幕墙自平衡结构承载性能探究

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1、幕墙自平衡结构承载性能探究摘要：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

2、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AB7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

3、(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

4、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(Link107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

5、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1.5×105Nmm2；矢高1.0m；平衡杆φ120×12，弹性模量2

6、.06×105Nmm2；玻璃面板厚度10mm，弹性模量7×104Nmm2；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(DH7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0.6m、0.8m、1m、1.2m、1.4m。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

7、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