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1 概 述

北京新保利大厦二期工程的正立面采用含主次索的复杂单层索网预应力玻璃幕墙体系,高90m,宽70m,面积之大堪称世界第一,效果图见文献[1]的图9。结合晶艺公司设计的此工程索网幕墙结构方案,在清华大学结构工程实验室内根据实际工程设计了1∶10的试验模型,并进行了8·6m×5·5m单层索网点支式玻璃幕墙的模型试验。单层索网玻璃幕墙被两根斜主索分成3部分:水平索主要承受风载,竖向索主要承受墙面自重,索网的两端固定在刚架边框上。本文结合此试验模型,介绍有限元程序的设计计算过程以及预应力的控制技术,为实际工程施工提供参考和依据。

2 模型的设计与分析

2·1 计算软件及有限元模型的选取

本项目在进行有限元设计分析时,采用目前在国际上得到广泛应用的大型有限元分析计算软件ANSYS,计算采用弹性-大变形有限元分析模块模型中幕墙拉索采用link10单元,该单元为三维只拉单元,用于描述拉索不能承受压力的特性,连杆采用link8单元,既可受拉也可受压。张拉过程中索的变形与拉力影响很大,因此在分析过程中考虑索的几何非线性。在模型承载过程中,索网的节点看作是铰接的;在模型张拉过程中,横索和竖索的节点认为在水平x方向和竖直z方向可以相对滑动,因此在ANSYS中把横索和竖索在y方向耦合起来,并通过对索施加初始预应变来模拟其预拉力。

2·2 基本参数取值及荷载计算

参考北京新保利大厦的实际工程,利用有限元软件反复设计和计算,保证索在施加预应力后在各种荷载组合作用下不发生过大变形或索拉力,结合实验室的条件,确定试验模型的材料参数取值见表1。试验模型的索网结构布置如图1,试验中对横索和竖索在每一步张拉时进行监测。

与试验模型采用的材料参数相对应的荷载结构自重为:墙面玻璃(采用6mm钢化玻璃)0·15kN/m2连接件0·11kN/m2,支承结构0·02kN/m2,合计墙面0·28kN/m2。风载:北京基本风压为wo50=45kN/m2(50年一遇)。《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)规定需计算围护结构的局部体形系数:正压区(迎风墙面+0·8,负压区(背风墙面)-1·0;封闭建筑内表面风压体形系数:正压区-0·2,负压区+0·2。C类地面粗糙度 0m高处阵风系数βgz=2·10,μz=0·74。地震:北京抗震设防烈度8度(第一组),设计基本地震加速度0·2g,水平地震作用地震影响系数αmax=0·16。索预拉力的原则是保证在各种荷载组合作用下不发生过大变形或过大索拉力,经有限元计算并考虑到试验条件,试验模型的主次索预应力取值如表1。

2·3 承载力及变形计算

幕墙结构承载力及变形计算结果如表2所示。对于柔性结构,有关幕墙变形控制指标规范未规定。由于本工程单层索网结构的特殊性,不应采用现行规范衡量此工程平面内的变形性能(《玻璃幕墙技术规程》(CECS127∶2001)规定支承结构的相对挠度不应大于1/300)。从点支式玻璃面对变形的适应能力来考虑,在最不利荷载组合下,幕墙结构的变形可控制在1/50。表2中索网幕墙的变形满足这一要求。

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