【 第一幕墻網(wǎng) 】
【提要】本文探討了平面索網(wǎng)玻璃幕墻的可靠性設(shè)計,論述采用概率極限設(shè)計法計算大變形結(jié)構(gòu)的局限性,并建議計算單層索網(wǎng)等大變形結(jié)構(gòu)在作斷面強度控制時應(yīng)采用索的破斷拉力法。 一、引言 平面索網(wǎng)是一種典型的大變形結(jié)構(gòu),作為玻璃幕墻的支承體系使用,這是建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域在幕墻行業(yè)取得的一大進展。由預(yù)應(yīng)力平面索網(wǎng)作為支承體系的玻璃幕墻,其室內(nèi)外觀感特別通透、簡潔、美觀,備受建筑師和業(yè)主的歡迎。但是用索網(wǎng)作為玻璃幕墻的支承結(jié)構(gòu),其可靠性在行業(yè)內(nèi)外也備受爭議。目前,國內(nèi)還沒有一本能夠指導(dǎo)這種結(jié)構(gòu)設(shè)計的規(guī)程規(guī)范。有關(guān)設(shè)計單位都是按照各自的理解,盲目套用現(xiàn)行常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中的有關(guān)設(shè)計表達(dá)式進行設(shè)計計算,從而導(dǎo)致這種結(jié)構(gòu)在設(shè)計階段的可靠性就得不到保證。也有些工程,雖然非常適用于這種結(jié)構(gòu)體系,但由于設(shè)計者對其可靠性心中無數(shù)而不敢采用。 本文擬從該類結(jié)構(gòu)的特殊性著手,對其可靠性和有關(guān)設(shè)計表達(dá)式的推導(dǎo)、應(yīng)用等方面進行探討,以期對該類新結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠性的提高有所幫助。 二、平面索網(wǎng)內(nèi)力與變形的特殊性 在橫向荷載作用下,平面狀態(tài)下的索網(wǎng)是零剛度的;加載時,其撓度、索力與荷載之間的關(guān)系是非線性的;而且,索的橫向變形很大,是一種典型的大變形結(jié)構(gòu)。一般常規(guī)的梁、板、析架、網(wǎng)架等結(jié)構(gòu),橫向荷載下的撓度都很小,都屬小變形結(jié)構(gòu)。在小變形情況下,撓度、內(nèi)力與荷載之間的關(guān)系,是可以近似看成線性關(guān)系的。理解和把握上述大變形結(jié)構(gòu)的特點十分重要。因為《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB50068-2001和各類建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中的結(jié)構(gòu)都是小變形結(jié)構(gòu),有關(guān)設(shè)計表達(dá)式都是在內(nèi)力、變形與荷載之間的關(guān)系呈線性關(guān)系的前提下推導(dǎo)得出的,想借用這些規(guī)范中的設(shè)計表達(dá)式來解決大變形結(jié)構(gòu)的設(shè)計問題是錯誤的,必然導(dǎo)致這種結(jié)構(gòu)在設(shè)計階段的可靠性就得不到保證,工程實施后的隱患無窮。 三、荷載組合與效應(yīng)組合中的誤區(qū) 根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB50068-2001的規(guī)定,各類結(jié)構(gòu)的可靠度,都采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計方法分析,都首先計算各種荷載作用下的內(nèi)力反應(yīng),再作最不利組合分析:《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003也規(guī)定幕墻構(gòu)件應(yīng)按各種荷載效應(yīng)組合中的最不利組合進行設(shè)計,所謂荷載效應(yīng),就是指荷載作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力反應(yīng)。由于現(xiàn)行規(guī)范中的結(jié)構(gòu)都是小變形結(jié)構(gòu),荷載與內(nèi)力、變形之間的關(guān)系都是呈線性的,不同荷載作用下的內(nèi)力可以疊加。所以,先將荷載組合疊加后計算的內(nèi)力,與將分項荷載作用下的內(nèi)力分別計算后再疊加,其結(jié)果是相同的;對大變形結(jié)構(gòu),那就完全不同了,必須采用荷載組合的概念進行設(shè)計,就是先將可能發(fā)生的各種荷載疊加到一起,然后再計算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力反應(yīng)。如果單獨計算的各種荷載作用下的內(nèi)力反應(yīng),然后進行疊加,那就完全錯了!設(shè)計者必須清楚下述二個關(guān)系表達(dá)式: 對于小變形結(jié)構(gòu):S(q1)+S(q2)=S(q1+q2) (1) 對于大變形結(jié)構(gòu):S(q1)+S(q2)≠S(q1+q2) (2) 式中:S(q1)表示荷載q1單獨作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力反應(yīng); S(q2)表示荷載q2單獨作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力反應(yīng); S(q1+q2)表示荷載q1與q2組合疊加作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力反應(yīng)。 四、荷載系數(shù)取用中的誤區(qū) 對于上述大變形結(jié)構(gòu),應(yīng)先將荷載疊加組合后再計算其內(nèi)力反應(yīng),那么荷載組合時的各項荷載分項系數(shù)是否可以套用常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的規(guī)范給出的表達(dá)式和分項系數(shù)值呢?我們的研究表明:利用荷載設(shè)計值組合后的計算內(nèi)力反應(yīng),再套用《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003中的設(shè)計表達(dá)式和有關(guān)系數(shù)取值進行設(shè)計,仍然不能滿足大變形結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計要求。以為將風(fēng)荷載分項系數(shù)取用1.4,再將鋼索的抗拉極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值除以系數(shù)1.8后,索的承載能力可靠性就可以滿足經(jīng)驗設(shè)計要求了,即索的總安全系數(shù)K=1.4xl.8=2.52>2.5,這仍是一種理解上的誤區(qū)。由于平面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變形是非線性的,將風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值放大1.4倍后,索中的內(nèi)力反應(yīng)并沒有同步放大1.4倍,其次,為了保證平面索網(wǎng)幕墻在風(fēng)荷載作用下的正常使用,設(shè)計要求風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下的計算撓度 f 不超過計算跨度的五十分之一,即[f]≤L/50,為實現(xiàn)這一目標(biāo),索網(wǎng)施工時必須導(dǎo)入預(yù)拉力。這個預(yù)拉力的值,往往占鋼索設(shè)計拉力的60%左右,那么這個預(yù)拉力荷載分項系數(shù)γp又怎么取呢?根據(jù)預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程CECS212:2006的規(guī)定,這個系數(shù)應(yīng)由張拉系數(shù)γT和預(yù)拉力分項系數(shù)γpi的乘積確定,即:γp=γT*γpi=(1.0~1.1) *1.2=1.2~1.32,索網(wǎng)預(yù)應(yīng)力時一般都必須用測力儀監(jiān)測,可取γT=1.0。但有些設(shè)計者因為心中無數(shù),為追求安全,也將這個分項系數(shù)取成1.4,以為這樣取值后就可以保證安全了。即便這樣,也并未使設(shè)計的可靠性滿足要求。下面我們將通過具體算例和公式的理論推導(dǎo)來進行論證。 五、用荷載設(shè)計值組合計算索的內(nèi)力效應(yīng)時的總安全系數(shù)分析 目前,在幕墻行業(yè),一般都按照《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003的有關(guān)規(guī)定,采用荷載設(shè)計值組合計算索的內(nèi)力反應(yīng),然后再將鋼索的極限抗拉標(biāo)準(zhǔn)值除以1.8作為其設(shè)計值,進行承載能力控制,以為這樣處理后,就可以使索的抗拉承載能力總安全系數(shù)K大于2.5,以滿足經(jīng)驗設(shè)計的要求。其實也并沒有達(dá)到要求,下面用具體算例說明,并簡便起見,只對單根索進行分析,平面索網(wǎng)的情況復(fù)雜一些,但通過計算機軟件的分析后,得到的結(jié)論也是相同的。 計算簡圖如下: 單索跨度為L,均布風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為q,在荷載標(biāo)準(zhǔn)值下容許最大撓度為f=L/50,單索預(yù)拉力為P,彈性模量為E,單索截面積為A。 (一)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值下結(jié)構(gòu)撓度為L/50,推導(dǎo)單索拉力及預(yù)拉力 Sk,Q=p+△F1 SK,Q——預(yù)拉力及風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的單索拉力 P——單索預(yù)拉力 △F1——風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值使索伸長產(chǎn)生的拉力增加量 f——在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下單索的撓度,為L/50 從AB中間處截斷單索,對左邊一半單索進行分析: 單索在荷載作用下的變形圖為一拋物線,其經(jīng)過3個點A(-0.5L,f),B(0.5L,f),c(0,0),其拋物線方程為: y=(2/25L)*x2,拋物線AB的長度為: 根據(jù)胡克定律,在荷載作用下索力的增加為: 把式②,③帶入公式①中,預(yù)拉力表達(dá)式為: (二) 荷載設(shè)計值組合下單索的拉力計算 SQ=P'+△F2 K1——風(fēng)荷載分項系數(shù),取為1.4 K2——材料分項系數(shù),取為1.8 P'——P'=K1P=1.4P,即預(yù)拉力也保守考慮1.4的分項系數(shù) △F2——風(fēng)荷載設(shè)計值產(chǎn)生的單索拉力 Sq——預(yù)拉力設(shè)計值及風(fēng)荷載設(shè)計值產(chǎn)生的單索拉力 f'——荷載設(shè)計值產(chǎn)生的撓度,取f'=L/n 其經(jīng)過3個點A(-0.5L,f'),B(0.5L,f'),0(0,0),拋物線方程為:y=(4/nL)*x2,拋物線的長度為: 根據(jù)胡克定律,在風(fēng)荷載設(shè)計值作用下索力的增加為: 把⑥,⑦帶入式⑤,并聯(lián)系式④: 當(dāng)賦予具體的q,L,E,A,采用迭代法,帶入上式可求出n。如果取 q=3kN/m,L=10m,E=1.3x105N/mm2,A=460mm2, 采用迭代法:n=46.84,把n=46.84帶入式⑥: SQ=7nqL/40=8.20qL 比較式①和式⑨,在這個例子中,當(dāng)把預(yù)拉力和風(fēng)荷載放大1.4倍時,荷載總效應(yīng)(拉力)放大為: 那么單索總安全系數(shù)為: K=η*K2=1.312x1.8=2.36 由分析結(jié)果可知,當(dāng)采用荷載設(shè)計值組合計算單索時,其總安全系數(shù)=2.36,不滿足《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003條文說明5.2.5:"單索的安全系數(shù)取為2.5",實際上是降低了結(jié)構(gòu)的可靠度;可見,預(yù)拉力和風(fēng)荷載放大1.4倍,其拉力并不是線性增加1.4倍,在這個例子中只增加了1.312倍,實際情況是計算單索時很多結(jié)構(gòu)計算人員并未考慮預(yù)拉力的分項系數(shù)或者考慮很小,比如只考慮預(yù)拉力分項系數(shù)K1=1.2,那么單索總的安全系數(shù)更小,采用上述推導(dǎo)方法,計算結(jié)果大約在2.1左右,這樣就較大的降低了結(jié)構(gòu)的可靠度。 六、索結(jié)構(gòu)承載能力安全度控制表達(dá)式 綜上所述,索結(jié)構(gòu)是一種特殊的結(jié)構(gòu),不應(yīng)盲目套用常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的設(shè)計表達(dá)式,采用設(shè)計荷載作用下的效應(yīng)組合,而應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)荷載組合作用下的效應(yīng)。對于材料抗力,也不宜采用一般材料力學(xué)中的截面應(yīng)力概念進行設(shè)計,因為應(yīng)力必須與材料截面成正交,而鋼索中的鋼絲經(jīng)過捻制絞合后,與鋼索的軸線之間是有夾角的,這個夾角大小與產(chǎn)品廠家的制造工藝有關(guān),收集這些資料較為困難,另一方面,一般鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中提供的材料標(biāo)準(zhǔn)強度概念,在索材中應(yīng)用起來也十分困難。因為索材中的鋼絲都是冷拔加工的,而經(jīng)過冷加工后的鋼絲,其標(biāo)準(zhǔn)強度又與其冷加工工藝有關(guān),各生產(chǎn)廠家的冷加工工藝又是千差萬別的。所以,對于索材,仍是套用一般的鋼材的應(yīng)力強度表達(dá)式進行設(shè)計會帶來很多困難,因此我們認(rèn)為,對于索材用破斷力概念進行設(shè)計控制是合理的。生產(chǎn)廠家對單根鋼索的最低破斷拉力必須有出廠保證,而設(shè)計單位對此提出要求也是十分簡單而明確的,這給今后工程施工和監(jiān)理也帶來了方便,因為應(yīng)力這一概念對索材來說,可謂說起來容易,控制起來十分不方便,設(shè)計、施工、監(jiān)理部門經(jīng)常為理清一些概念而消耗精力。我們建議的索結(jié)構(gòu)安全度控制設(shè)計表達(dá)式概念清楚而簡單:SK,Q≤FK/K (SK,Q——按荷載標(biāo)準(zhǔn)值最不利組合計算得到的索力標(biāo)準(zhǔn)值;FK——拉索破斷力(由廠家提供);K——總安全系數(shù),幕墻索結(jié)構(gòu)取為2.5) 七、平面索網(wǎng)可靠性討論 平面索網(wǎng)作為玻璃幕墻的支承結(jié)構(gòu)具有十分突出的優(yōu)點,但它的大變形特性與脆性的玻璃結(jié)構(gòu)在一起也倍受人們的懷疑。應(yīng)該承認(rèn),具有大變形特性的平面索網(wǎng)與脆性的玻璃結(jié)合在一起,作為支承結(jié)構(gòu)使用,這在國內(nèi)是近年來才發(fā)展起來的一種新結(jié)構(gòu)、新形式,在國外也并不多見,還沒有形成專門的設(shè)計規(guī)范,一些懷疑和爭論是自然的,也是有益的。根據(jù)我們在推廣應(yīng)用中的體驗,要保證這種結(jié)構(gòu)的可靠性,除上述在設(shè)計計算強度控制方法、設(shè)計表達(dá)式的選用、結(jié)構(gòu)力學(xué)特點的把握等方面注意其與常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的差異外,還要注意其應(yīng)用的場合和條件。不講究場合和條件,盲目采用也會降低其可靠性,給工程實施后帶來隱患。機場候機樓、大型體育場館、展覽場館等需要大面積采光的場合最為適宜使用平面索網(wǎng)玻璃幕墻,但必須注意索網(wǎng)的大變形特性,為確保正常使用,索中必須施加預(yù)拉力,它的周邊支承結(jié)構(gòu)必須承擔(dān)索網(wǎng)中巨大的工作拉力,索網(wǎng)的可靠性是建立在周邊支承結(jié)構(gòu)的可靠性的基礎(chǔ)上的。當(dāng)前幕墻設(shè)計和主體結(jié)構(gòu)設(shè)計是在兩家不同單位完成的,幕墻公司的設(shè)計人員只管幕墻體系的設(shè)計,而不管周邊支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計,對索力的提供不作任何優(yōu)化。而主體結(jié)構(gòu)設(shè)計院對幕墻行業(yè)采用的新結(jié)構(gòu)也不熟悉,對幕墻周邊支承結(jié)構(gòu)的安全可靠性與經(jīng)濟合理也不作優(yōu)化。這就給幕墻周邊支承體系的可靠性與經(jīng)濟合理性帶來了隱患。這是平面索網(wǎng)設(shè)計中的的一大薄弱環(huán)節(jié),有待于有關(guān)行業(yè)部門引起重視。平面索網(wǎng)是一種具有大變形特點的新結(jié)構(gòu),設(shè)計可靠性的另一關(guān)鍵是變形控制設(shè)計問題。它在原理、方法、風(fēng)荷載取值等方面也應(yīng)有別于常規(guī)的小變形結(jié)構(gòu),在正常使用狀態(tài)下,對風(fēng)荷載的取值、變形標(biāo)準(zhǔn)的擬定等方面都是可靠性設(shè)計中需要解決的問題,限于時間和篇幅,本文留待以后探討。 參考文獻 (l)《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》.GB50068-2001 (2)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2001(2006年版) (3)《懸索結(jié)構(gòu)設(shè)計》.沈士釗,徐崇寶,趙臣,武岳.中國建筑工業(yè)出版社 (4)《預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》.CECS212:2006 |