用有限元分析点支式玻璃幕墙刚柔支撑体系的方法

在当今的幕墙设计领域，点驳接式的全玻璃幕墙体系，不断涌现，建筑师充分的发挥了创造性，各种幕墙连接形式千变万化，但万变不离其宗，其支撑结构体系大致分为如下三种：刚性支撑体系，纯柔性支撑体系，刚柔结合式幕墙支撑体系。 现将它们的特点简单分述如下： 刚性支撑体系： 该种支撑体系成本较低，施工起来有较好的操作性，可尽最大可能制成设计师所要求建筑效果，但相对来说其通透性最为不好，由于刚性杆件具有一定的几何尺寸，阻碍了人们的视线，令人不能透视。总结：形式多变，物美价廉。 纯柔性支撑体系 该种支撑体系成本是最高的，其安装工艺较为复杂，但换来的是良好的通透性，若配以良好的灯光效果，可以说金碧辉煌，晶莹剔透，其最为杰出的代表比如：上海大剧院。相对于刚性支撑体系来讲，其受力方式更为合理，其所有的连接点均为弹性连接，即使承受外荷载作用，其支撑体系也会同时响应，均匀分配。但其特有的柔性也导致了幕墙的形式相对单一，其对周边的要求相对苛刻，例如周围结构得足够坚固，这样才能提供柔性体系预紧，及承受外力时所需的外力支持。 刚柔结合式幕墙支撑体系 有些时候建筑师所给的边界条件是相当严格的，比如，新广州白云国际机场，其航站楼的屋顶部分因其属于大副度外檐悬挑结构，只能承受水平荷载，而不能承受垂直荷载，又因其为候机大厅的功用，要求其通透性良好，又要具有鲜明的现代感，因此刚柔结合的自平衡体系，便是优选，由于它特殊的结构形式，因此它具备纯刚性和纯柔性的支撑体系的共同优点。 以上的分析，我并不认为那一种支撑体系会优于其他两种体系，只是在不同的地点，不同的周边环境，不同的受力情况下，不同的建筑整体效果，总会有一种最为适合的支撑体系出现，那就是最优秀的设计。 由此，三种最为基本的幕墙支撑体系产生了，结构形式确定了，那么如何能在理论上以定量的形式，以数值的方式直观的衡量他们的安全度呢？ 下面我们举例，以数值的方式详细的加以说明。 三种基本幕墙支撑体系，其中又以纯刚性支撑体系最为简单，其就是在构造设计上考虑结构的合理性，在用有限元方法加以分析，进一步优化设计，求解，即可宣告完成，在这里我们不展开说明。 这里我们详细说明点驳接式的全玻璃幕墙，刚柔结合式幕墙支撑体系的过程分析。 该处点式幕墙自平衡系统位于北京市中心，C类地区，抗震烈度为8度，建筑标高为30米，试求该自平衡系统中心钢柱直径，即对称拉索的型号，要求经济美观。如下图 由以上所给条件可以确认如下参数： 北京地区基本风压：0.45KN/m2 幕墙计算高度：30m;幕墙自重取500N/m2;垂直幕墙体形系数1.5（按《建筑结构荷载规范》 GB50009-2001，应根据不同位置取值，该处仅为说明问题所设）；风荷载取50年一遇。 可以求得风压高度变化系数为：0.9989;振风系数为:1.8300; 外荷载组合设计值为：1.9146KN/m2; 外荷载组合标准值为：1.3778KN/m2 该自平衡系统，我们运用法国结构分析软件ROBOT Millennium V16分析（用于结构分析的有限元软件工具，我建议选用注册的正版软件，这样可以保证计算结构的正确性，及可信性，本程序已通过ISO9001质量认证） 由于杆件GH;HI,为纯横向稳定杆件，所以对自平衡索单元分析时，我们可不考虑它对平衡索架结构平面内的影响。 取出标准自平衡索单元：A,B,C,D,用CAD2000构建线性数学计算模型，载入ROBOT初始分析界面。并赋予杆件属性，除两侧对称弧形拉索为柔性Cable外，其他均为刚性杆件，分别赋为（竖向）圆钢管Ø76x6,（横向）圆刚杆Ø30；柔性Cable赋为钢铰线Ø12 设置约束，本系统要求顶部不能承受垂直荷载，只能承受水平荷载，因此本系统不能设计为幕墙通常采用的上悬式结构，设计中必须将顶部设计为可以上下滑动的铰接节点，这时的幕墙自身总量便由（竖向）圆钢管Ø76x6的张力承受，并传至自平衡索单元的底部，这样其底部支座就要设计成为，只能允许转动的纯铰接节点。约束施加完成。 施加外荷载：由于本系统为点式连接结构，所以其外荷载为点荷载其值为： F设计值=1.9146x2x0.9=3.44628 KN; F标准值=1.3778x2x0.9=2.48004 KN; 万事俱备了，下面进入全面的数学分析： 我们的目的是寻找在一个经济合理的断面结构，也就是自平衡索架系统在整个（钢结构）应力，及（柔性钢索）拉力性能指标均接近设计值时，其本身的位移形变指标也接近饱和，同时也要照顾与周围环境的协调一致性，及杆件的尺度不能太小，也不能太大，这样的设计才是等强度设计，最合理的优化。 这里起控制作用的有两个关键因素，（竖向）圆钢管Ø76x6，以及柔性Cable钢铰线Ø12的选择是否合理的问题，一个有经验的设计师，会利用自己的知识积累迅速找到，一个合理的取值，以提高设计的效率，那么，钢铰线的预拉力是如何施加的呢？这里我们有三种方法 1．以应力的形式给出，即给钢铰线一个预拉应力。 2．以拉力的形式给出，即给钢铰线一个预拉力。 3. 以线应