4.1 大跨度的鋼結(jié)構(gòu)。
　　為滿足幕墻的通透性的要求,大跨度的鋼結(jié)構(gòu)多作為此類幕墻的主抗風(fēng)結(jié)構(gòu),其布設(shè)間距較大,一般在幕墻玻璃面板橫向分格兩塊以上布置一榀。如廣州會(huì)展中心幕墻工程,其主抗風(fēng)柱的水平布置間距為5.0米(兩塊玻璃水平分格尺寸),廣州新白云機(jī)場(chǎng)幕墻工程, 其主抗風(fēng)柱的水平布置間距為9.0米(三塊玻璃水平分格尺寸)等�！迷擃愪摻Y(jié)構(gòu)跨度大,主要是抵抗其水平布置間距內(nèi)的幕墻的水平荷載,并將荷載的作用力傳遞給建筑主體結(jié)構(gòu)。主抗風(fēng)柱之間的支承結(jié)構(gòu)多采用輕盈通透的鋼索結(jié)構(gòu)或玻璃肋結(jié)構(gòu)等輕型結(jié)構(gòu)。該類鋼結(jié)構(gòu)在實(shí)際的設(shè)計(jì)中較多地采用了鋼管桁架的形式(如圖3)。此類主抗風(fēng)鋼柱還可以采用一些構(gòu)造新穎的造型,如采用開孔的鋼板拼焊的鋼立柱,又有一種完全不同的風(fēng)格(如圖4)。

　　有些幕墻工程外形復(fù)雜,由許多不規(guī)則的曲面構(gòu)成,此時(shí)幕墻的支承結(jié)構(gòu)可以全部采用鋼結(jié)構(gòu),因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)具有良好的加工性,可通過拉彎等工藝彎曲成各種形狀,以適應(yīng)復(fù)雜立面造型的需要。如北京天文館幕墻工程的入口處的馬鞍形幕墻，其支承結(jié)構(gòu)就全部為鋼管結(jié)構(gòu)。如圖五。

　　幕墻主抗風(fēng)鋼桁架柱的頂?shù)走B接在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以重點(diǎn)的考慮。由于場(chǎng)館類建筑的屋頂主體結(jié)構(gòu)是自成體系的大跨度結(jié)構(gòu),其在外荷載作用下在X、Y、Z三個(gè)方向的變形均較大,為避免對(duì)立面維護(hù)結(jié)構(gòu)造成破壞,幕墻支承結(jié)構(gòu)一般只將水平荷載傳給屋頂主體結(jié)構(gòu), 其連接節(jié)點(diǎn)要能夠適應(yīng)屋頂結(jié)構(gòu)三維空間的位移量,且幕墻頂部與屋面結(jié)構(gòu)需采用柔性連接密封收口。如圖6是一種典型的連接節(jié)點(diǎn),此種雙向鉸機(jī)構(gòu)既可傳遞幕墻水平荷載,又可適應(yīng)屋頂結(jié)構(gòu)三維空間的位移量;在幕墻面板與屋面板之間采用風(fēng)琴橡膠板連接,既可保證幕墻的密封性能,又可保護(hù)幕墻面板不會(huì)被屋面較大的變形所破壞。主抗風(fēng)鋼桁架柱的柱腳設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮水平荷載和豎向重力荷載的綜合作用,又要兼顧外觀的裝飾性,一般可以設(shè)計(jì)成雙鉸板或三鉸板,還可以使用鑄造柱腳(如圖7)。

　　鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算可以使用電算軟件完成,如同濟(jì)大學(xué)開發(fā)的3d3s具有強(qiáng)大的計(jì)算功能,可對(duì)整體鋼結(jié)構(gòu)模型的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性進(jìn)行全面的計(jì)算分析。
　　4.2 預(yù)應(yīng)力鋼索結(jié)構(gòu)。
　　預(yù)應(yīng)力鋼索結(jié)構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)造型的新穎別致,構(gòu)件的精致纖細(xì)等特點(diǎn),在場(chǎng)館類建筑玻璃幕墻支承結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。預(yù)應(yīng)力鋼索結(jié)構(gòu)中的鋼索材料是一種柔性材料,僅能夠承受拉力不能夠承受壓力,需要對(duì)鋼索材料施加一定的預(yù)應(yīng)力使其具有一定的剛度,才能夠作為玻璃幕墻的支撐結(jié)構(gòu)。目前常用的預(yù)應(yīng)力鋼索結(jié)構(gòu)的形式有:預(yù)應(yīng)力鋼索桁架,預(yù)應(yīng)力鋼索自平衡桁架,預(yù)應(yīng)力單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)等。預(yù)應(yīng)力鋼索桁架是通過撐桿連接前后兩根鋼索,并對(duì)鋼索施加預(yù)應(yīng)力具有一定的形狀(通常是魚腹(尾))形,形成能夠承受玻璃幕墻荷載的平面桁架。特點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)構(gòu)造精致、美觀、纖細(xì),通透性好,但索桁架需占用一定的空間,鋼索的內(nèi)力需要靠主體結(jié)構(gòu)或邊框結(jié)構(gòu)來承受。鋼索桁架的預(yù)應(yīng)力需要在工地現(xiàn)場(chǎng)施加完成,現(xiàn)場(chǎng)工作量較大。預(yù)應(yīng)力鋼索桁架矢高對(duì)鋼索桁架結(jié)構(gòu)受力的影響很大,矢高越大,使用的鋼索直徑就越小,鋼索桁架的整體位移也越小。但矢高太大會(huì)占據(jù)較大的室內(nèi)建筑空間,影響鋼索桁架的美觀性,在設(shè)計(jì)中對(duì)鋼索桁架的矢高取值一般是其跨度的1/10～1/12。圖8所示為兩種基本的預(yù)應(yīng)力鋼索桁架的形式在實(shí)際幕墻工程中的應(yīng)。

　　預(yù)應(yīng)力鋼索自平衡桁架是在一般鋼索桁架的前后鋼索間布置了一根縱向的壓桿,鋼索的內(nèi)力由縱向壓桿來承擔(dān),不傳給主體或邊框結(jié)構(gòu)。特點(diǎn)是自平衡桁架同樣要占用一定的空間,且壓桿本身較粗重,對(duì)幕墻的通透性有一定的影響,但其桁架單元可以在工廠內(nèi)預(yù) 制后運(yùn)往工地現(xiàn)場(chǎng),減少了現(xiàn)場(chǎng)的工作量。圖9所示為預(yù)應(yīng)力鋼索自平衡桁架在實(shí)際幕墻工程中的應(yīng)用。
　　預(yù)應(yīng)力單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)是由橫豎鋼索交叉構(gòu)成預(yù)應(yīng)力平面受力體系,由于省略了前后索之間的桿件,其結(jié)構(gòu)本身做到了最大化的簡(jiǎn)潔、通透、輕盈,極大的釋放了幕墻的使用空間。單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)不具有平面外剛度,僅當(dāng)產(chǎn)生平面外位移時(shí)才能抵抗來自平面外的荷載,即其平面外剛度是靠索預(yù)拉力的二階效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。為將索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的平面外位移控制在一定范圍內(nèi),鋼索需要施加較大的預(yù)應(yīng)力,所以對(duì)周邊結(jié)構(gòu)的受力要求也較高。圖10所示為單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)在實(shí)際幕墻工程中的應(yīng)用。
　　預(yù)應(yīng)力鋼索結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的兩個(gè)關(guān)鍵步驟是預(yù)應(yīng)力N。的確定和位移量F值的求解。預(yù)應(yīng)力N0的施加需滿足索結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)是平衡的、穩(wěn)定的,并應(yīng)保證鋼索結(jié)構(gòu)在受荷全過程中鋼索始終處于張緊狀態(tài),鋼索不因受壓而退出工作,維持結(jié)構(gòu)體系的整體穩(wěn)定,同時(shí)節(jié)點(diǎn)位移應(yīng)滿足要求。在《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JCJ102－2003中,對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼索桁架的位移限值的規(guī)定是鋼索桁架跨度的1/200,而預(yù)應(yīng)力單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的位移限值目前國(guó)內(nèi)一般的取值是主受力索跨度的1/50。預(yù)應(yīng)力鋼索結(jié)構(gòu)是典型的幾何非線性大變形柔性結(jié)構(gòu),利用目前國(guó)際上非常流行的有限元軟件ANSYS的非線性模塊,可以對(duì)鋼索結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)進(jìn)行精確的模擬分析。在分析中常用的單元類型為L(zhǎng)ink8單元和Link10單元,Link8單元可以用來模擬索桁架中的撐桿,Link10單元用來模擬拉索。Link10單元的初始應(yīng)變的輸人是索桁架有限元分析的關(guān)鍵數(shù)據(jù),其計(jì)算公式為ε=N。/EA,其中N。即為鋼索的初始預(yù)應(yīng)力,A為鋼索的有效截面積,對(duì)計(jì)算結(jié)果分析后可根據(jù)需要對(duì)A值進(jìn)行調(diào)整,以確定最佳的鋼索直徑和預(yù)應(yīng)力值。
　　4,3 大跨度的玻璃肋結(jié)構(gòu)
　　玻璃肋結(jié)構(gòu)具有平整光滑的質(zhì)感、晶瑩剔透的造型等優(yōu)點(diǎn),能夠表達(dá)現(xiàn)代建筑的時(shí)尚壽色,因此在場(chǎng)館類建筑玻璃幕墻支承結(jié)構(gòu)中得到了較多的應(yīng)用。玻璃是一種剛性材料,盡管具有非常高的內(nèi)在強(qiáng)度,但由于其表面存在許多細(xì)小的裂紋,所以大大降低了玻璃的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。玻璃作為幕墻支承結(jié)構(gòu)時(shí),常常以玻璃肋的形式出現(xiàn),此時(shí)整個(gè)幕墻的面板及支承結(jié)構(gòu)全部都由玻璃材料構(gòu)成,所以又稱全玻幕墻�？紤]到安全性的因素,玻璃肋結(jié)構(gòu)通常做成夾層玻璃或鋼化夾層玻璃。其設(shè)計(jì)強(qiáng)度取玻璃的側(cè)面強(qiáng)度,如12mm以下厚度的玻璃,普通浮法玻璃設(shè)計(jì)強(qiáng)度值為19.5N/mm2,鋼化玻璃設(shè)計(jì)強(qiáng)度值為58.8N/mm平方�？缍炔淮蟮牟ＡЮ呖梢杂靡徽麎K玻璃制作,并以吊掛或落地的形式作為玻璃幕墻的支承結(jié)構(gòu)。

　　對(duì)于跨度較大的玻璃幕墻,玻璃肋必須分段制作,且需將各段連接成為一整條肋結(jié)構(gòu),一般做法是在兩玻璃肋的連接處開孔,并用螺栓、金屬夾板、柔性墊片及膠粘劑共同完成此節(jié)點(diǎn)的連接。需要說明的是由于此節(jié)點(diǎn)在外荷載作用下承受非常大的力和力矩,靠玻璃孔承壓和螺栓受剪是無法完成力和力矩的傳遞,此時(shí)需利用連接部件與玻璃肋板之間的摩擦力來實(shí)現(xiàn)力和力矩的傳遞。這一點(diǎn)似乎有悖人們的常識(shí),因?yàn)椴ＡЧ饣�的表面看起來摩擦系�?shù)很低,但實(shí)際上玻璃和金屬的靜摩擦系數(shù)在正常條件下幾乎是相等的,都位于0.16～0.29之間,所以可以利用金屬夾板和玻璃肋板之間的摩擦力來傳遞力和力矩。如圖11.

　　5 結(jié)束語
　　大量的場(chǎng)館類建筑的落成帶動(dòng)了建筑玻璃幕墻技術(shù)的快速發(fā)展,而各類極具特色的建筑玻璃幕墻的使用也為場(chǎng)館類建筑帶來了勃勃生機(jī)。展望未來,還會(huì)涌現(xiàn)出許多技術(shù)含量高、施工難度大、造型新穎的場(chǎng)館類建筑。通過研究實(shí)踐各類玻璃幕墻在此類建筑中的應(yīng)用,必將帶動(dòng)我國(guó)建筑幕墻技術(shù)進(jìn)人一個(gè)新的發(fā)展階段。
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