预应力玻璃结构介绍课件

1、预应力玻璃结构预应力玻璃幕墙结构预应力玻璃采光顶结构工程实例分析17.1 预应力玻璃结构2玻璃结构的定义：由玻璃面板、支承结构和连接件组成的建筑外围 护结构。建筑要求：通透性，形成宽敞、明亮的室内空间。结构要求：采用尽量大的玻璃分格，降低支承构件的杆件截 面，提高连接件的安全性和耐久性。南京国际会展（2000年）3哈尔滨会展（2002年）4广州国际会议展览中心（2002年）5广州新白云机场主航站楼（2003年）6北京天文馆（2004年）7玻璃材料（1） 脆性材料，一直到破坏之前，应力应变几乎 是线性关系；（2）常用建筑玻璃包括：退火玻璃、钢化玻璃、夹胶 玻璃和中空玻璃等。玻璃结构的构成8支承体

2、系玻璃结构的构成910玻璃肋支承11刚架支承12桁架支承体系单层平面索网幕墙结构15优点：结构简洁、轻盈美观、通透性好 缺点：对周边支承构件作用力较大连接件玻璃结构的构成驳接爪16蝶形爪1718四边简支玻璃应力分布（厚10mm，宽1400，高1800，面荷载1.53kN/m2）最大拉应力理论（第一强度理论）S1119四点支承玻璃最大拉应力分布图（ 12mm厚，宽1500mm，高2500mm，面荷载1.15KN/m2）最大拉应力理论（第一强度理论）S1120玻璃结构的发展80年代以前，建筑业一般采用框式玻璃幕墙，玻璃面板通过铝合金框固定在建筑物上。国内最早建成的 高层玻璃幕墙： 1985年，北京

3、长城饭店21玻璃结构的发展80年代以后，点支式玻璃幕墙得到广泛应用。卢浮宫的金字塔（1993）222324Glass Houses: Paris，1986 Museum of Science & IndustryEngineer: Peter RiceTension rod trusses; point fixed glass25Kempinski Hotel Munich AirportCable net glass wall; 33 m span architect: Murphy/Jahn engineer: Schlaich Bergermannc. 1991大型公共民用建筑中第一个采

4、用索结构点支玻璃技术的是 上海大剧院，1998年建成。26第二个大型索结构点支玻璃幕墙是南京国际会展2000年建成（国内独立完成） 面积：1200m2，高度：35m左右，长度：70m252.4m27点 支 式 玻 璃 幕 墙 工 作 原 理水平受力孔承重受力孔承重受力孔承重受力托块承重受力托块28幕墙结构设计的一般原则29幕墙应按围护结构设计，不承担主体结构的荷 载和作用。幕墙及其连接件应具有强度和刚度，以避免在 风荷载、地震和温度作用下产生破坏或过大变形 。连接件应具有足够的位移能力，以避免玻璃因 应力集中而破坏。应考虑重力荷载、风荷载、地震作用、温度作 用和主体结构位移影响下的安全性。玻璃

5、结构的选型根据跨度和功能要求选择玻璃结构类型，如全玻璃 结构或玻璃-金属组合结构。当选择玻璃-金属组合 结构时，是刚性结构还是柔性结构支承体系。玻璃结构的形态分析和荷载效应分析（1）支承结构为刚性结构，计算采用线性计算方法（2）柔性结构体系，结构变形较大，分析时应考虑 几何非线性的影响。关键节点设计30玻璃结构的设计要点平衡状态不平衡状态平衡状态不平衡状态平衡态不平衡态 初始状态1、零状态(无自重、无边界、无预应力)2、初始态(自重和预应力作用下的自平衡状态)d1d1d2d1+d2.mabcdef形态分析317.2 预应力玻璃采光顶结构32与玻璃幕墙结构类似，玻璃采光顶结构也是由 玻璃面板、连

6、接爪件和支承结构三部分组成就玻璃面板和连接爪件而言，两者在很多技术 上是相通的；但是在支承结构方面，两者各有 其自身特点。采光顶的支承结构除了要满足通透性这一基本 要求外，其结构体系与一般屋盖结构类似。采光顶的支承体系可以采用一般刚性结构，也 可以采用柔性的悬索结构，还可以采用兼具“刚”、“柔”特点的混合张力结构。国外的典型工程大阪海洋博物馆333435363738汉堡博物馆庭院上的顶棚39汉堡博物馆庭院上的顶棚40国内采光顶工程：北京植物园41深圳市民中心采光顶42马 鞍 形 采 光 顶43浙江万里学院采光顶44武汉精伦采光顶457.3 工程实例分析46新保利大厦高106m，共23层，建筑平

7、面呈等边直 角三角形，直角边长76m。大厦主体结构由位于三角形角部的3个钢筋混凝土 核心筒和连接两个直角边的钢砼组合框架结构 组成。在大厦的东北立面上设置了大面积点支式玻璃幕 墙围护结构。幕墙在立面上呈倒L形，轮廓尺寸 57.687.7m，单体面积约4000m2，是目前国内 建造的同类幕墙结构中跨度最大的一座。4748计算模型及相关参数的确定Calculation Model and Parameters结构自振特性分析Frequency Analysis结构风振反应分析Wind-Induced Response Analysis结构地震反应分析Earthquake Response Anal

8、ysis49主要内容（Table of Contents）1. 计算模型及相关参数的确定1.Calculation Model and Parameters50东北侧幕墙 （North-East Cable Net Wall）横向索：34不锈钢钢绞线初始预张力220kN竖 向 索 ： 26不锈钢钢绞线 初始预张力80kN主钢索：206低松弛高强钢丝 束 1650t(L),1100t(R)51南侧幕墙 （South Cable Net Wall）横 向 索 ： 26不锈钢钢绞线 初始预张力160kN竖 向 索 ： 20不锈钢钢绞线 初始预张力60kN玻璃分格尺寸：1.51.333m幕墙自重：60

9、kg/m252参照标准 （References ）GB 50009-2001 建筑结构荷载标准GB 50011-2001 建筑抗震设计规范JGJ 102-96 玻璃幕墙工程技术规范CECS 127-2001 点支式玻璃幕墙工程技术规程顾志福，新保利大厦塔楼风荷载研究，2003,8施工图文件，美国SOM建筑设计公司，2003,12532.结构自振特性分析54123450.830.921.021.201.366789101.461.511.611.651.692. Frequency Analysis东北侧幕墙 （North-East Cable Net Wall）结构前10阶自振频率（Hz)第一

10、阶振型（f=0.83Hz）55第二阶振型 (f=0.92Hz)56第三阶振型 (f=1.02Hz)57123450.981.111.291.521.766789101.871.942.022.062.2158南侧幕墙 （South Cable Net Wall）结构前10阶自振频率（Hz)第二阶振型 （f=1.11Hz）60第三阶振型 （f=1.29Hz）61小结 （Summary）东北幕墙上不同部位的索网刚度差异较大。其中 上部幕墙由于受到两条主钢索的约束作用上，刚 度较好；而右下侧幕墙，由于其跨度较大，因此 刚度相对偏柔。南侧幕墙在质量和刚度上分配都比较均匀，因此 其振动形态类似一块薄板；

11、横向水平拉索对结构 动力刚度的贡献较大。结构的前几阶振型均在1Hz附近，而这恰好是风 荷载能量较集中的频率区间。因此可以判定该幕 墙属风敏感结构，需做进一步的风振分析。623.结构风振反应分析633. Wind-Induced Response Analysis计算方案 （Calculate Scheme）东北侧幕墙在风吸力作用下的动力时程分析；东北侧幕墙在风压力作用下的动力时程分析；南侧幕墙在风吸力作用下的动力时程分析；提出结构设计所需的风振系数。计算参数 （Calculate Parameters）基本风压：W0=0.50kN/m2 基本风速：V028m/s地面粗糙度：C类 体型系数: 1

12、.0脉动风速谱：Davenport谱 时间步长：0.02s计算时长：60s64计算方法 （Calculate Method）采用自行开发的点式玻璃幕墙索支承结构专用 设计软件 GCCS V2.0采用大型有限元分析软件ANSYS 进行校核以上方法已成功应用于广州新白云机场航站楼 大跨度幕墙索支承体系的风振性能分析中6566东北侧幕墙+负风压（North-East Cable Net Wall Under Wind Suction）01020405060-0.10.90.80.70.60.50.40.30.20.10.0Displacement (m)30Time (s)0.010.11010-1

13、310-1110-910-710-510-3P.S.D1Frequency (Hz)结构最大位移点位移时程 和功率谱曲线01020405060-0.2-0.10.00.10.20.30.40.5Displacement (m)30Time (s)01020405060-0.3-0.2-0.10.00.10.20.30.40.5Displacement (m)30Time (s)主钢索位移时程010405060-0.10.00.10.20.30.40.50.60.70.8Displacement (m)2030Time (s)0.010.11010-1410-1210-1010-810-610-

14、410-2P.S.D671Frequency (Hz)右侧索网节点位移时程和功率谱曲线0204060114001160011800120001220012400Force (kN)Time (s)0204060170175180185190195200205210Force (kN)Time (s)0.010.11010-710-510-310-1101P.S.D1Frequency (Hz)横向索内力时程和功率谱曲线0204060175180185190195200205210215Force (kN)68Time (s)竖向索内力时程主钢索内力时程小结 （Summary）结构各点的振动幅值

15、差异较大，其最大振幅可达到 0.8m左右，基本满足结构跨度1/50的要求。在1Hz左右的频率区间结构振动出现峰值，说明在此 频率附近出现共振现象。在风吸力的作用下主钢索内力增加，横向拉索出现不 同程度的松弛，说明风吸力对索网结构的整体刚度是 不利的。索的内力变化相对于初始预张力而言很小，说明对于 像索这样的强几何非线性结构，其在风荷载作用下的 位移响应问题是主要的，通常索自身的强度问题不起 控制作用。6970南侧幕墙+负风压（South Cable Net Wall Under Wind Suction）010204050600.40.20.0-0.2-0.4-0.6-0.8Displacem

16、ent (m)30Time (s)0.010.11010-1510-1310-1110-310-510-710-9P.S.D1Frequency (Hz)结构最大位移点位移时程 和功率谱曲线010506060708090100110Force(kN)203040Time (s)0.010.11010-910-710-510-310-1101P.S.D1Frequency (Hz)0105060140150160170180190200Force(kN)203040Time (s)0.010.11010-810-610-410-2100102P.S.D711Frequency (Hz)横向索内力

17、时程和功率谱曲线竖向索内力时程和功率谱曲线小结 （Summary）结构各点的位移变化规律性较好，平均位移约为 0.2m左右，最大位移约为0.4m左右，均满足结构 跨度1/50的要求。在4Hz左右的频率区间结构振动出现峰值，说明 在此频率附近出现共振现象；不过共振现象并不 明显，不会对结构安全产生影响。竖向索由于受到结构自重的影响，其内力变化幅 值较小；横向索相对大一些，说明横向索对水平 风荷载的抵抗作用更强一些。72建议风振系数 （Gust Factor）由于索结构的响应与荷载呈非线性关系，所 以对于索结构而言，定义荷载风振系数在理论上 是不正确的，而应该确定结构响应风振系数。widiU 1

18、Uwiwi73siS 1 Swi位移风振系数内力风振系数建议风振系数 （Gust Factor）东北侧幕墙位移风振系数：1.5内力风振系数：主钢索1.1；其余索1.3南侧幕墙位移风振系数：2.0 内力风振系数：1.3744.结构地震反应分析4. Earthquake Response Analysis75结构整体自振特性分析 （Frequency Analysis）1MNMX0.321E-04.643E-04.964E-04.129E-03FEB 18 200408:45:1876NODAL SOLUTION STEP=1SUB =2 FREQ=.771672USUM(AVG) RSYS=0D

19、MX =.145E-03 SMX =.145E-03 第一阶振型 （f=0.77Hz）MNMX0.110E-03FEB 18 200408:44:21771NODAL SOLUTIONSTEP=1 SUB =3FREQ=1.196USUM(AVG) RSYS=0DMX =.123E-03 SMX =.123E-03.274E-04.549E-04.823E-04第二阶振型 （f=1.19Hz）1MNMX0.326E-04.651E-04.977E-04.130E-03FEB 18 200408:42:1878NODAL SOLUTION STEP=1SUB =4 FREQ=3.181USUM(

20、AVG) RSYS=0DMX =.147E-03 SMX =.147E-03 第三阶振型 （f=2.42 Hz）地震波 （Earthquake Waves）2条人工波：SYNS波、SYNL波0510202530-60-40-20020406080a(ga)15t(s)50年超越概率63%0510202530-500-400-300-200-1000100200300400a(ga)7915t(s)50年超越概率2%SYNL波（大震）SYNS波（小震）3条人工波：COURT H波、 Los Angeles波、Lytle Creek波0246101214-60-40-20020406080a(ga

21、)8t(s)50年超越概率63%01020304050607-80-60-40-20020406080a(ga)80t(s)50年超越概率63%COURT H 波（小震）Los Angeles 波（小震）05102025303002001000-100-200-300-400400500a(ga)8115t(s)50年超越概率2%Lytle Creek 波（大震）计算方案 （Calculate Scheme）弹性地震分析3个地震波输入方向：正西、正北、西南3条地震波：SYNS、 COURT、 Angeles弹塑性地震分析2条地震波： SYNL、 Creek824.1 弹性地震时程分析834.1

22、 Analysis of Elastic Seismic Time-history Response地震波输入方向确定采用小震人工波syns波，分别从正西、正北、 西南三个方向输入，以确定最不利的地震波输入 方向。 （以东北侧幕墙位移响应为准）输入方向正西正北西南结构最大位移44mm60mm70mm地震波输入方向确定分别采用小震人工波syns波、 COURT H波和 Los Angeles波计算结构响应，以确定最不利的地 震波。84地震波COURTAngelesSYNS结构最大位移26mm26mm70mm通过以上分析确定，当采用syns波从垂直东北 侧幕墙方向输入时，结构响应最不利。东北侧幕墙

23、 （North-East Cable Net Wall）2468101214160.0000.010.020.030.040.050.060.070.08displacement (m)time (s)最大节点位移时程2461214164050406407408409410411412413stress(Mpa)85810time(s)主钢索应力时程0246121416280282284286288290292294stress (Mpa)810time (s)0246121416391392393394395396stress (Mpa)86810time (s)竖向索应力时程横向索应力时程02461214160.0000.0050.0100.0150.0200.0250.0300.035displacement(m)810time(s)0246121416-0.04-0.03-0.02-0.010.000.010.020.030.04rot (degree)87810time (s)混凝土筒体顶点位移时程刚性铰转动时程小结 （Summary）结构在小震作用下的变形较小，其中东北侧幕墙 最大位移为0.07m(1/824跨度) ，南侧幕墙最大 位移为0.