点支承玻璃幕墙索桁架中索的预留应力的讨论

点支承玻璃幕墙索桁架中索的预留应力的讨论　冯健朱变锋　南京２Ｉ∞　）　东南大学土木Ｔ　程学院摘　要：索桁架是点支承玻璃幕墙采用的主要结构形式之一对拉索中预　施力的确定进行初步探讨　索桁架正常工作需要在索中保留一定的拉应力。为此　关键词：点支承玻璃幕堵索桁架应力　ＤＪＳＣＵＳＳＩｏＮ　０Ｎ　ＴＨＥ　０ＢＬＩＧＡＴＥＤ　ＳＴＲＥＳＳ　ＩＮ　ＣＡＢＬＥ　０Ｆ　ｐ０ＩＮＴ　ＳＵＰｐ０ＲＴＥＤ　ＧＬＡＳＳ　ＣＵＲＴＡＩＮ　ＷＡＬＬ　ＣＡＢＬＥ　ＴＲＵＳＳ　Ｆｅｎｇ　Ｊｌ蛐丑ｍ　Ｙｉｆｅｎｆ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｓｏｕｌｈｅａ．￣ｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｎａｎｊｉｎ￣２１０（｝９６）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃａｂｌｅ　Ｔ……Ｔ　Ｉｅ　ｓｍｌｂｃｔｕｒａｌ　ｒＴ『　ｏｌ　ｐｏｉｎｌ　ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ　ａ　ｃｕ　ｎ　ｗａｌｌ＾ｃｅｒｔａｉｎ　ｏｂｌｉｇａｔｅｄ　…ｓｓ　ｌ　ｈｏｗ　ｄｅｔ　…　Ｉｈｅ　ｏｂｌｉｇａｔｅｄ　ｓＩ　＊ｉｔ，ｔｅ￣ｉｏｎ　ｅ＠，ｌｅ．　ｕｍ　ｂｅ　ｋｅｐｔ　ｉｎ　ｃ丑ｂｋ　￣＇ｈｉｌｅ　ｒｍ加　￣ｏｒｋｉｎｇ　Ｔｈｉｓ　ａｒｉｉｅｌｅ　ｄ…Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｉｎｔ　ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ出ｓｓ　ｅｕａａｉｎ　ｗ　（－　ｌⅢ　拉索拉力；　重）；　１概述　口——作用在拉索上的横向线荷载（拉索自　Ｅ、　、卜一拉索的弹性模量、截面面积及弦长。　在应力较低及应力较高时拉索的非线性特性比　较明显，中间相当大的应力范围内拉索处于线弹性　状态一一般索桁架中拉索的应力上限不高，不会进　入擐性状态。那么应力需要高于多少才能进入线弹　性状态，图１为ｆ＿１ｍ、２ｍ、３ｍ．公称直径为１５．２．．４ｎｒｎ　索桁架是点支承玻璃幕墙的主要支承结构形式　之一。索通常采用不锈钢钢绞线，外形美观．通透性　好。国内自上海大剧院首次应用之后，一大批大型　场馆纷纷采用。由　这种结构形式在国内出现的时　间不长。许多问题尚未得到解决。率文对索桁架中　拉索预留应力的大小进行初步探讨一　２索桁架的受力特点　的钢绞线系数　一０　与拉力　的衄线。　支承玻璃幕墙的索桁架的大小－般由刚度要求　确定，承载力　是主要问题一在两个方向风力作用　下，拉索必须保留足够的拉应力，　维持结构的成　立。如果由于荷载作用、温度影响、拉索应力松弛等　由图１中曲线可看出，索越长，则克服初始非线　造成某拉索中的拉应力接近于０．则初始的结构形　式发生改变．结构刚度变小．不能满足正常使用要　求　３影响索中预留应力大小的因素　３．１拉索的切线刚度　索力不大时拉索形状为悬链线，其抗拉刚度表　达式不是简单的ＥＡ／ｆ，一般可用式（１）近似表示：　＝　闰ｌ　：．ｒ关系曲线　３ｍ：２一』＝２ｍ：３一ｌ＝１　…　—　■　第一作并：冯健男　１９６３年１０月出生博士副教授　式中　——拉索的切线刚度；　ＩｎｄＩＩ　ｎ　ＣｏｎｓｌｍｒＩｊｎ　２００２．Ｖｏｌ　３２、　．５　收穑　期：２００２—０２—２６　工业建筑２００２年第３２卷第５期ｌ】　维普资讯 http://www.cqvip.com

性的拉力越大。对应的拉索应力分别约为５０　ＭＰａ、　３６　ＭＰａ、２８　ＭＰａ。　显，但由于索的面积和直径成正比，所以从增加索的　直径来说，还是有一定效果的，但索的面积增大，自　重也随着增大，同时费用增加。　索中的应力对刚度的影响不是简单的线性关　系，从４条索的曲线可以看出，索中的应力小于８０　～３．２单点力作用下的变形　索桁架在使用过程中可能受到人力的推拉、吊　挂，在单点集中力作用下索桁架的变形不应过大。　一般要求索桁架在各种工况下始终存在一定的拉应　１６０ＭＰａ时，索的刚度受应力影响很大，应力增大，　力，即不能有索退出工作，以保持结构的基本形态。　索桁架的计算一般考虑几何非线性，单根索的刚度　挠度急剧下降，剐度急剧增大；应力大于１６０ＭＰａ　时，索的刚度受应力影响很小，应力增大，挠度稍微　下降，刚度基本不变。所以认为，当一个索桁架结构　在各种荷载作用下，每根索的最后应力值达到８０～　１６０ＭＰａ，人为的推拉、吊挂对结构的变形影响较小。　如果应力大于该值，对刚度帮助不大，这时可以采用　增加截面面积或降低索的长度。　４索的预应力与索桁架刚度的关系　索桁架在无预应力情况下结构是不稳定的，因　此预应力是结构刚度存在的基础。在拉索中施加预　应力后，索桁架就具有了刚度，能够抵抗外荷载　计　算模型如图５所示。索桁架的刚度不仅与索中的预　应力值，而且与索的截面面积，索桁架的高度有关。　与截面面积、长度、初始应力、外荷载等都有关系，而　且在使用过程中不断变化。本文先用ＡＮＳＹＳ对一　系列单根索进行分析，得出单根索的刚度与预应力　的关系。计算模型如图２所示，索的两端固定，采用　的集中力。　ｂｅａｍ４单元，荷载组合为：自重＋预应力＋跨中７００Ｎ　一　厂　一　图２单根索计算模型　（１）分析截面面积为２５０ｍｍ’－，长度为１．５、２、　２．５、３ｍ的索的跨中挠度与预应力值的关系，ＡＮＳＹＳ　计算结果如图３所示。　圈３长度不同的单根索预应力一位移曲线　一　＝３ｍ：２一ｆ：２　５ｍ：３一　：２ｍ；４一Ｚ＝ｌ　５ｍ　（２）分析长度为２．５ｍ，截面面积为２５０ｍｍ２、　４．１索桁架的结构高度对刚度的影响　３００Ｔ｜ｌｒＩＩ　、３５０ｍ　、４００ｍｍ２的索的跨中挠度与预应力　值关系。ＡＮＳＹＳ计算结果如图４所示。　３０　索桁架的结构高度对剐度的影响非常明显，因　为跨高比是控制桁架位移的主要因素，索桁架也不　例外，但索桁架的高度除了建筑的要求之外，还要验　算撑杆的稳定。从图６可看出，随着索桁架的结构　高度增加，位移下降。　］Ｏ　￡　攀一　圈５　秆亍禁计算模型　一　拍　叭　Ｈ　ｌ　２０　善１。　§２０　嗽‘一　，ＭＰａ　站　ｇ１０　图４截面面积（Ａ）不同的单根索预鹰力一位移曲线　Ｉ—Ａ＝２５０ⅡｍｆＩ２一Ａ：３００Ⅱｍｆ：３一Ａ＝３５０￣ｚ：４一ｄ：４０Ｏｍｍ　预　山悄，ＭＰａ　（３）从图３、图４可以看出，单索的长度对其在　集中力作用下的变形影响较大，特别是索中应力值　较小时，索越长则其变形的增幅越大。　图６拉索预应力值与索桁槊刚度关系曲线　ｈ＝５００．Ｈ＝１０００；２一ｈ＝６００．　＝Ｉ　２ｔ３０；３一ｈ＝７删，Ｈ＝ｌ　４ＯＯ　４一ｈ＝８００．Ｈ＝Ｉ　６∞　索的截面面积对单根索的刚度影响不是很明　１２　工业建筑２００２年第３２卷第５期　维普资讯 http://www.cqvip.com

４．４斜索、竖索和横索的截面面积对刚度影响　索的面积对刚度的影响亦较大，但主要是斜索　假定其中两种索的截面面积保持不变，均为　２８３ｍｍ２，预应力均为３４０ＰＣｌＰａ，另一种索的截面面积　、３７８ｍｍ　、４２５ｍｍ２，分析　蒌　。。。取２３６＿　、２８３Ⅻ　、３３０　各种索的截面面积对索桁架刚度的影响。　ｌ　８　Ｅ　２４—０—＿　————　预应　—　｛ｎ６　，＇ＭＰａ　差１４　１２　１０　图７拉索预盹力值与索架刚度关系曲线　１一索截面　税２３６ｍｍ　；２一索截面面积２８３ｍｍ　；　３一索截　辊３３０￣２；４一索截面而税３７８ｍ２　霞截　Ｉｎｌｎｌ‘　图９各种索截面对索桁架刚度影响　＿◆＿斜索；＋竖索；１．广一横索　的作用，因为斜索主要抵抗水平力，从图７可看出，　基本上位移与面积成反比。竖索和水平索主要是为　了保证竖向和水平向稳定。　４．３索力的组成　索中的力主安由两部分组成，一部分与初始拉　由图９可看出，斜索和竖索对刚度影响比较显　著，横索对刚度基本没有影响，因为横索只是把各榀　索桁架组成一个空间整体，主要起稳定作用，所以横　索的面积不必取大。斜索和竖索截面面积较大，其　中竖索基本上对抵抗水平力的贡献不大，但竖索还　承受竖向力，玻璃的自重通过节点传给竖索，从上至　下竖索的拉应力逐渐变小。斜索对抵抗水平力、提　高刚度都有显著作用，因此加大斜索的面积有时很　有必要。　力有关，而且初始拉力占主导地位，从图８可以看　出，索中的应力与预应力成线性关系，另一部分与索　的伸长或缩短引起的内力有关，这部分力是荷载作　用引起的。所以在一定的结构高度条件下，预应力　主要用来提供刚度，保证在外力的作用下，索始终存　在拉应力，而且每根索都应该绷紧，具有一定的刚　度。抵抗外力主要是靠索长的变化，所以截面面积　对抵抗外力作用较大，这由，、＝ＥＡ　也可知。　５结论　（１）点支承玻璃幕墙索桁架中的索应力在各种　工况下必须维持在一定的拉应力水平上，否则初始　结构形态不能成立。　睾　掣　（２）引起索中拉应力减小的主要原因有荷载作　用、预应力损失、温度变化、主体结构变形等等，其中　后三种影响的准确计算难度较大。　（３）索中预留的拉应力（在最不利工况下索中剩　』　：ＭＰａ　吾　÷　余的拉应力）应使索的变形在线弹性范围内，同时应　考虑可能存在的人力对索桁架的作用，如按一人体　睾　重作用在索上引起的变形不应太大　（４）索桁架的结构高度对刚度的影响最大，如果　位移不能满足要求，首先考虑提高索桁架高度。索　截面面积对刚度有一定影响。索中拉应力大，则剐　２４０　４４０　６４０　８４０　笺　毒　ｔ幔　）ｊ瓶　ＭＰａ　度大，但影响不太明显，如图６、图７所示，每条曲线　都较平缓，所以在达到一定的拉应力之后，再用加大　预应力的方法来增加刚度是不经济的。　参考文献　傀世制．棘祟宝，赵臣．悬索结构世计北京：中国建筑工业出版　ｆｌ：．Ｉ９９７　图８拉索琐应力值　寨的应力关系曲线　（ａ）一索的最小应力；（ｂ）一索的最大肺　一索截面面ｌ襁２３６叫　；２一索截面面积２８３一　３一索截面面积　３ｎ一　ｔ４一索截面面积３７８ｍｍ　，……………………………………………………………………一、　；　…………欢迎订阅《工业建筑》杂志　…………………………………………………………。。！　－－　点支承玻璃幕墙索卉架中索的预留应力的讨论——冯　健，等　１３