幕墙自平衡结构承载性能探究

郑友钊

摘 要：本文利用ANSYS软件对影响幕墙自平衡体系结构的因素进行分析研究，得到了一些较有实用意义的结论，以为广大同业设计人员提供参考。

关键词：自平衡体系结构 承载性能 影响因素

中图分类号： TV223 文献标识码： A 文章编号：

幕墙自平衡体系结构是一种新型的支承体系，影响和控制它的承载性能的因素很多。很多幕墙结构设计人员对幕墙自平衡体系结构的计算进行了研究，但就其承载性能影响因素进行分析的还较少见。基此，笔者根据以往的设计工作经验，在考虑几何非线性的基础上，利用ANSYS 软件对幕墙自平衡体系结构的承载性能进行了探讨，并讨论了幕墙自平衡体系结构矢高、拉索截面积、平衡杆截面积、拉索预应力、玻璃面板厚度等因素对其承载性能的影响，得到了一些较有实用意义的结论。

1 幕墙自平衡体系结构特点

如图1所示是由幕墙自平衡体系结构作为支承结构的玻璃幕墙，幕墙自平衡体系结构支座与刚度较大的钢桁架铰接，拉索通过夹具和销轴与支撑杆相连。幕墙自平衡体系结构由平衡杆(如CF )、支撑杆(如EH )以及钢索(如CDF )组成。图1 中竖向索AB 为承重索，承受玻璃等构件自重，水平索GI 为稳定索。水平及竖向摆放的幕墙自平衡体系结构是主要的承力体系，风荷载及地震荷载通过面玻璃和驳接组件传递给幕墙自平衡体系结构。当承受正风压时，靠近面玻璃的拉索(CHF )为稳定索(副索)，远离面玻璃的拉索(CDF )为承力索(主索)，受负风压时则反之。平衡杆由于弯曲抵抗一部分外力，它与拉索共同承受外载。

支撑杆与平衡杆采用铰接。平衡杆为压弯构件，在幕墙自平衡体系结构平面内弯矩很大，但是由于有拉索和支撑杆的作用使其在平面内失稳的可能性很小，而平面外由于弯矩很小，并且有稳定索( GI )通过支撑杆对其进行加强，稳定性也很好。

2计算理论设定

2.1 计算假定

(1)索是理想柔性的，只能受拉而不能受压，也不能抗弯；(2)索的受拉工作符合虎克定律；(3)荷载均作用于节点；(4)节点为理想无摩擦的铰节点。

2.2 计算模型

本文将应用有限元软件ANSYS 分析幕墙自平衡体系结构各参数的变化对整体结构受力性能的影响。按有限元理论对点支式玻璃幕墙进行分析时，将整个结构体系看作由若干个单元组成的空间组合结构。在计算模型中，对拉索采用只受拉杆单元(Link10 单元)，承受轴向拉力采用初始应变来模拟拉杆中的预应力。对幕墙自平衡体系结构中的撑杆采用普通杆单元(Link8 单元)来进行模拟，承受轴向压力和轴向拉力。

平衡杆具有一定的抗弯刚度，采用梁单元(Beam4 单元)来进行模拟。对于玻璃面板既承受平面内力又承受弯曲内力，其受力状态为平面应力状态与弯曲应力状态的组合，属于平面壳体问题，将玻璃板离散成板壳单元。在计算时，要使计算模型尽可能符合点支式玻璃幕墙实际受力情况，不仅要考虑玻璃面板的共同作用，还应该在有限元模型中加入硅酮密封胶和驳接钢爪。硅酮密封胶弹性模量较小，厚度较薄，和玻璃面板一样，采用板壳单元模拟。驳接钢爪既承受轴力，又承受弯矩，可将其离散成梁单元(Beam4 单元)，在与玻璃面板的支承点处铰接。

3 幕墙自平衡体系结构承载性能影响因素分析

在以下讨论中，均以图1 所示幕墙自平衡体系结构模型为例进行，对影响幕墙自平衡体系结构承载性能的参数进行了分析。幕墙自平衡体系结构的基本参数为：不锈钢拉索截面积200mm2，预应力300N/mm2，弹性模量1.5×105N mm2；矢高1.0m；平衡杆φ120×12 ，弹性模量2.06×105N mm2；玻璃面板厚度10 mm，弹性模量7×104N mm2；硅酮密封胶胶缝厚度20mm ，弹性模量3N/mm2 。以下分别变动幕墙自平衡体系结构矢高( DH 长，本文取两倍幕墙自平衡体系结构对称处支撑杆EH 长)、拉索截面积、拉索预应力、玻璃面板厚度、平衡杆截面积等参数，讨论所变动的参数对幕墙自平衡体系结构的承载性能的影响

3.1 幕墙自平衡体系结构矢高的影响

分别取矢高0.6 m、0.8 m、1 m、1.2 m、1.4 m。图2、图3 给出了幕墙自平衡体系结构的位移及主索和副索的应力随幕墙自平衡体系结构矢高变化曲线。

由图2 可以看出，随着矢高的增加，结构的位移相应减小。可见增大矢高可以有效增加幕墙自平衡体系结构的刚度。但当矢高增大到一定程度后，通过增大矢高来增大结构刚度的效率降低。矢跨比(结构矢高/跨度)是控制幕墙自平衡体系结构位移的主要因素，但幕墙自平衡体系结构的高度除了建筑的要求之外，还要验算撑杆的稳定。幕墙自平衡体系结构中的撑杆在工作中始终处于受压状态，其长度决定幕墙自平衡体系结构的结构高度。由此可以得知，在进行幕墙自平衡体系结构支承结构设计时，在实际条件允许的情况下，可以适当地增加幕墙自平衡体系结构支承结构的高度。

在图3 中，随着矢高的增加，幕墙自平衡体系结构主索应力减小，副索应力增大，二者向初始应力靠近，这对幕墙自平衡体系结构是有利的。

3.2 拉索截面积的影响

分别取不锈钢拉索截面积为100 mm2、150 mm2、200 mm2、250 mm2、300 mm2。图4、图5给出了幕墙自平衡体系结构的位移及主索和副索的应力随不锈钢拉索截面积变化曲线。从图4 可以看出，随着预应力拉索截面积的增大，结构的位移减小。可见拉索截面积对幕墙自平衡体系结构的刚度影响明显。在图5 中，随着预应力拉索截面积的增加，幕墙自平衡体系结构主索应力减小，副索应力增大，二者向初始应力靠近，且靠近速度较幕墙自平衡体系结构矢高变化时快，说明影响程度比矢高

因素显著。

虽然增大拉索截面积可以改善幕墙自平衡体系结构受力性能，但从节省材料的角度考虑，还是要减小拉索的截面积。只在非常必须的时候才考虑增大拉索截面积来增加幕墙自平衡体系结构的刚度。

3.3玻璃面板厚度的影响

在考虑玻璃面板与幕墙自平衡体系结构体系共同工作时，很关心的一个问题是玻璃面板的厚度对结构变形的影响会有多大。分别取玻璃面板厚度为6 mm、8 mm、10 mm、12 mm、14 mm，可以看出，随着玻璃面板厚度的变化，结构的位移、主索应力、副索应力变化不大。在进行点支式玻璃幕墙的玻璃面板设计时，主要考虑的还应该是玻璃面板本身的应力和变形问题。

3.4 平衡杆的影响

为简单起见，平衡杆外径保持不变，仅变化厚度。分别取平衡杆φ120×8 、φ120×10 、φ120×12 、φ120×14 、φ120×16 。

从图6、图7 可以看出，随着平衡杆壁厚的增大，结构的位移、主索应力变小。可见平衡杆壁厚的增大加强了幕墙自平衡体系结构的刚度。因为平衡杆是受弯构件，增大其壁厚对其截面惯性矩影响不大，如增大其外径自平衡体系结构刚度变化会更明显一些，但这会在一定程度上影响玻璃幕墙的美观。

3.5 拉索预应力值的影响

分别取预应力为250 N/mm2、300N/mm2、350 N/mm2、400 N/mm2、450N/mm2。图8、图9 给出了幕墙自平衡体系结构的位移及主索和副索的应力随拉索预应力变化曲线。由图8 可以看出，随着索中预应力的增加，幕墙自平衡体系结构的位移小幅减小，且减小幅度逐渐变小。这说明拉索中预应力对幕墙自平衡体系结构刚度有加强作用，但效果不明显。

在图9 中，随着拉索预应力的增大，幕墙自平衡体系结构主索应力、副索应力都增大。这说明，虽然幕墙自平衡体系结构刚度的加强对主索有卸载作用，所以在图2 中主索应力减小，但在本处，拉索预应力的增大作用大于幕墙自平衡体系结构刚度的加强对主索的卸载作用，因而主索应力增大。同样道理，副索应力增大，且较主索应力变化速度快。

4 结 论

(1) 幕墙自平衡体系结构是典型的非线性结构，对其进行分析应采用非线性分析软件。在ANSYS 程序中，预应力技术应用方便使得计算结果更加合理。因此本文选用ANSYS 软件。

(2) 玻璃面板厚度、拉索预应力对幕墙自平衡体系结构刚度影响不大，而其矢高、拉索截面面积、平衡杆影响较为明显。

(3) 玻璃面板厚度的增加对幕墙自平衡体系结构刚度提高的作用不大。考虑玻璃面板与幕墙自平衡体系结构共同作用后，玻璃面板仍由其侧向受弯来控制其强度和变形，所以增加玻璃面板厚度只是为了扩大幕墙分格的尺寸，提高幕墙的通透性。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。