实例分析：北京土城电话局点支式玻璃幕墙

　　点支式玻璃幕墙柔性支承体系具有通透性好、轻盈美观、环保节能和施工灵活等特点,但由于柔性支承本身的设计不同于其他结构,在设计时需要考虑预应力和几何非线性大变形的影响,这给柔性支承体系的设计增加了难度。随着点支式玻璃建筑的逐步推广,柔性支承体系将会越来越广地应用到建筑与结构设计中。


　　1　工程简介

　　北京土城电话局、信息港工程位于北京市朝阳区裕民路,本工程包括土城电话局、电信信息港、动力站及地下车库四个部分。土城电话局中庭的幕墙和采光顶采用点支式玻璃幕墙,幕墙的支承结构为预应力单层索网结构。预应力索网点支式玻璃幕墙是一种新型的结构体系,它具有通透、轻盈的优点,但也存在结构刚度弱、变形大的缺点,需要施加足够的预应力才能满足设计需要。


　　2　方案确定

　　经过建筑师与甲方协商,确定玻璃幕墙长29·4m,高19·5m;采光顶跨度29·4m,宽32·5m(如图1)。象这样大面积的预应力索网点支式玻璃幕墙在国内尚无先例。

　　采光顶采用索桁架和玻璃肋结构承受竖向荷载,索桁架由上下弦杆、主杆和撑杆组成,如图2所示。索桁架弦杆加预应力由中间的主杆平衡,对主体结构影响很小。桁架间加水平拉杆保证索桁架主杆的平面外稳定性和传递水平地震作用,水平拉杆与两端的空间桁架相连。

　　幕墙所受荷载是两个方向的:竖向恒荷载主要由玻璃、连接件、拉索的自重产生;水平方向的荷载由风荷载产生。墙面采用索网结构,水平索加预应力承受风载,竖向索主要承受墙面自重。索网两端设格构柱承受水平索拉力,竖向索一端固定在水平桁架上,一端连接在基础上。通过对索网施加预应力,使结构具有足够的刚度,保证幕墙在自重、风载和地震荷载作用下不发生过大的变形。从提高索网结构的刚度考虑,应尽可能提高初始预应力,但是同时要避免索网在各种荷载作用下内力过大,超过容许值,也要避免索网在各种荷载作用下发生松弛。


　　由于索网是支承在主体结构上的,索网的拉力直接由主体结构承受,如果索网拉力过大,可能会造成主体结构破坏或索网的锚固破坏。因此,索网设计的关键是预应力控制。幕墙结构如图3所示。由于水平索支承在主体结构上,过大的拉力会对主体结构或者锚固装置造成破坏。在本工程中,设置了过载保护装置(见文献[5]中图10),由安全子、承载弹簧和连接杆等构成,能保证当拉索结构在地震荷载作用时不被破坏。当地震荷载作用时,安全子首先破坏,过载保护器承载弹簧受压反弹达到平衡状态,保证索网不被破坏,以便可以及时修复。

　　安装过程中,在对索施加预应力后,需要将过载保护装置各机件外表面涂防锈油脂,加装外罩并固定。过载保护装置和周围桁架之间通过耳板连接。


　　3　柔性支承结构的计算与设计

　　3·1　计算软件

　　对于点支式玻璃幕墙柔性支承体系,必须采用可以考虑非线性大变形的计算程序,并且要具备可以模拟刚架梁、桁架和拉索等多种单元。所以,本工程计算软件采用目前在国际上得到广泛应用的大型有限元分析计算软件ANSYS,计算均采用弹性-大变形有限元分析模块。模型中格构柱的弦杆和腹杆、门框梁柱、采光顶的竖杆和撑杆等采用beam4单元,该单元为三维弹性梁单元;采光顶弦杆和幕墙拉索采用link10单元,该单元为三维只拉单元,用于描述拉索不能承受压力的特性。


　　3·2　基本参数的取值

　　索桁架采用抛物线鱼腹形结构,间距3·75m,墙面索网的水平索和竖向索间距均为1·5m。竖向恒荷载主要由玻璃、连接件、拉索的自重产生,墙面自重为0·66kN/m2,采光顶0·85kN/m2,屋顶吊挂0·3kN/m2,采光顶活载0·5kN/m2;水平方向的荷载由风荷载产生,北京地区基本风压0·45kN/m2,C类场地。北京抗震基本设防烈度8度,设计基本地震加速度0·2g。索桁架和幕墙的材料特性见表1。

　　3·3　设计计算

　　3·3·1　非抗震计算(《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001))采光顶索桁架弦杆预拉力的原则是保证在各种荷载组合作用下弦杆不发生松弛,即保持受拉状态,且拉力不超过索抗拉设计值。经反复计算,弦杆初始预拉力取T0=240kN(σ0≈330MPa),弦杆预应力使竖杆产生的预压力为16kN,撑杆预压力为484kN,预应力使撑杆产生的压缩变形约7mm。索桁架结构计算结果如表2。水平索预拉力的原则是保证在各种荷载组合作用下不发生过大变形或过大索拉力。经反复计算,水平索初始预拉力取T0=120kN(σ0=165MPa),竖向索在初始阶段保持张紧状态不松弛。幕墙和格构门架结构计算结果分别见表3、表4。

　　对于柔性结构,有关幕墙变形控制指标规范未规定,在玻璃幕墙中点支式玻璃幕墙是一个比较特殊的问题,尤其对于本工程单层索网结构,更不同于常规的刚性支承结构。且本工程的幕墙也没有直接外挂在建筑结构上,幕墙玻璃随结构在风压或地震作用下产生平面外位移,平面内也没有框的约束,建筑物的层间相对位移只是对索网的内力略有影响,对点支式玻璃没有直接影响。因此,不应采用现行规范衡量此工程平面内的变形性能(《玻璃幕墙技术规程》(CECS127∶2001)规定支承结构的相对挠度不应大于1/300)。从点支式玻璃面对变形的适应能力来考虑,在最不利荷载组合下,采光顶结构的变形可控制在1/150,幕墙结构的变形可控制在1/50。表2、表3中采光顶和幕墙的变形验算满足这一要求。


　　3·3·2　抗震计算(《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001))

　　水平小震采用动力放大系数3·0,中震和大震不考虑放大系数,而是对中震偏保守地采用与小震相同的地震作用。对于大震,结构已经进入塑性阶段,所以不能用弹性有限元进行验算。计算结果见预应力使撑杆产生的压缩变形约7mm。索桁架结构计算结果如表2。水平索预拉力的原则是保证在各种荷载组合作用下不发生过大变形或过大索拉力。经反复计算,水平索初始预拉力取T0=120kN(σ0=165MPa),竖向索在初始阶段保持张紧状态不松弛。幕墙和格构门架结构计算结果分别见表3、表4。表5~表7。

　　注:表6、表7中幕墙和格构门架工况组合:①1·2×重力荷载+预应力+1·3×竖向地震力(Z方向)+0·5×水平地震力(Y方向)+0·2×1·4×风载(Y方向)+0·5×水平支座位移(Y方向);②1·2×重力荷载预应力+1·3×水平地震力(X方向)+0·2×1·4×风载(Y方向)+0·5×竖向地震力(Z方向)+水平支座相对位移(X方向);③1·2×(重力荷载+预应力)+1·3×水平地震力(Y方向)+0·5×竖向地震力(Z方向)+0·2×1·4×风载(Y方向)+水平支座相对位移(Y方向)。


　　看,我国要想在建筑节能方面取得更大的进步还需做好以下几点。


　　3·1　加强建筑节能的资金投入,通过宣传提高人们对建筑节能的认识

　　无论是节能材料、节能设备的使用,还是旧建筑的改造都需要大量的资金投入。但这并不能一味的要求政府承担,还需要政府通过宣传提高人们的建筑节能意识,感觉到节能建筑给大家带来的确实的经济利益。实践证明,只要技术使用合理,用建筑造价的4%~7%达到节能30%的目标是可能的,而且投资回收期也很短,一般在3~6年。这些都为建筑节能的资金筹集创造了好的条件。


　　3·2　加强建筑节能技术的发展和西方发达国家比较,我国急需大力发展的建筑节能技术有:1)门窗密封。关键是在保证必要的通风率的基础上减小换气量,可以在窗户上加微量通风器使用户自行调节。2)墙体保温。逐步形成以岩棉、玻璃棉、聚苯、膨胀珍珠岩和加气混凝土为主体保温材料的多种技术。3)太阳能利用。加大太阳能热水,太阳能采暖的应用范围和应用领域,并通过科学研究,扩展利用太阳能的方式(如太阳能发电等)。4)家用热表。象电表、水表一样,在每户安装一个热表,向用户收费。以此控制用户的用热量。国外已将该方法运用到实践中,我国也应效仿,开发此项技术并推广应用。5)红外线反射技术。应用在墙体、屋面和门窗中,阻挡红外线外逸,达到节能目的。


　　3·3　对旧型建筑进行节能改造随着国家政策和人们节能意识的提高,近年来兴建的大批工程已经很注意节能材料和节能技术的使用。但对于大量建于十几年甚至二十年前的旧建筑,由于当时建筑节能意识的薄弱,能源浪费情况还十分严重,这就需要政府进行一定量的投入对其进行节能改造,使其达到国家节能的标准。


　　3·4　根据我国各地区的具体条件,在建筑设计时就力求节能我国幅员辽阔,各地区的气候环境特征都有差异,因此在追求建筑节能的时候也不应一概而论,而应根据各地区特点,利用地形、地貌、气候情况,制订出合理的建筑节能方式,并把它们运用到建筑设计中。总而言之,我国的建筑节能有着巨大的潜力,前景是光明的。只要我们不断学习先进技术,同时做好自身各个环节的工作,一定可以逐渐赶超国外,为我国能源事业以及社会主义现代化作出贡献。


　　4　结　论

　　1)土城电话局采用单层索网和鱼腹式索桁架结合的复杂柔性支承结构体系,设计时除了要求考虑预应力几何非线性等因素,还应进行专门的抗震分析。该工程目前已经施工完毕,并投入了正常使用。实践证明,使用大型有限元计算软件ANSYS可以方便可靠地计算、设计点支式玻璃幕墙柔性支承体系。

　　2)对于幕墙的变形控制,不应采用现行规范衡量此工程平面内的变形性能。“规程”(CECS127∶2001)规定的约束和荷载条件不适合本工程的点支式玻璃幕墙。按照此规范的要求,拉索要施加非常大的预应力,主体结构难以承受。从点支式玻璃面对变形的适应能力来考虑,在最不利荷载组合下,采光顶结构和幕墙结构的变形均可控制在1/50。在实际工程中,加上玻璃的作用,实际变形量比计算值还要小。

　　3)索网系统过载保护装置能在大震状态下同时保护主体结构和幕墙结构系统的安全。【完】