论概率极限设计法在幕墙单索结构计算中的局限性

来源:09年会论文集作者:花定兴日期:2009-4-8 　页面功能【字体：大中小】【打印】【关闭】【评论】

摘要：本文论述采用概率极限设计法计算单索结构的局限性，并建议计算单索等大变形结构时应采用容许应力法;另外本文也推导了单根单索在均布荷载作用下拉力及预拉力的表达式。　
关键词:单索;几何非线性:概率极限设计法;安全系数;容许应力法。

　　【专家档案】
　　专家姓名：花定兴
　　技术职称：高级工程师及教授　
　　技术职务：＊
　　专长：大型空间建筑幕墙复杂钢结构、索结构的方案设计、复杂的幕墙结构与主体建筑结构的力学关系原理分析。
从事专业: 建筑幕墙、建筑结构　　<<<<专家详细资料及论文集

　　本文作者：王飞勇　　花定兴　　张桂先
　　1.单索结构理论计算方法在规范中的空白
　　《建筑结构可靠度设计统一标准》中“极限状态设计表达式”－节对于每一种组合均注明:“荷载效应的基本组合仅适用于荷载效应与荷载为线性关系的情况”，《建筑结构荷载规范》条文说明3.2中也说明:“必须注意，规范给出的表达式都是以荷载与荷载效应有线性关系为前提，对于明显不符合该条件的情况，应在各本结构设计规范中对此作出相应的补充规定。”《玻璃幕墙工程技术规范》 JGJ 102一2003作用效应组合基本延续《建筑结构荷载规范》的表达式，并投有注明仅适用于荷载与荷载效应成线性关系的结构，导致一些幕墙结构设计人员误解。实际上，现在幕墙结构体系中的单向单索或单层平面索网(以下统称单索)结构正是荷载与荷载效应不成线性关系的结构，因此，(建筑结构荷载规范》和《玻璃幕墙工程技术规范》的效应组合并不适用于单索结构体系，也没有给出单独的计算方法。　
　　随着社会经济的发展，业主和建筑师对美观的要求越来越高，单索结构体系由于其通透性、简洁性得到了越来越普遍的应用，特别是在一些机场、科技馆之类的公共建筑，如广州白云机场二期扩建工程、昆明机场主航站楼、长春科技馆等等，都采用了大面积的单索结构幕墙，单索结构应用越来越广泛了。由于单索结构几何非线性的特点，单索结构在初始状态下刚度为零，只有当变形后才具有刚度，而且，随着荷载的增加，结构变形越大，抵抗荷载的能力越强，也即刚度越大，因此，单索结构是典型的几何非线性结构，明显不满足“荷载与荷载效应成线性关系”的条件。由于没有相关规范对单索计算方法作出规定，这就导致了不管是业主、招标代理单位、设计院、幕墙顾问公司，还是幕墙设计和施工单位，在单索等大变形结构的设计计算中存在一定的误区。
　　 2.目前单索结构计算理论的误区
　　按照《建筑结构荷载规范》的极限状态表达式，均是荷载产生的效应进行叠加组合，在小变形结构中，结构是线弹性的，因此，各荷载的效应是可以进行叠加的;但是在大变形结构中，荷载和荷载效应是非线性的，那么荷载效应就不能进行叠加;因此，计算像单索这种大变形结构时，应该采用荷载组合而不是效应组合，这是大变形结构与小变形结构一个重大的不同之处，也是《建筑结构荷载规范》“荷载效应组合”在概念上不符合大变形结构的地方。这一点在实际应用中反而歪打正着，这是因为，在幕墙行业中，为了计算上的方便，幕墙结构计算人员都是普遍采用荷载组合而不是效应组合。计算挠度时，大家采用荷载标准值组合，计算拉力时，大家采用荷载设计值组合。我们肯定了在单索等大变形结构中采用荷载组合而不是效应组合的正确性，现在主要探讨的是:对于单索这种几何非线性结构，计算挠度采用荷载标准值组合，计算结构的拉力时，能采用荷载设计值组合吗?采用荷载设计值组合来计算能保证单索的最小总安全系数K=2.5吗?实际上大多数幕墙结构设计人员都是采用荷载设计值组合计算单索，即计算荷载设计值时，先考虑一个荷载分项系数，譬如风荷载分项系数取1.4，选用材料的时候再按照JGJ 102一2003的要求取用1.8的安全系数，这样似乎满足了K=1.4x1.8=2.52的要求;其实，按照荷载设计值组合，荷载放大1.4倍，由于单索结构的几何非线性，其拉力并没有放大1.4倍;而且，单索结构中，预拉力在单索最终拉力中占的比重很大，一般为最终拉力的60%以上(可以用下节推导的表达式证明)，幕墙结构计算中预拉力往往不取分项系数或取不足1.4的分项系数，这就进一步的导致总安全系数降低的情况。这是目前单索结构计算中普遍存在的问题，希望引起大家的重视。

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