单向单索幕墙结构设计word

单层单向索系幕幕墙结构设计计刘玉谢得亮(一)、概述广东省东莞市某某项目玻璃幕幕墙采用单层层单向索系结结构，幕墙高高度总高约8.4m，单索索上上下两端为铰铰接支座，也也即计算水平平荷载作用时时。单索的计计算长度约为为8.4m，竖向索为为主受力索，其其重力由单索索全部承担。由由于单索计算算长度为8.4m，属较小区区间，并且此此处的平面为为弧形平面，不不利于平衡索索的布置，在在适当提高单单索安全余量量的前提下，可可不设置侧向向平衡索。单单索上的水平平荷载为沿跨跨度均布。该处点式幕墙采采用单索支承承形式，玻璃璃采用12+122A+12mmm中空钢化玻玻璃，玻璃板板块宽为1825mmm，高为2100mmm。拉索最大大侧向间距为为1825mmm，钢索锚固固于混凝土梁梁上。幕墙风风荷载标高按按10.0m考虑。基本本风压为Wo=0.600kN/mm2；场地类别别为C类；抗震设设防烈度：6度；设计基基本地震加速速值为a=0.005g；东莞地区区，年度最大大温差取80oC，本例假设设施工时环境境温度近似处处于平均值，本本拉索温度的的升高或降低低取值为+40oC或-40oC。风荷载体体型系数取-1.2。(二)、单层单单向索系幕墙墙结构承载理理论无论是单层单向向索系结构还还是单层双向向平面索网结结构，在未加加预应力之前前，索只有抗抗拉刚度，在在平面内外均均无抗弯刚度度，索只能承承受拉力，即即无法承受水水平荷载。施施加预应力之之后，考虑应应力刚化几何何非线性，结结构刚度会改改变。单层单单向索系结构构和单层双向向平面索网结结构几何非线线性表现主要要有应力刚化化与大位移小小应变两类。由于结构中面内内应力状态的的影响，中面面内应力与横横向刚度的耦耦合效应，通通称应力刚化化，在薄的、高高应力的结构构中，如缆索索或薄膜结构构中最明显。由由于应力刚化化单层索系索索网结构平面面内外抗弯刚刚度增大，但但单纯靠施加加预应力以承承受水平外荷荷载，必定会会增大索截面面，同时也会会使锚固索的的混凝土梁设设计特别大，不不经济。考虑到单层单向向索系幕墙结结构在正常使使用状态下容容许水平位移移可达到L/50（业内经验验），L为索设计跨跨度，索结构构的挠度虽达达到1/50，但其应变变仍是很小的的，满足小应应变假定。所所以经济的设设计方法是同同时考虑大位位移小应变几几何非线性效效应，即P-△二阶效应，其其原理详见图图一。上图中，当索AAMC在索中外力P的作用下，M点移到M’点，即位移δ=MM’，并产生夹夹角α，令AM’=L’，即L’=(L2+δ2)0.5，当夹夹角α很小时，(L2+δ2)0.5≈L，即L’≈L。由力的平衡原理理可知，2*T*SSinα=P式中，Sinαα=δ/L’≈δ/L即:T=P/(2**Sinα)=P/((2*δ/L)=P*L/2δδ该式表明，在外外荷载P不变的情况况下，水平位位移δ越大，索内内力T越小。可见见单层索系索索网结构平面面内外抗弯刚刚度主要是靠靠索内力（施施加预应力与与外荷载作用用下索的内力力总和）与平平面外位移的的二阶效应实实现的。故单单层索系索网网结构经济的的设计方法就就是充分利用用满足正常使使用的容许水水平位移。但但现用规范中中还没有单层层索系索网结结构容许挠度度的规定，业业内经验按L/40~~50设计（L为索设计跨跨度），均能能满足幕墙的的正常使用要要求。为确保保安全，本案案例容许挠度度取L/50。(三)、单层单单向索系幕墙墙结构人工理理论计算1、概念=1\*GB2⑴、钢绞线的强强度标准值取取破折拉力(不是屈服强强度)，JGJ1102-20003规定材料分分项系数K2=1.8，即：强度度标准值/强度设计值=1.8。故恒荷载载总安全系数数取为1.2×11.8=2..16，活荷载总总安全系数取取为1.4×11.8=2..52。=2\*GB2⑵、单索在水平平荷载标准值值作用下，其其挠度控制值值为[f]=11/50。（实际工工程中有的取取值为1/40）竖向单索水平位位移控制值为为[δ]=L/550=84000/50==168（mm）2、水平荷载计计算=1\*GB2⑴、水平荷载荷载和作用效应应组合的分项项系数,按以下规定定采用:A、承载力计计算时:重力荷荷载:1.22风荷载载:1.44地震作作用:1.33B、挠度和变变形计算时:重力荷荷载:1.00风荷载载:1.00荷载和作作用效应组合合的组合系数数,按以下规定定采用:第一个可可变荷载按1.0取用第二个可可变荷载按0.5取用由计算可知，风荷载标准值为为1.12(KN/m2)风荷载设计值为为1.568(KN/m2)水平地震作用效效应标准值为为0.16(KN/m2)水平地震作用效效应设计值为为0.2088(KN/m2)水平荷载标准组组合值WK合=1.0×11.12==1.12(KN/m2)水平荷载设计组组合值W合=1.0×11.568++0.5×00.208==1.6722(KN/m22)由上计算可知，垂垂直于玻璃面面的荷载标准准值为1.12kNN/m2，垂直于玻玻璃面的荷载载设计值为：：1.6722kN/m2。一榀单索索的受力面宽宽度为1825mmm，也即相应应的线荷载为为：荷载标准值线荷荷载：1.12xx1.8255=2.0444(kN//m)=22.044((N/mm))荷载设计值线荷荷载：1.6722x1.8225=3.0051(kNN/m)=3.0511(N/mmm)3、竖向单索材材料初步选择择=1\*GB2⑴、不锈钢钢丝丝索强度标准准值为1400NN/mm2(参见“坚朗”产品)不锈钢钢钢丝索的材材料分项系数数为K2=1.8则不锈钢钢丝索索的强度设计计值为1400NN/mm2/1.8==777.77N/mm22=2\*GB2⑵、竖向单索选选用如下：直径：26mmm；类型：1x611ws不锈钢钢绞绞线；断面面积As：：：399.884mm2钢索强度标准值值：1400NN/mm2；钢索强度设计值值：777.77N/mm22。4、竖向单索预预应力张拉=1\*GB2⑴、预应力张拉拉控制应力值值con=1\*ROMANI、概念：预应应力张拉控制制应力值，是是指张拉钢筋筋(或钢绞线)时，张拉设设备(千斤顶)所示的总张张拉力除以预预应力钢筋(或钢绞线)面积得出的的应力值，以以con值表示示。=2\*ROMANII、预应力张张拉控制应力力值按以下规规定取用：钢绞线：conn=(0.11~0.2))x钢索(绞线)强度标准值值冷拉热轧钢筋：：con=(00.2~0..55)x钢筋强度标标准值类型：不锈钢钢钢绞线=3\*ROMANIII、预应力力张拉控制应应力值con=0.117x14000=2388(N//mm2)=2\*GB2⑵、预应力损失失的相关因素素在采用张拉设备备对钢索进行行张拉后，由由于锚具、摩摩擦等原因，会会导致预应力力的损失，其其损失主要由由如下四方面面因素引起：：A、张拉端锚具具(固定端锚具具没有预应力力损失)变形引起的的预应力损失失L1锚具变形引起的的预应力损失失值可按下式式计算L1=a*E//L上式中，各代表表的含义：a表示张拉端锚锚具变形值(mm)，钢绞线锚锚具取a=2mm；E表示弹性模量量，不锈钢钢钢绞线取E=1.335x1055(N/mmm2)；L表示张拉端至至固定端直线线距离(mm)，如索桁架架跨度。B、钢绞线转角角处转向装置置摩擦引起的的预应力损失失L2其预应力损失值值可按下式计计算L2=K1*ccon式中，当钢索弯曲(弯弯折)夹角不大于60o时，取K1=7%；当钢索弯曲(弯弯折)夹角大于60o时，取K1=5%。C、在施工过程程中，由于后后一榀索桁架架的张拉，导导致固定点处处支承结构的的挠曲变位，从从而使以前各各榀索桁架钢钢索的预应力力损失L3。其预应力损失可可按下式计算算：L3=△*E//L式中，各代代表的含义：：△表示在施工过过程中，由于于后一榀索桁桁架的张拉，导导致固定点处处支承结构的的挠曲变位(mm)；E表示弹性模量量，不锈钢钢钢绞线取E=1.335x1055(N/mmm2)；L表示张拉端至至固定端直线线距离(mm)，如索桁架架跨度。D、钢绞线松弛弛引起的预应应力损失L44其预应力损失值值可按下式计计算L4=K2**con式中，钢绞线取K2==ψ*[(0..36*coon/fpttk.)-00.18]实际计算中中，常取K2=0。E、支承结构((如砼梁)在活荷载或或雪荷载作用用下产生的挠挠曲，使索桁桁架跨度缩短短，而引起的的预应力损失失L5。其预应力损失可可按下式计算算：L3=△L*EE/L上式中，各代表表的含义：△L表示支承结结构(如砼梁)在活荷载或或雪荷载作用用下产生的挠挠曲值(mm)；E表示弹性模量量，不锈钢钢钢绞线取E=1.335x1055(N/mmm2)；L表示张拉端至至固定端直线线距离(mm)，如索桁架架跨度。=3\*GB2⑶、总预应力损损失值∑L∑L=L1+LL2+L3+L4+L5对钢绞线当计算算求得的预应应力损失总值值小于80N//mm2时，应按80N//mm2取用。此计计算取损失总总值为80N//mm2=4\*GB2⑷、有效预应力力P0P0=con--∑L=238--80=1558(N//mm2)=5\*GB2⑸、由有效预应应力P0而产生的的始态索拉力力H0H0=P0*AAs=1588*399..84=633175(NN)=633.175(kN)5、竖向单索在在水平荷载组组合设计值作作用用下产生生的拉力计算算[单索计算理论论参见《悬索索结构设计》第第二版（沈世世钊等编著）=1\*GB2⑴、钢绞线索DD值D=E*As**L2/24=1.35xx105x399..84x844002/24=158699.65x11010(N.mm2)=2\*GB2⑵、竖向单索由由水平荷载标标准值引起的的竖向拉力HkHk-H00=D*qqk2/Hk2-D*qq02/H02式中，q0=0，qk=2.0444(N//mm)H0=63.1175kN由迭代法求得Hk=1141102(N))=114..102(kkN)=3\*GB2⑶、竖向单索由由水平荷载标标准值引起的的挠度fkfk=qk**L2/8Hk（水平荷载载标准组合时时）=2.0444*840002/(8*11141022)=1588.0(mm)=LL/53.22<L/500=168((mm)可见竖向索的挠挠度满足使用用要求。=4\*GB2⑷、竖向单索由由水平荷载设设计值引起的的竖向拉力HH-H0==D*q22/H2-D*qq02/H02式中，q0=0，q=3.0511(N/mmm)H0=63.1175kN由迭代法求得H=1393002(N)==139.3302(kNN)=5\*GB2⑸、竖向单索在在水平荷载设设计值组合作作用下的索拉拉力TT/H=[1++16*(ff2/L2)]0.55式中，f==q*L2/8H（水平荷载载组合设计值值时）f=3.0551*840002/(8*11393022)=1933.2(mm)=00.19322(m)T/H=[[1+16**(0.199322/8.42)]0.55=1.000422求得：T=1..004222*139..302=1139.8991(kN)此拉力相应的索索应力为’=T’/AAs=1339.8911*10000/399..84=3449.9(NN/mm2)6、温度作用下下的索应力(东莞地区计计算温差取±±40oC)T0=-E*αα*Т式中，不锈钢线线膨胀系数αα=1.6xx10-5(1/oC)T0=1.355*105*1.6**10-5*(±40)=±±86.4((N/mmm2)P0-T0=1158-866.4=711.6可见索不会会松弛，是“稳定”的。6、在重力作用用下，竖向单单索的应力值值G=0.8*11.2*1..825*88.4=144.7(kNN)g=G/Ass=14.77*10000/399..84=366.8(N//mm2)7、考虑重力、水水平荷载设计计值引起的应应力（已含有有效预应力因因素）以及温温度降低引起起的应力增长长，单索的最最大拉应力值值总=g+’+TT0==366.8+3449.9+886.4=4473.1((N/mmm2)<777..7(N/mmm2)可见，不锈锈钢钢绞线索索强度满足要要求。(四)、单层单单向索系幕墙墙结构sap20000有限元计算算计算模型及预应应力损失计算算同人工计算算，在sap20000中，索可采采用框架单元元来模拟，为为正确模拟索索受力特征，将将框架单元绕绕2、3轴转动惯性性矩修正系数数均设置为0.001。预应力的的施加采用降降温法模拟，有有效预拉应力力的等效降温温度数可按下下两式计算：：P0=E*εε=α*Т式中：P0有效预拉应应力E索材料料弹性模量ε索应变量量α索热膨胀胀系数Т等效降温温度数按上两式计算，本本项目有效预预拉应力的等等效降温度数数为73.155oC。考虑应力力刚化与大位位移小应变几几何非线性。在在水平荷载作作用下，按标标准组合计算算的水平位移移结果详图二二及水平位移移结果表，按按设计值组合合的索拉力结结果详图三。图二水平位移结果表表:TABLE:JoinntDissplaceementssJointOutputCCaseCaseTyppeStepTyppeU1U2U3R1R2R3TextTextTextTextmmmRadianssRadianssRadianss1wbNonStatticMax0000001wbNonStatticMin0000002wbNonStatticMax00.1686115-4.543EE-120002wbNonStatticMin00.1686115-4.543EE-120003wbNonStatticMax0000003wbNonStatticMin000000图三在标用移6.04载作大90也项可(五)、结论人工理论计算结结果与sap20000有限元计算算结果比较可可知，水平位位移相差-6.299%，索最大轴轴力相差7.63%，可见，人人工理论计算算结果水平位位移稍有偏小小，索最大轴轴力稍有偏大大，两方法计计算结果均能能满足安全与与正常使用要要求。另外，对对预拉应力取取0.12、0.13、0.15、0.16倍拉索强度度标准值分别别按两种算法法进行计算比比较，详见下下表。0.17Fu0.16Fu0.15Fu0.14Fu0.13Fu0.12Fu水平位移差-6.29%-6.56%-6.88%-7.11%-7.45%-7.81%最大轴力差7.63%7.87%8.10