用有限元分析点支式玻璃幕墙刚柔支撑体系的方法

发表于2006-07-14    1372人浏览    1人跟帖    总热度:10  

在当今的幕墙设计领域,点驳接式的全玻璃幕墙体系,不断涌现,建筑师充分的发挥了创造性,各种幕墙连接形式千变万化,但万变不离其宗,其支撑结构体系大致分为如下三种:刚性支撑体系,纯柔性支撑体系,刚柔结合式幕墙支撑体系。
现将它们的特点简单分述如下:
刚性支撑体系: 该种支撑体系成本较低,施工起来有较好的操作性,可尽最大可能制成设计师所要求建筑效果,但相对来说其通透性最为不好,由于刚性杆件具有一定的几何尺寸,阻碍了人们的视线,令人不能透视。总结:形式多变,物美价廉。
纯柔性支撑体系 该种支撑体系成本是最高的,其安装工艺较为复杂,但换来的是良好的通透性,若配以良好的灯光效果,可以说金碧辉煌,晶莹剔透,其最为杰出的代表比如:上海大剧院。相对于刚性支撑体系来讲,其受力方式更为合理,其所有的连接点均为弹性连接,即使承受外荷载作用,其支撑体系也会同时响应,均匀分配。但其特有的柔性也导致了幕墙的形式相对单一,其对周边的要求相对苛刻,例如周围结构得足够坚固,这样才能提供柔性体系预紧,及承受外力时所需的外力支持。
刚柔结合式幕墙支撑体系 有些时候建筑师所给的边界条件是相当严格的,比如,新广州白云国际机场,其航站楼的屋顶部分因其属于大副度外檐悬挑结构,只能承受水平荷载,而不能承受垂直荷载,又因其为候机大厅的功用,要求其通透性良好,又要具有鲜明的现代感,因此刚柔结合的自平衡体系,便是优选,由于它特殊的结构形式,因此它具备纯刚性和纯柔性的支撑体系的共同优点。
以上的分析,我并不认为那一种支撑体系会优于其他两种体系,只是在不同的地点,不同的周边环境,不同的受力情况下,不同的建筑整体效果,总会有一种最为适合的支撑体系出现,那就是最优秀的设计。
由此,三种最为基本的幕墙支撑体系产生了,结构形式确定了,那么如何能在理论上以定量的形式,以数值的方式直观的衡量他们的安全度呢?
下面我们举例,以数值的方式详细的加以说明。
三种基本幕墙支撑体系,其中又以纯刚性支撑体系最为简单,其就是在构造设计上考虑结构的合理性,在用有限元方法加以分析,进一步优化设计,求解,即可宣告完成,在这里我们不展开说明。
这里我们详细说明点驳接式的全玻璃幕墙,刚柔结合式幕墙支撑体系的过程分析。
该处点式幕墙自平衡系统位于北京市中心,C类地区,抗震烈度为8度,建筑标高为30米,试求该自平衡系统中心钢柱直径,即对称拉索的型号,要求经济美观。如下图
由以上所给条件可以确认如下参数:
北京地区基本风压:0.45KN/m2
幕墙计算高度:30m;幕墙自重取500N/m2;垂直幕墙体形系数1.5(按《建筑结构荷载规范》
GB50009-2001,应根据不同位置取值,该处仅为说明问题所设);风荷载取50年一遇。
可以求得风压高度变化系数为:0.9989;振风系数为:1.8300;
外荷载组合设计值为:1.9146KN/m2; 外荷载组合标准值为:1.3778KN/m2
该自平衡系统,我们运用法国结构分析软件ROBOT Millennium V16分析(用于结构分析的有限元软件工具,我建议选用注册的正版软件,这样可以保证计算结构的正确性,及可信性,本程序已通过ISO9001质量认证)
由于杆件GH;HI,为纯横向稳定杆件,所以对自平衡索单元分析时,我们可不考虑它对平衡索架结构平面内的影响。
取出标准自平衡索单元:A,B,C,D,用CAD2000构建线性数学计算模型,载入ROBOT初始分析界面。并赋予杆件属性,除两侧对称弧形拉索为柔性Cable外,其他均为刚性杆件,分别赋为(竖向)圆钢管Ø76x6,(横向)圆刚杆Ø30;柔性Cable赋为钢铰线Ø12
设置约束,本系统要求顶部不能承受垂直荷载,只能承受水平荷载,因此本系统不能设计为幕墙通常采用的上悬式结构,设计中必须将顶部设计为可以上下滑动的铰接节点,这时的幕墙自身总量便由(竖向)圆钢管Ø76x6的张力承受,并传至自平衡索单元的底部,这样其底部支座就要设计成为,只能允许转动的纯铰接节点。约束施加完成。
施加外荷载:由于本系统为点式连接结构,所以其外荷载为点荷载其值为:
F设计值=1.9146x2x0.9=3.44628 KN;
F标准值=1.3778x2x0.9=2.48004 KN;
万事俱备了,下面进入全面的数学分析:
我们的目的是寻找在一个经济合理的断面结构,也就是自平衡索架系统在整个(钢结构)应力,及(柔性钢索)拉力性能指标均接近设计值时,其本身的位移形变指标也接近饱和,同时也要照顾与周围环境的协调一致性,及杆件的尺度不能太小,也不能太大,这样的设计才是等强度设计,最合理的优化。
这里起控制作用的有两个关键因素,(竖向)圆钢管Ø76x6,以及柔性Cable钢铰线Ø12的选择是否合理的问题,一个有经验的设计师,会利用自己的知识积累迅速找到,一个合理的取值,以提高设计的效率,那么,钢铰线的预拉力是如何施加的呢?这里我们有三种方法
1.以应力的形式给出,即给钢铰线一个预拉应力。
2.以拉力的形式给出,即给钢铰线一个预拉力。
3. 以线应
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  •    guo_tao505  奖励于 2006-07-14 22:23:19

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