单层索网玻璃幕墙.doc

12．单层索网玻璃幕墙
单层索网玻璃幕墙由于具有良好通透性而受到青睐。单层索网玻璃幕墙分为单向单层索与玻璃组合体系和双向单层索网体系。如果单向单层索之间没有横向索把它们互相连接起来，就未形成结构体系，就会因整体失稳而破坏，就要把玻璃作为单向单层索的横向结构，即考虑玻璃的作用才能形成稳定的结构。双向单层索网体系靠双向索组成的索网形成稳定的结构。单层索网玻璃幕墙是国外开发的，但没有人给我们提供建造单层索网玻璃幕墙整套技术，完全靠自己摸索，国外也有些资料介绍了一根单索的挠度和内力的关系(见表12-6)，有些人以为表12-6的参数是用来选择最大挠度控制值的，并按最大挠度控制值求出索的内力，这样理解是不完整的，索的挠曲（矢高）越大内力越小，挠曲（矢高）越小内力越大，表12-6所列参数说明了这一点。
表12-6
f/L1/4001/3001/2501/2001/1501/1001/801/601/50N100P75P62.5P50P37.5P25P20P15P12.5P单层索网幕墙由于两个方向的约束，单层索网的挠度由两边中央逐步增加（不是线性的），表12-6参数说明了一幅幕墙不同部位索的挠曲（矢高）与内力的关系，因此在对索结构分析时，要把整个索网（包括是单向单层索与玻璃组成双向结构）作为双向结构来分析，这样就可求出每根索的挠度和分配到的荷载，从而求出索的内力。在效应分析时要取可变荷载最不利分布，当可变荷载满布时，某些索截面内力最不利，而其他一些索则不然，因此要分别求可变荷载竖向3/4、1/2、1/4满布，横向3/4、1/2、1/4满布，整个索网十字型分割时的1/4分布时的荷载分配与挠曲（矢高），求每根索在荷载最不利分布时的内力，进行截面承载能力验算，如果以为只对可变荷载满布时，挠曲最大的一根索进行验算，可能这一根索不是起控制作用的，按此种方法计算结果设计的幕墙包含着相当大的风险。我们必须对单层索网按双向结构分析，找出每根索在最不利可变荷载分布情况下的挠曲（矢高）和荷载分配，再进入内力分析和截面承载能力验算。
单层索网玻璃幕墙是柔性张拉结构，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应力赋予其一定的形状，才能成为能承受外荷的结构。单层索网玻璃幕墙的预应力必须通过结构自身变位条件来维持，如果说张拉拉索是产生预应力的外在因素的话，那么能够通过变形协调条件来维持预应力的存在是产生预应力的内在因素。静定结构的内力可直接求解平衡方程得到，变位协调条件与静定结构的杆件内力无关，这种性质决定了静定结构不能作为预应力结构。相比之下，超静定结构却不相同，超静结构杆件内力并不由平衡条件唯一确定，同时还取决于变形协调条件，这种性能决定了单层索网玻璃幕墙是预应力结构，同时又是超静定结构，这是维持单层索网玻璃幕墙结构预应力在结构形式方面的要求。单层索网玻璃幕墙的稳定与预应力控制是单层索网玻璃幕墙设计、施工技术中的关键问题。
单层索网玻璃幕墙和一般钢桁架不一样，从静力学角度分析，“Maxwell原理”指出：对有j个结点的结构体系必须有：b≥3j-6个杆件才能使其成为几何不变体系，但是C.R.Calladine指出：存在小于“Maxwell原则”要求杆件数的稳定体系。实际上，“Maxwell原则”是结构在线性条件下处于几何不变的必须条件，而例外的情况在非线性条件下成立，单层索网玻璃幕墙体系保持几何稳定的特征是：1、结构可以发生无穷小机构运动；2、至少存在一个预应力模态，存在可刚化的自应力平衡体系。当此类结构中的杆件长度即将发生改变时，就会在节点上产生不平衡力，该不平衡力能使节点具有恢复初始位置的趋势，使结构趋于硬化。实际上，“Maxwell原则”是结构在线性条件下处于几何不变的必须条件，而例外的情况在非线性条件下成立。不能认为单层索网玻璃幕墙预应力满足了始态的要求就算完成了任务（要满足始态的力系平衡，只要施加不太大的预应力就可以了），还要求预应力系统在终态（即张拉索杆结构承受最大设计水平作用时），任意一根索都不发生松弛，且保持一定大小的张力储备。
单层索网玻璃幕墙最早出现在德国，在德国也用得很多，但德国是一个非抗震设防国家，因此，它不可能提供中国这个多强烈地震国家有抗震设防的要求的单层索网幕墙的设计计算方法，这个任务要中国工程技术人员来完成。北京土城电话局信息港四季中庭是在两座建筑间设共享空间，它的外壁要采用单层索网幕墙，根据抗震设计计算，这两座建筑物在设防烈度下，其顶部位移达170mm，钢索不可能有如此大伸长，即两座建筑顶部位移达到170mm时，势必将钢索拉断，在设计时采用了过载保护器，过载保护器装有压缩量为170mm的弹簧。钢索用保险索与锚定结构连接，当钢索内力达到容许应力时，保险索自动断开（即保险索破断拉力的钢索的容许应力）钢索支承在