我國幅員遼闊,各地區的氣候環境特征都有差異,因此在追求建筑節能的時候也不應一概而論,而應根據各地區特點,利用地形、地貌、氣候情況,制訂出合理的建筑節能方式,并把它們運用到建筑設計中。總而言之,我國的建筑節能有著巨大的潛力,前景是光明的。只要我們不斷學習先進技術,同時做好自身各個環節的工作,一定可以逐漸趕超國外,為我國能源事業以及社會主義現代化作出貢獻。


　　4　結　論

　　1)土城電話局采用單層索網和魚腹式索桁架結合的復雜柔性支承結構體系,設計時除了要求考慮預應力幾何非線性等因素,還應進行專門的抗震分析。該工程目前已經施工完畢,并投入了正常使用。實踐證明,使用大型有限元計算軟件ANSYS可以方便可靠地計算、設計點支式玻璃幕墻柔性支承體系。

　　2)對于幕墻的變形控制,不應采用現行規范衡量此工程平面內的變形性能。“規程”(CECS127∶2001)規定的約束和荷載條件不適合本工程的點支式玻璃幕墻。按照此規范的要求,拉索要施加非常大的預應力,主體結構難以承受。從點支式玻璃面對變形的適應能力來考慮,在最不利荷載組合下,采光頂結構和幕墻結構的變形均可控制在1/50。在實際工程中,加上玻璃的作用,實際變形量比計算值還要小。

　　3)索網系統過載保護裝置能在大震狀態下同時保護主體結構和幕墻結構系統的安全。【完】