討論平面索網(wǎng) 玻璃幕墻的可 靠性設(shè)計

    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(jìn)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(jìn)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(jìn)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。

    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。

    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(jìn)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(jìn)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(jìn)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)。

    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(jìn)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(jìn)行論證。

    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(jìn)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(jìn)行分析，平面索網(wǎng)的情況復(fù)雜一些，但通過計算機(jī)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(jìn)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。

    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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度表達(dá)式進(jìn)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(jìn)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)

    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(qiáng)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(jī)場候機(jī)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(jì)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(jì)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。