单向拉索及平面内双向拉索的对比分析

单向拉索及平面内双向拉索的对比分析

张颖

上海幕名工程设计有限公司

摘要：本文在工程案例中利用有限元程序SAP2000.15.2，对拉索幕墙分别采用单向拉索和平面内双向拉索的受力形式进行模拟计算，同时将案例中的拉索结构的内力、挠度、反力及其可行性等情况进行全面的对比分析，并根据分析结果确定合理方案。

关键词：SAP2000；预应力；幕墙；拉索；柔性体系；对比分析；方案确定

1．引言

玻璃幕墙作为现代建筑的“外衣”在一定程度上是现代建筑的重要符号。有些建筑师将当前建筑的趋势总结为“光、薄、透”，现代建筑师们在进行建筑设计过程中把人与自然的交流，人们的视觉效果放到了一个非常重要的位置。

拉索式玻璃幕墙具备大玻璃无框、无大型支撑钢结构，轻盈通透，视野开阔，支撑结构轻巧并跨越较大的空间等特点，增强了建筑物内外交融的艺术美感，特别适用于大空间公共建筑，能充分体现大空间大通透性，受到了建筑师和业主的青睐，在幕墙中得到了广泛的应用。

拉索式玻璃幕墙一般是将玻璃面板用钢爪固定在拉索上的一种幕墙形式。它主要由三部分组成：玻璃面板、拉索及锚固结构。拉索是跨越幕墙支承跨度的重要构件，按一定规律布置的高张强度的索悬挂在锚固结构上，起着形成幕墙系统、承担幕墙承受的荷载并将其传至锚固结构的任务。玻璃面板、索桁架、锚固结构组成幕墙系统。三者互相依存、互相制约、互相影响。

因此采取什么样的布置方式，施加多大的预应力，在荷载作用下，对端部固定构件产生多大的影响，是幕墙中要积极解决的问题。本文中采取对比分析的方法，对实际的工程案例进行分析计算，以确定最经济合理的方案。

2．工程概况

2.1基本概况

本案例位于上海浦东新区X办公楼的一层大堂入口处，为了效果要在洞口处做拉索结构，洞口计算标高为25米、宽度10.29米、高度11.2米、面板为钢化夹胶玻璃，通过不锈钢夹具固定在拉索上。拉索是柔性的张拉结构，在没有施加预应力之前没有刚度，其形状也是不确定的，必须通过施加适当的预紧力赋予其一定的形状，才能使其有足够的能力去抵抗平面外的风荷载及地震荷载，及平面内的玻璃及相关配件的重力，才能使整个结构成为一个稳定的、平衡的结构。预紧力[3]在施加过程中一般分三次逐渐施加到拉索上，在第一阶段应施加预应力的50%，第二阶段施加到预应力的100%，第三阶段施加到预应力的105%，经过三次施加后，最终达到预加值，这样采取分级，多次张拉的形式，可以有效的降低预拉力损失，使拉索结构具有足够的刚度。

施加预紧力后，进行夹具的安装及定位，在施工过程中，要严格的对每个夹具夹行测量复核，夹具的安装质量，不尽关系到玻璃的安装质量，还直接关系到荷载是否能有效的传递到拉索结构上。

在该案例中拉索幕墙中玻璃的重量通过夹具点全部传递到拉索上，风荷载及地震荷载产生的效应也以集中力的形式通过夹具点全部传递到拉索上，索在荷载的作用下会产生一定的内力及变形，对并结构构件产生一定的反力作用。本文将拉索分成两种情况：即单向索及双向索网，利用有限元软件SAP2000.15.2，对这两种情形进行分析，并根据对比结果来确定最终方案。

2.2材料属性

本计算区域面板采用10mm+1.52PVB+10mm钢化夹胶玻璃，玻璃分格宽度为1715mm，高度为2910mm，每块面板有六个不锈钢夹具固定在拉索上。单向拉索中，索截面直径为36mm，用来承担重力和风荷载。双向拉索中，竖向拉索用来承担重力作用，拉索直径为20mm。横向拉索用来承担风荷载和地震载作用，索直径为30mm.不锈钢绞线弹性模量为1.5*105MPa，泊松比0.3，线膨胀系数[4]1.8*10-5，不锈钢材质。

2.3荷载取值

该项目建筑结构安全等级为二级，结构设计使用年限50年，抗震设防烈度为七度，设计基本加速度值为0.15g，设计抗震第一组。基本风压为0.55kPa，地质类型B类，计算高度为25米。玻璃重度25.6kN/m3，风荷载分项系数[2]1.4，组合系数0.6。地震荷载分项系数1.3，组合系数0.5。风荷载与地震荷载组合计算，每个驳接点的重力为3.218kN，水平方向集中力为9.8kN。温差取值为40℃，预紧力施加值为20%的拉索破断力值，拉索应变值为1.75*10-3，φ36mm的拉索最小破断力为869kN，φ30mm的拉索最小破断力为750kN，φ20mm的拉索最小破断力为320kN，材料系数取2.0。

2.4荷载组合

本工程采用Sap2000.15.2[1]有限元计算软件对拉索结构进行了整体分析。由于索体对温度比较敏感，降温工况时，相当于索缩短，额外增加了预紧力，对索的承载力及主体结构产生不利影响，升温工况时，索伸长，降低了预紧力，索的变形在荷载作用下将产生不利影响。所以，本文为方便起见，进行承载力校核时，仅考虑降温工况。进行变形分析时，考虑升温工况，荷载组合如下：

荷载设计值考虑了以下2种组合：

组合1：1.2预应力+1.2自重+1.4风吸力+1.4×0.6×温度（降温）

组合2：1.2预应力+1.2自重+1.4温度（降温）+1.4×0.6×风吸力

荷载标准值考虑了以下2种组合：

组合11：1.0预应力+1.0自重+1.0风吸力+1.0×0.2×温度（升温）

组合22：1.0预应力+1.0自重+1.0温度（升温）+1.0×0.6×风吸力

3．模型的建立

索是柔性的，建模时通过修正截面属性的方法，将强轴、弱轴的惯性矩设成一个较小值。在分析时选择几何非线性参数中的P-△和大变形选项，同时应将模拟索的框架单元剖分为足够小的单元，以保证每个单元内的相对转动较小。索用框架单元模拟，施加预应力的温度工况为初始工况，考虑自重、风荷载、地震等工况接在初始工况之后，表明这些荷载和作用发生在使用阶段。

模型一：以单索的方式进行布置，采用压制型不锈钢拉索，钢绞线材质316，2205型号索锚具、销轴。拉索截面直径36mm，竖向长度11.4米，两端通过锚固件，固定在主体混凝土结构上。

模型二：以双向索网的方式进行布置，采用压制型不锈钢拉索，钢绞线材质316，2205型号索锚具、销轴。竖向拉索截面直径20mm，长度11.4米，横向拉索截面直径30mm，长度10.29米，两端通过锚固件，固定在主体混凝土结构上。

4．幕墙框架横、纵向受力对比分析

本文通过SAP2000.15.2软件对二种受力模式做出模拟计算。

图1单向拉索模型的风荷载布置图图2双向拉索模型的风荷载布置图

当采用单索布置，在荷载作用下，可能会发生偏转，索也会随之转动，这样对索产生破坏，同时破坏整个系统的整体性。而且单索端部反力最大为394.45kN，对主体结构产生破坏较大，对土建梁柱的截面要求较高，进而会影响幕墙美观效果。

当采用双向索网布置，在荷载作用下，横向抗风索会对索网结构起稳定作用，玻璃及索不宜发生偏转，竖向拉索反力远小于单索结构反力，为151.97kN，易满足主体结构要求，且拉索截面相应减小，增加建筑的美观性。

5．结论

通过计算机软件SAP2000.15.2[1]的模拟，对单向索和双向索网的计算结果可以分析得出：

当结构采用单向拉索形式时，拉索即要抗风，又要抗自重，对自身截面要求较高，且内力、挠度、端部反力均较大，增大对主体结构的破坏，影响了建筑的美观性。

当结构采用双向拉索形式时，承重拉索和抗风拉索各厮其职，共同作用，对结构的内力、挠度起到了很好的控制作用。同时还能有效减小拉索截面，减小端部反力，对主体结构的影响相对较小，增强了建筑的美观性。双向拉索的结构形式的优点大于单向拉索的结构形式。因此大跨度空间拉索幕墙应该尽量采取双向拉索的结构形式。

通过计算机模拟计算，可以快速有效的解决工程难点问题，不仅可以为合理布局提供依据，在大大提高工作效率的同时也能快速的找到经济适用的方法。

参考文献：

[1]张立恿，陈志敏．SAP2000中文版使用指南［M］．北京：人民交通出版社，2006．

[2]黄小坤，赵西安．玻璃幕墙工程技术规范［M］．北京：中国建筑工业出版社．2003．

[3]朱海桥．拉索结构施工关键技术研究[J]．重庆大学学报，2011．

[4]李红星．拉索材料的线性热膨胀系数的试验研究[D]．天津大学，2007．