預(yù)應(yīng)力玻璃結(jié)構(gòu)介紹課件

1、預(yù)應(yīng)力玻璃結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力玻璃幕墻結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力玻璃采光頂結(jié)構(gòu)工程實例分析17.1 預(yù)應(yīng)力玻璃結(jié)構(gòu)2玻璃結(jié)構(gòu)的定義：由玻璃面板、支承結(jié)構(gòu)和連接件組成的建筑外圍 護結(jié)構(gòu)。建筑要求：通透性，形成寬敞、明亮的室內(nèi)空間。結(jié)構(gòu)要求：采用盡量大的玻璃分格，降低支承構(gòu)件的桿件截 面，提高連接件的安全性和耐久性。南京國際會展（2000年）3哈爾濱會展（2002年）4廣州國際會議展覽中心（2002年）5廣州新白云機場主航站樓（2003年）6北京天文館（2004年）7玻璃材料（1） 脆性材料，一直到破壞之前，應(yīng)力應(yīng)變幾乎 是線性關(guān)系；（2）常用建筑玻璃包括：退火玻璃、鋼化玻璃、夾膠 玻璃和中空玻璃等。玻璃結(jié)構(gòu)的構(gòu)成8支承體

2、系玻璃結(jié)構(gòu)的構(gòu)成910玻璃肋支承11剛架支承12桁架支承體系單層平面索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)15優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡潔、輕盈美觀、通透性好 缺點：對周邊支承構(gòu)件作用力較大連接件玻璃結(jié)構(gòu)的構(gòu)成駁接爪16蝶形爪1718四邊簡支玻璃應(yīng)力分布（厚10mm，寬1400，高1800，面荷載1.53kN/m2）最大拉應(yīng)力理論（第一強度理論）S1119四點支承玻璃最大拉應(yīng)力分布圖（ 12mm厚，寬1500mm，高2500mm，面荷載1.15KN/m2）最大拉應(yīng)力理論（第一強度理論）S1120玻璃結(jié)構(gòu)的發(fā)展80年代以前，建筑業(yè)一般采用框式玻璃幕墻，玻璃面板通過鋁合金框固定在建筑物上。國內(nèi)最早建成的 高層玻璃幕墻： 1985年，北京

3、長城飯店21玻璃結(jié)構(gòu)的發(fā)展80年代以后，點支式玻璃幕墻得到廣泛應(yīng)用。盧浮宮的金字塔（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個采

4、用索結(jié)構(gòu)點支玻璃技術(shù)的是 上海大劇院，1998年建成。26第二個大型索結(jié)構(gòu)點支玻璃幕墻是南京國際會展2000年建成（國內(nèi)獨立完成） 面積：1200m2，高度：35m左右，長度：70m252.4m27點 支 式 玻 璃 幕 墻 工 作 原 理水平受力孔承重受力孔承重受力孔承重受力托塊承重受力托塊28幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般原則29幕墻應(yīng)按圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計，不承擔主體結(jié)構(gòu)的荷 載和作用。幕墻及其連接件應(yīng)具有強度和剛度，以避免在 風荷載、地震和溫度作用下產(chǎn)生破壞或過大變形 。連接件應(yīng)具有足夠的位移能力，以避免玻璃因 應(yīng)力集中而破壞。應(yīng)考慮重力荷載、風荷載、地震作用、溫度作 用和主體結(jié)構(gòu)位移影響下的安全性。玻璃

5、結(jié)構(gòu)的選型根據(jù)跨度和功能要求選擇玻璃結(jié)構(gòu)類型，如全玻璃 結(jié)構(gòu)或玻璃-金屬組合結(jié)構(gòu)。當選擇玻璃-金屬組合 結(jié)構(gòu)時，是剛性結(jié)構(gòu)還是柔性結(jié)構(gòu)支承體系。玻璃結(jié)構(gòu)的形態(tài)分析和荷載效應(yīng)分析（1）支承結(jié)構(gòu)為剛性結(jié)構(gòu)，計算采用線性計算方法（2）柔性結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)變形較大，分析時應(yīng)考慮 幾何非線性的影響。關(guān)鍵節(jié)點設(shè)計30玻璃結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點平衡狀態(tài)不平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)不平衡狀態(tài)平衡態(tài)不平衡態(tài) 初始狀態(tài)1、零狀態(tài)(無自重、無邊界、無預(yù)應(yīng)力)2、初始態(tài)(自重和預(yù)應(yīng)力作用下的自平衡狀態(tài))d1d1d2d1+d2.mabcdef形態(tài)分析317.2 預(yù)應(yīng)力玻璃采光頂結(jié)構(gòu)32與玻璃幕墻結(jié)構(gòu)類似，玻璃采光頂結(jié)構(gòu)也是由 玻璃面板、連

6、接爪件和支承結(jié)構(gòu)三部分組成就玻璃面板和連接爪件而言，兩者在很多技術(shù) 上是相通的；但是在支承結(jié)構(gòu)方面，兩者各有 其自身特點。采光頂?shù)闹С薪Y(jié)構(gòu)除了要滿足通透性這一基本 要求外，其結(jié)構(gòu)體系與一般屋蓋結(jié)構(gòu)類似。采光頂?shù)闹С畜w系可以采用一般剛性結(jié)構(gòu)，也 可以采用柔性的懸索結(jié)構(gòu)，還可以采用兼具“剛”、“柔”特點的混合張力結(jié)構(gòu)。國外的典型工程大阪海洋博物館333435363738漢堡博物館庭院上的頂棚39漢堡博物館庭院上的頂棚40國內(nèi)采光頂工程：北京植物園41深圳市民中心采光頂42馬 鞍 形 采 光 頂43浙江萬里學(xué)院采光頂44武漢精倫采光頂457.3 工程實例分析46新保利大廈高106m，共23層，建筑平

7、面呈等邊直 角三角形，直角邊長76m。大廈主體結(jié)構(gòu)由位于三角形角部的3個鋼筋混凝土 核心筒和連接兩個直角邊的鋼砼組合框架結(jié)構(gòu) 組成。在大廈的東北立面上設(shè)置了大面積點支式玻璃幕 墻圍護結(jié)構(gòu)。幕墻在立面上呈倒L形，輪廓尺寸 57.687.7m，單體面積約4000m2，是目前國內(nèi) 建造的同類幕墻結(jié)構(gòu)中跨度最大的一座。4748計算模型及相關(guān)參數(shù)的確定Calculation Model and Parameters結(jié)構(gòu)自振特性分析Frequency Analysis結(jié)構(gòu)風振反應(yīng)分析Wind-Induced Response Analysis結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析Earthquake Response Anal

8、ysis49主要內(nèi)容（Table of Contents）1. 計算模型及相關(guān)參數(shù)的確定1.Calculation Model and Parameters50東北側(cè)幕墻 （North-East Cable Net Wall）橫向索：34不銹鋼鋼絞線初始預(yù)張力220kN豎 向 索 ： 26不銹鋼鋼絞線 初始預(yù)張力80kN主鋼索：206低松弛高強鋼絲 束 1650t(L),1100t(R)51南側(cè)幕墻 （South Cable Net Wall）橫 向 索 ： 26不銹鋼鋼絞線 初始預(yù)張力160kN豎 向 索 ： 20不銹鋼鋼絞線 初始預(yù)張力60kN玻璃分格尺寸：1.51.333m幕墻自重：60

9、kg/m252參照標準 （References ）GB 50009-2001 建筑結(jié)構(gòu)荷載標準GB 50011-2001 建筑抗震設(shè)計規(guī)范JGJ 102-96 玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范CECS 127-2001 點支式玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)程顧志福，新保利大廈塔樓風荷載研究，2003,8施工圖文件，美國SOM建筑設(shè)計公司，2003,12532.結(jié)構(gòu)自振特性分析54123450.830.921.021.201.366789101.461.511.611.651.692. Frequency Analysis東北側(cè)幕墻 （North-East Cable Net Wall）結(jié)構(gòu)前10階自振頻率（Hz)第一

10、階振型（f=0.83Hz）55第二階振型 (f=0.92Hz)56第三階振型 (f=1.02Hz)57123450.981.111.291.521.766789101.871.942.022.062.2158南側(cè)幕墻 （South Cable Net Wall）結(jié)構(gòu)前10階自振頻率（Hz)第二階振型 （f=1.11Hz）60第三階振型 （f=1.29Hz）61小結(jié) （Summary）東北幕墻上不同部位的索網(wǎng)剛度差異較大。其中 上部幕墻由于受到兩條主鋼索的約束作用上，剛 度較好；而右下側(cè)幕墻，由于其跨度較大，因此 剛度相對偏柔。南側(cè)幕墻在質(zhì)量和剛度上分配都比較均勻，因此 其振動形態(tài)類似一塊薄板；

11、橫向水平拉索對結(jié)構(gòu) 動力剛度的貢獻較大。結(jié)構(gòu)的前幾階振型均在1Hz附近，而這恰好是風 荷載能量較集中的頻率區(qū)間。因此可以判定該幕 墻屬風敏感結(jié)構(gòu)，需做進一步的風振分析。623.結(jié)構(gòu)風振反應(yīng)分析633. Wind-Induced Response Analysis計算方案 （Calculate Scheme）東北側(cè)幕墻在風吸力作用下的動力時程分析；東北側(cè)幕墻在風壓力作用下的動力時程分析；南側(cè)幕墻在風吸力作用下的動力時程分析；提出結(jié)構(gòu)設(shè)計所需的風振系數(shù)。計算參數(shù) （Calculate Parameters）基本風壓：W0=0.50kN/m2 基本風速：V028m/s地面粗糙度：C類 體型系數(shù): 1

12、.0脈動風速譜：Davenport譜 時間步長：0.02s計算時長：60s64計算方法 （Calculate Method）采用自行開發(fā)的點式玻璃幕墻索支承結(jié)構(gòu)專用 設(shè)計軟件 GCCS V2.0采用大型有限元分析軟件ANSYS 進行校核以上方法已成功應(yīng)用于廣州新白云機場航站樓 大跨度幕墻索支承體系的風振性能分析中6566東北側(cè)幕墻+負風壓（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)結(jié)構(gòu)最大位移點位移時程 和功率譜曲線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)主鋼索位移時程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)右側(cè)索網(wǎng)節(jié)點位移時程和功率譜曲線0204060114001160011800120001220012400Force (kN)Time (s)0204060170175180185190195200205210Force (kN)Time (s)0.010.11010-710-510-310-1101P.S.D1Frequency (Hz)橫向索內(nèi)力時程和功率譜曲線0204060175180185190195200205210215Force (kN)68Time (s)豎向索內(nèi)力時程主鋼索內(nèi)力時程小結(jié) （Summary）結(jié)構(gòu)各點的振動幅值

15、差異較大，其最大振幅可達到 0.8m左右，基本滿足結(jié)構(gòu)跨度1/50的要求。在1Hz左右的頻率區(qū)間結(jié)構(gòu)振動出現(xiàn)峰值，說明在此 頻率附近出現(xiàn)共振現(xiàn)象。在風吸力的作用下主鋼索內(nèi)力增加，橫向拉索出現(xiàn)不 同程度的松弛，說明風吸力對索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的整體剛度是 不利的。索的內(nèi)力變化相對于初始預(yù)張力而言很小，說明對于 像索這樣的強幾何非線性結(jié)構(gòu)，其在風荷載作用下的 位移響應(yīng)問題是主要的，通常索自身的強度問題不起 控制作用。6970南側(cè)幕墻+負風壓（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)結(jié)構(gòu)最大位移點位移時程 和功率譜曲線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)橫向索內(nèi)力

17、時程和功率譜曲線豎向索內(nèi)力時程和功率譜曲線小結(jié) （Summary）結(jié)構(gòu)各點的位移變化規(guī)律性較好，平均位移約為 0.2m左右，最大位移約為0.4m左右，均滿足結(jié)構(gòu) 跨度1/50的要求。在4Hz左右的頻率區(qū)間結(jié)構(gòu)振動出現(xiàn)峰值，說明 在此頻率附近出現(xiàn)共振現(xiàn)象；不過共振現(xiàn)象并不 明顯，不會對結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響。豎向索由于受到結(jié)構(gòu)自重的影響，其內(nèi)力變化幅 值較小；橫向索相對大一些，說明橫向索對水平 風荷載的抵抗作用更強一些。72建議風振系數(shù) （Gust Factor）由于索結(jié)構(gòu)的響應(yīng)與荷載呈非線性關(guān)系，所 以對于索結(jié)構(gòu)而言，定義荷載風振系數(shù)在理論上 是不正確的，而應(yīng)該確定結(jié)構(gòu)響應(yīng)風振系數(shù)。widiU 1

18、Uwiwi73siS 1 Swi位移風振系數(shù)內(nèi)力風振系數(shù)建議風振系數(shù) （Gust Factor）東北側(cè)幕墻位移風振系數(shù)：1.5內(nèi)力風振系數(shù)：主鋼索1.1；其余索1.3南側(cè)幕墻位移風振系數(shù)：2.0 內(nèi)力風振系數(shù)：1.3744.結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析4. Earthquake Response Analysis75結(jié)構(gòu)整體自振特性分析 （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 第一階振型 （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第二階振型 （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 第三階振型 （f=2.42 Hz）地震波 （Earthquake Waves）2條人工波：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條人工波：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）計算方案 （Calculate Scheme）彈性地震分析3個地震波輸入方向：正西、正北、西南3條地震波：SYNS、 COURT、 Angeles彈塑性地震分析2條地震波： SYNL、 Creek824.1 彈性地震時程分析834.1

22、 Analysis of Elastic Seismic Time-history Response地震波輸入方向確定采用小震人工波syns波，分別從正西、正北、 西南三個方向輸入，以確定最不利的地震波輸入 方向。 （以東北側(cè)幕墻位移響應(yīng)為準）輸入方向正西正北西南結(jié)構(gòu)最大位移44mm60mm70mm地震波輸入方向確定分別采用小震人工波syns波、 COURT H波和 Los Angeles波計算結(jié)構(gòu)響應(yīng)，以確定最不利的地 震波。84地震波COURTAngelesSYNS結(jié)構(gòu)最大位移26mm26mm70mm通過以上分析確定，當采用syns波從垂直東北 側(cè)幕墻方向輸入時，結(jié)構(gòu)響應(yīng)最不利。東北側(cè)幕墻

23、 （North-East Cable Net Wall）2468101214160.0000.010.020.030.040.050.060.070.08displacement (m)time (s)最大節(jié)點位移時程2461214164050406407408409410411412413stress(Mpa)85810time(s)主鋼索應(yīng)力時程0246121416280282284286288290292294stress (Mpa)810time (s)0246121416391392393394395396stress (Mpa)86810time (s)豎向索應(yīng)力時程橫向索應(yīng)力時程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)混凝土筒體頂點位移時程剛性鉸轉(zhuǎn)動時程小結(jié) （Summary）結(jié)構(gòu)在小震作用下的變形較小，其中東北側(cè)幕墻 最大位移為0.07m(1/824跨度) ，南側(cè)幕墻最大 位移為0.