單向單索幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計word

單層單向索系幕幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計計劉玉謝得亮(一)、概述廣東省東莞市某某項目玻璃幕幕墻采用單層層單向索系結(jié)結(jié)構(gòu)，幕墻高高度總高約8.4m，單索索上上下兩端為鉸鉸接支座，也也即計算水平平荷載作用時時。單索的計計算長度約為為8.4m，豎向索為為主受力索，其其重力由單索索全部承擔。由由于單索計算算長度為8.4m，屬較小區(qū)區(qū)間，并且此此處的平面為為弧形平面，不不利于平衡索索的布置，在在適當提高單單索安全余量量的前提下，可可不設(shè)置側(cè)向向平衡索。單單索上的水平平荷載為沿跨跨度均布。該處點式幕墻采采用單索支承承形式，玻璃璃采用12+122A+12mmm中空鋼化玻玻璃，玻璃板板塊寬為1825mmm，高為2100mmm。拉索最大大側(cè)向間距為為1825mmm，鋼索錨固固于混凝土梁梁上。幕墻風風荷載標高按按10.0m考慮?；颈撅L壓為Wo=0.600kN/mm2；場地類別別為C類；抗震設(shè)設(shè)防烈度：6度；設(shè)計基基本地震加速速值為a=0.005g；東莞地區(qū)區(qū)，年度最大大溫差取80oC，本例假設(shè)設(shè)施工時環(huán)境境溫度近似處處于平均值，本本拉索溫度的的升高或降低低取值為+40oC或-40oC。風荷載體體型系數(shù)取-1.2。(二)、單層單單向索系幕墻墻結(jié)構(gòu)承載理理論無論是單層單向向索系結(jié)構(gòu)還還是單層雙向向平面索網(wǎng)結(jié)結(jié)構(gòu)，在未加加預(yù)應(yīng)力之前前，索只有抗抗拉剛度，在在平面內(nèi)外均均無抗彎剛度度，索只能承承受拉力，即即無法承受水水平荷載。施施加預(yù)應(yīng)力之之后，考慮應(yīng)應(yīng)力剛化幾何何非線性，結(jié)結(jié)構(gòu)剛度會改改變。單層單單向索系結(jié)構(gòu)構(gòu)和單層雙向向平面索網(wǎng)結(jié)結(jié)構(gòu)幾何非線線性表現(xiàn)主要要有應(yīng)力剛化化與大位移小小應(yīng)變兩類。由于結(jié)構(gòu)中面內(nèi)內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)的的影響，中面面內(nèi)應(yīng)力與橫橫向剛度的耦耦合效應(yīng)，通通稱應(yīng)力剛化化，在薄的、高高應(yīng)力的結(jié)構(gòu)構(gòu)中，如纜索索或薄膜結(jié)構(gòu)構(gòu)中最明顯。由由于應(yīng)力剛化化單層索系索索網(wǎng)結(jié)構(gòu)平面面內(nèi)外抗彎剛剛度增大，但但單純靠施加加預(yù)應(yīng)力以承承受水平外荷荷載，必定會會增大索截面面，同時也會會使錨固索的的混凝土梁設(shè)設(shè)計特別大，不不經(jīng)濟?？紤]到單層單向向索系幕墻結(jié)結(jié)構(gòu)在正常使使用狀態(tài)下容容許水平位移移可達到L/50（業(yè)內(nèi)經(jīng)驗驗），L為索設(shè)計跨跨度，索結(jié)構(gòu)構(gòu)的撓度雖達達到1/50，但其應(yīng)變變?nèi)允呛苄〉牡模瑵M足小應(yīng)應(yīng)變假定。所所以經(jīng)濟的設(shè)設(shè)計方法是同同時考慮大位位移小應(yīng)變幾幾何非線性效效應(yīng)，即P-△二階效應(yīng)，其其原理詳見圖圖一。上圖中，當索AAMC在索中外力P的作用下，M點移到M’點，即位移δ=MM’，并產(chǎn)生夾夾角α，令A(yù)M’=L’，即L’=(L2+δ2)0.5，當夾夾角α很小時，(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該式表明，在外外荷載P不變的情況況下，水平位位移δ越大，索內(nèi)內(nèi)力T越小?？梢娨妴螌铀飨邓魉骶W(wǎng)結(jié)構(gòu)平面面內(nèi)外抗彎剛剛度主要是靠靠索內(nèi)力（施施加預(yù)應(yīng)力與與外荷載作用用下索的內(nèi)力力總和）與平平面外位移的的二階效應(yīng)實實現(xiàn)的。故單單層索系索網(wǎng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)經(jīng)濟的的設(shè)計方法就就是充分利用用滿足正常使使用的容許水水平位移。但但現(xiàn)用規(guī)范中中還沒有單層層索系索網(wǎng)結(jié)結(jié)構(gòu)容許撓度度的規(guī)定，業(yè)業(yè)內(nèi)經(jīng)驗按L/40~~50設(shè)計（L為索設(shè)計跨跨度），均能能滿足幕墻的的正常使用要要求。為確保保安全，本案案例容許撓度度取L/50。(三)、單層單單向索系幕墻墻結(jié)構(gòu)人工理理論計算1、概念=1\*GB2⑴、鋼絞線的強強度標準值取取破折拉力(不是屈服強強度)，JGJ1102-20003規(guī)定材料分分項系數(shù)K2=1.8，即：強度度標準值/強度設(shè)計值=1.8。故恒荷載載總安全系數(shù)數(shù)取為1.2×11.8=2..16，活荷載總總安全系數(shù)取取為1.4×11.8=2..52。=2\*GB2⑵、單索在水平平荷載標準值值作用下，其其撓度控制值值為[f]=11/50。（實際工工程中有的取取值為1/40）豎向單索水平位位移控制值為為[δ]=L/550=84000/50==168（mm）2、水平荷載計計算=1\*GB2⑴、水平荷載荷載和作用效應(yīng)應(yīng)組合的分項項系數(shù),按以下規(guī)定定采用:A、承載力計計算時:重力荷荷載:1.22風荷載載:1.44地震作作用:1.33B、撓度和變變形計算時:重力荷荷載:1.00風荷載載:1.00荷載和作作用效應(yīng)組合合的組合系數(shù)數(shù),按以下規(guī)定定采用:第一個可可變荷載按1.0取用第二個可可變荷載按0.5取用由計算可知，風荷載標準值為為1.12(KN/m2)風荷載設(shè)計值為為1.568(KN/m2)水平地震作用效效應(yīng)標準值為為0.16(KN/m2)水平地震作用效效應(yīng)設(shè)計值為為0.2088(KN/m2)水平荷載標準組組合值WK合=1.0×11.12==1.12(KN/m2)水平荷載設(shè)計組組合值W合=1.0×11.568++0.5×00.208==1.6722(KN/m22)由上計算可知，垂垂直于玻璃面面的荷載標準準值為1.12kNN/m2，垂直于玻玻璃面的荷載載設(shè)計值為：：1.6722kN/m2。一榀單索索的受力面寬寬度為1825mmm，也即相應(yīng)應(yīng)的線荷載為為：荷載標準值線荷荷載：1.12xx1.8255=2.0444(kN//m)=22.044((N/mm))荷載設(shè)計值線荷荷載：1.6722x1.8225=3.0051(kNN/m)=3.0511(N/mmm)3、豎向單索材材料初步選擇擇=1\*GB2⑴、不銹鋼鋼絲絲索強度標準準值為1400NN/mm2(參見“堅朗”產(chǎn)品)不銹鋼鋼鋼絲索的材材料分項系數(shù)數(shù)為K2=1.8則不銹鋼鋼絲索索的強度設(shè)計計值為1400NN/mm2/1.8==777.77N/mm22=2\*GB2⑵、豎向單索選選用如下：直徑：26mmm；類型：1x611ws不銹鋼鋼絞絞線；斷面面積As：：：399.884mm2鋼索強度標準值值：1400NN/mm2；鋼索強度設(shè)計值值：777.77N/mm22。4、豎向單索預(yù)預(yù)應(yīng)力張拉=1\*GB2⑴、預(yù)應(yīng)力張拉拉控制應(yīng)力值值con=1\*ROMANI、概念：預(yù)應(yīng)應(yīng)力張拉控制制應(yīng)力值，是是指張拉鋼筋筋(或鋼絞線)時，張拉設(shè)設(shè)備(千斤頂)所示的總張張拉力除以預(yù)預(yù)應(yīng)力鋼筋(或鋼絞線)面積得出的的應(yīng)力值，以以con值表示示。=2\*ROMANII、預(yù)應(yīng)力張張拉控制應(yīng)力力值按以下規(guī)規(guī)定取用：鋼絞線：conn=(0.11~0.2))x鋼索(絞線)強度標準值值冷拉熱軋鋼筋：：con=(00.2~0..55)x鋼筋強度標標準值類型：不銹鋼鋼鋼絞線=3\*ROMANIII、預(yù)應(yīng)力力張拉控制應(yīng)應(yīng)力值con=0.117x14000=2388(N//mm2)=2\*GB2⑵、預(yù)應(yīng)力損失失的相關(guān)因素素在采用張拉設(shè)備備對鋼索進行行張拉后，由由于錨具、摩摩擦等原因，會會導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力力的損失，其其損失主要由由如下四方面面因素引起：：A、張拉端錨具具(固定端錨具具沒有預(yù)應(yīng)力力損失)變形引起的的預(yù)應(yīng)力損失失L1錨具變形引起的的預(yù)應(yīng)力損失失值可按下式式計算L1=a*E//L上式中，各代表表的含義：a表示張拉端錨錨具變形值(mm)，鋼絞線錨錨具取a=2mm；E表示彈性模量量，不銹鋼鋼鋼絞線取E=1.335x1055(N/mmm2)；L表示張拉端至至固定端直線線距離(mm)，如索桁架架跨度。B、鋼絞線轉(zhuǎn)角角處轉(zhuǎn)向裝置置摩擦引起的的預(yù)應(yīng)力損失失L2其預(yù)應(yīng)力損失值值可按下式計計算L2=K1*ccon式中，當鋼索彎曲(彎彎折)夾角不大于60o時，取K1=7%；當鋼索彎曲(彎彎折)夾角大于60o時，取K1=5%。C、在施工過程程中，由于后后一榀索桁架架的張拉，導(dǎo)導(dǎo)致固定點處處支承結(jié)構(gòu)的的撓曲變位，從從而使以前各各榀索桁架鋼鋼索的預(yù)應(yīng)力力損失L3。其預(yù)應(yīng)力損失可可按下式計算算：L3=△*E//L式中，各代代表的含義：：△表示在施工過過程中，由于于后一榀索桁桁架的張拉，導(dǎo)導(dǎo)致固定點處處支承結(jié)構(gòu)的的撓曲變位(mm)；E表示彈性模量量，不銹鋼鋼鋼絞線取E=1.335x1055(N/mmm2)；L表示張拉端至至固定端直線線距離(mm)，如索桁架架跨度。D、鋼絞線松弛弛引起的預(yù)應(yīng)應(yīng)力損失L44其預(yù)應(yīng)力損失值值可按下式計計算L4=K2**con式中，鋼絞線取K2==ψ*[(0..36*coon/fpttk.)-00.18]實際計算中中，常取K2=0。E、支承結(jié)構(gòu)((如砼梁)在活荷載或或雪荷載作用用下產(chǎn)生的撓撓曲，使索桁桁架跨度縮短短，而引起的的預(yù)應(yīng)力損失失L5。其預(yù)應(yīng)力損失可可按下式計算算：L3=△L*EE/L上式中，各代表表的含義：△L表示支承結(jié)結(jié)構(gòu)(如砼梁)在活荷載或或雪荷載作用用下產(chǎn)生的撓撓曲值(mm)；E表示彈性模量量，不銹鋼鋼鋼絞線取E=1.335x1055(N/mmm2)；L表示張拉端至至固定端直線線距離(mm)，如索桁架架跨度。=3\*GB2⑶、總預(yù)應(yīng)力損損失值∑L∑L=L1+LL2+L3+L4+L5對鋼絞線當計算算求得的預(yù)應(yīng)應(yīng)力損失總值值小于80N//mm2時，應(yīng)按80N//mm2取用。此計計算取損失總總值為80N//mm2=4\*GB2⑷、有效預(yù)應(yīng)力力P0P0=con--∑L=238--80=1558(N//mm2)=5\*GB2⑸、由有效預(yù)應(yīng)應(yīng)力P0而產(chǎn)生的的始態(tài)索拉力力H0H0=P0*AAs=1588*399..84=633175(NN)=633.175(kN)5、豎向單索在在水平荷載組組合設(shè)計值作作用用下產(chǎn)生生的拉力計算算[單索計算理論論參見《懸索索結(jié)構(gòu)設(shè)計》第第二版（沈世世釗等編著）=1\*GB2⑴、鋼絞線索DD值D=E*As**L2/24=1.35xx105x399..84x844002/24=158699.65x11010(N.mm2)=2\*GB2⑵、豎向單索由由水平荷載標標準值引起的的豎向拉力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、豎向單索由由水平荷載標標準值引起的的撓度fkfk=qk**L2/8Hk（水平荷載載標準組合時時）=2.0444*840002/(8*11141022)=1588.0(mm)=LL/53.22<L/500=168((mm)可見豎向索的撓撓度滿足使用用要求。=4\*GB2⑷、豎向單索由由水平荷載設(shè)設(shè)計值引起的的豎向拉力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、豎向單索在在水平荷載設(shè)設(shè)計值組合作作用下的索拉拉力TT/H=[1++16*(ff2/L2)]0.55式中，f==q*L2/8H（水平荷載載組合設(shè)計值值時）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)此拉力相應(yīng)的索索應(yīng)力為’=T’/AAs=1339.8911*10000/399..84=3449.9(NN/mm2)6、溫度作用下下的索應(yīng)力(東莞地區(qū)計計算溫差取±±40oC)T0=-E*αα*Т式中，不銹鋼線線膨脹系數(shù)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可見索不會會松弛，是“穩(wěn)定”的。6、在重力作用用下，豎向單單索的應(yīng)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、考慮重力、水水平荷載設(shè)計計值引起的應(yīng)應(yīng)力（已含有有效預(yù)應(yīng)力因因素）以及溫溫度降低引起起的應(yīng)力增長長，單索的最最大拉應(yīng)力值值總=g+’+TT0==366.8+3449.9+886.4=4473.1((N/mmm2)<777..7(N/mmm2)可見，不銹銹鋼鋼絞線索索強度滿足要要求。(四)、單層單單向索系幕墻墻結(jié)構(gòu)sap20000有限元計算算計算模型及預(yù)應(yīng)應(yīng)力損失計算算同人工計算算，在sap20000中，索可采采用框架單元元來模擬，為為正確模擬索索受力特征，將將框架單元繞繞2、3軸轉(zhuǎn)動慣性性矩修正系數(shù)數(shù)均設(shè)置為0.001。預(yù)應(yīng)力的的施加采用降降溫法模擬，有有效預(yù)拉應(yīng)力力的等效降溫溫度數(shù)可按下下兩式計算：：P0=E*εε=α*Т式中：P0有效預(yù)拉應(yīng)應(yīng)力E索材料料彈性模量ε索應(yīng)變量量α索熱膨脹脹系數(shù)Т等效降溫溫度數(shù)按上兩式計算，本本項目有效預(yù)預(yù)拉應(yīng)力的等等效降溫度數(shù)數(shù)為73.155oC?？紤]應(yīng)力力剛化與大位位移小應(yīng)變幾幾何非線性。在在水平荷載作作用下，按標標準組合計算算的水平位移移結(jié)果詳圖二二及水平位移移結(jié)果表，按按設(shè)計值組合合的索拉力結(jié)結(jié)果詳圖三。圖二水平位移結(jié)果表表:TABLE:JoinntDissplaceementssJointOutputCCaseCaseTyppeStepTyppeU1U2U3R1R2R3TextTextTextTextmmmRadianssRadianssRadianss1wbNonStatticMax0000001wbNonStatticMin0000002wbNonStatticMax00.1686115-4.543EE-120002wbNonStatticMin00.1686115-4.543EE-120003wbNonStatticMax0000003wbNonStatticMin000000圖三在標用移6.04載作大90也項可(五)、結(jié)論人工理論計算結(jié)結(jié)果與sap20000有限元計算算結(jié)果比較可可知，水平位位移相差-6.299%，索最大軸軸力相差7.63%，可見，人人工理論計算算結(jié)果水平位位移稍有偏小小，索最大軸軸力稍有偏大大，兩方法計計算結(jié)果均能能滿足安全與與正常使用要要求。另外，對對預(yù)拉應(yīng)力取取0.12、0.13、0.15、0.16倍拉索強度度標準值分別別按兩種算法法進行計算比比較，詳見下下表。0.17Fu0.16Fu0.15Fu0.14Fu0.13Fu0.12Fu水平位移差-6.29%-6.56%-6.88%-7.11%-7.45%-7.81%最大軸力差7.63%7.87%8.10