摘要：為了實現大空間、大通透的建筑效果，滿足人與自然交流的愿望，單層索網點支承玻璃幕墻已廣泛應用于現代建筑之中。這就要求幕墻設計師及幕墻施工、安裝人員必須掌握相關的理論和技術。本文根據自己的認識和體會，就該方面的問題進行進行闡述。
　　關鍵詞：單層索網，點支承，玻璃幕墻，設計
　　1．單層索網點支承玻璃幕墻
　　單層索網點支承玻璃幕墻，是點支承玻璃幕墻按支承結構分類的一種形式。點支承玻璃
　　幕墻按支承結構可分為：鋼結構支承式、玻璃肋支承式、拉索支承式。
　　拉索支承式又包括單層索系和雙層索系兩種。單層索系是由一系列按一定規律布置的
　　單根拉索組成，拉索兩端錨固在穩定的支承結構上的支承體系。單層索系有平行、輻射和網狀布置等形式。單層索系又包括單層單向索和單層索網形式。目前大多采用兩個方向拉索呈正交或斜交連接的網狀布置形式，稱為單層索網。如圖1所示。
　　
　　圖1單層索網點支承玻璃幕墻示意圖
　　2單層索網結構的工作原理
　　單層索網作為玻璃幕墻的支撐結構，必須承受幕墻面內及面外荷載的作用，由于面內
　　荷載一般使單層索受拉，受力模型與鋼結構類似，相對比較簡單。當面內荷載或其分力與索的軸線不平行時，垂直于索軸線的分力使索受側向荷載，其受力原理與面外荷載作用相類似；所以，此處著重分析單層索網受面外荷載作用時的工作狀態。
　　單層平面索網體系是柔性的張拉結構，在沒有施加預應力(預拉力)之前沒有剛度，體系處于不穩定狀態，必須通過施加適當的預應力(預拉力)賦予其一定的形狀，才能承受面外荷載的作用，它的最終承載力與變形終態的位移有很大關系，其結構剛度又與預應力(預拉力)大小密切相關，所以在單層索網幕墻設計中，預拉力0(預拉力N0)的大小與相對撓度容許值[f]是兩個關鍵參數。單層索網點支承玻璃幕墻，在構造上主要由預應力拉索、連接爪件（接駁爪或其他形式的夾具）、玻璃面板三部分組成，玻璃的四個角點通過爪件和索連接，玻璃和玻璃之間采用硅酮密封膠連接。作用于玻璃幕墻上的平面外荷載通過玻璃的連接機構轉化成節點荷載P，節點荷載P作用在索網結構上，只要在索網中有足夠的預應力0(預拉力N0)和相對撓度f，就可以滿足力學的平衡條件。
　　3單層索網玻璃幕墻各設計參數的確定
　　作用于玻璃幕墻上的平面外荷載通過玻璃的連接機構轉化成節點荷載P，節點荷載P作用在索網結構上，當P為某一確定值時，索的預應力0(預拉力N0)越大，索的相對撓度f就越小，但索在終態時所受的內力會越大，需要選擇更強的索材料、更大的索截面，索兩端的支反力也越大，對應的主支承結構也需要相應增強，會造成極大的浪費。因此，設計索結構時應綜合考慮，將索的相對撓度f及索的預應力0(預拉力N0)都應控制在合理的范圍內，以選擇合理的索直徑。
　　3.1索相對撓度容許值[f]的確定
　　單層索網必須在變形之后才能承受平面外荷載作用，為減小承力索終態時所受的內力，單索網幕墻必然有很大的變形，一般可將相對撓度[f]（即達到最大變形后的矢跨比）設定在1/50～1/80之間。此時對應的絕對位移[δ]較大，在初步確定時需考慮人的心理承受能力、建筑的視覺效果等。同時，在幕墻設計還必須考慮幕墻各節點承受變形的能力，如玻璃和玻璃之間的膠縫寬度、玻璃和網索之間的連結裝置（玻璃平面內駁接爪和玻璃孔之間的縫隙或其他形式的夾具與玻璃面之間的可用間隙等）來吸收和承受這樣大的變形。當結構受平面外荷載作用變形后，幕墻必須安全、可靠。
　　3.2索所受面外荷載的確定
　　3.2.1雙向索受力情況
　　單層索網玻璃幕墻中，當橫、縱（或縱、橫）兩個方向索的跨度比小于3：1時，應考慮兩個方向的索同時受力，此時，可以根據兩個方向索的實際跨度和已確定的單層索網絕對位移[δ]，初步將荷載按線性、靜力學方式分配到兩個方向的索上。具體分配如下：
　　3.2.1.1公式的推導
　　圖2單層索受力示意圖
　　如圖2,單層索結構的AC和BC拉索，在未承受外力時，相交于C。令拉索的有效截面積為A，拉索的彈性模量為E,拉索預拉力為N0。當承受點連接裝置傳來的外力P之后，C移動到C1，δ＝CC1，與此同時，拉索內產生拉力增加值ΔN，由于δ與m相比非常小，則有：
　　α≈δm………………………………………………………………………………(1)
　　2（N0+ΔN）.cos(π/2－α)=2（N0+ΔN）.sinα＝P
　　N0+ΔN＝P2sinα當α很小時，sinα≈α(α以弧度計)
　　則有：
　　ΔN＝P2α-N0……………………………………………………………………(2)
　　拉索的應變增量Δε為：
　　Δε=AC1-ACAC=m2+δ2-mm=m2+δ2-mm×m2+δ2+mm2+δ2+m
　　=m2+δ2-m2m.m2+δ2+m2=δ2m.m2+δ2+m2
　　≈δ22m2或2δ2L2(由于δ與m相比非常小，可另m2+δ2≈m2)
　　即：
　　Δε≈δ22m2或Δε≈2δ2L2…………………………………………………………(3)
　　由于拉索在受軸線方向拉力時符合虎克定律，則有：
　　Δ=E.Δε
　　Δε＝ΔE=ΔNEA…………………………………………………………………(4)
　　 將(3)式代入(4)式得：
　　δ22m2=ΔNEA………………………………………………………………………………(5)
　　 將(2)式代入(5)式得：
　　P2α=δ2EA2m2+N0……………………………………………………………………(6)
　　將(1)式代入(6)式得：
　　P2δm=δ2EA2m2+N0……………………………………………………………………(7)
　　由(7)式得：
　　P＝δ3EAm3+2δN0m或P＝8δ3EAL3+4δN0L………………………………………(8)
　　令K1＝EAm3、K2＝2N0m，則有：
　　P＝K1δ3+K2δ………………………………………………………………………(9)
　　3.2.1.2雙向索的外力分配
　　
　　圖3雙向索的外力分配
　　如圖3中,分別由1條橫向索和1條豎向索在中點處相交組成索網,橫向索的跨度L1，豎向索的跨度L2；令拉索的有效截面積為A，拉索的彈性模量為E,拉索預拉力為N0。設：在面外荷載P的作用下,兩條索的交點由C點移動到C1點,撓度為δ；此時，橫向索的內力F1，夾角α，分到的節點外力為P1；豎向索的內力F2，夾角β，分到的節點外力為P2；
　　則：按前面的推導公式（8）：有
　　P1＝8δ3EAL13+4δN0L1………………………………………………………………(10)
　　P2＝8δ3EAL23+4δN0L2………………………………………………………………(11)
　　因為：
　　P＝P1＋P2…………………………………………………………………………（12）
　　即：
　　8δ3EAL13+4δN0L1+P2＝P…………………………………………………………（13）
　　由式(13)可得：
　　P2＝P-8δ3EAL13-4δN0L1………………………………………………………（14）
　　同理可得：
　　P1＝P-8δ3EAL23-4δN0L2………………………………………………………（15）
　　3.2.2單向索受力情況
　　當橫、縱（或縱、橫）兩個方向索的跨度比大于等于3：1時，可以忽略長向索的作
　　用，認為荷載全部由短向索承受，可按單向索受力進行單向索計算。（必要時，可以通過改變索直徑、索預拉力等來實現單向索受力或改變受力索的方向）。
　　3.3索的預拉力N0確定
　　索的預拉力N0的設定，應滿足以下條件：
　　⑴能夠抵抗面內荷載而不會松馳：如，參與承受面外荷載的豎直幕墻的豎向索，常常也需要承受面內的重力荷載，設此值為N01。
　　⑵能夠抵抗熱脹溫差效應而不會松馳：設定合攏溫度和施工時的預拉力調節值，考慮年最高使用溫度與合攏溫度的差值T時的熱脹，設此值為N02，則N02=E.α.T.A，式中，E為索的彈性模量，A為初選索的有效截面積，α為索的熱脹系數。
　　⑶根據實際情況考慮索的支撐結構在索的預拉力施加完成后沿索軸線方向的微量變形導致的預拉力損失：設微量變形為L，則N03=E.L.AL，式中，E為索的彈性模量，A為初選索的有效截面積，L為索的跨度。
　　⑷保證外力作用下索的變形不超過控制值：可用分析軟件計算并調整，設此值為N04。
　　綜上所述，應取索預拉力N0=N01+N02+N03+N04
　　3.4索的支反力確定
　　通常情況下，索的兩端支反力相同,但也有兩端支反力不相等的情況。如：參與承受面外荷載的豎直幕墻的豎向索，一般也用來承受面內的重力荷載，此時，其上支點的支反力較大，是面外荷載P作用下產生的支反力與重力荷載產生的支反力的矢量和；而下支點的支反力較小，是面外荷載P作用下產生的支反力與重力荷載的矢量差。面外荷載P作用下產生的支反力，可直接從軟件計算中得到。
　　3.5索工作內力的確定
　　3.5.1面外荷載設計值P作用下索的內力增加值ΔN1
　　可直接從軟件計算中得到，也可以按線性、靜力學方式，采用手工計算方法初步求出。采用手工計算時，應加入兩個條件：同一節點索力（和反力）與作用力平衡（各方向）、同一點位移相同。
　　3.5.2溫差效應作用下索的內力增加值ΔN2
　　由于溫差產生的冷縮效應：設定合攏溫度和施工時的預拉力調節值，考慮年最低使用溫度與合攏溫度的差值T時的冷縮，，則ΔN2=E.α.T.A，式中，E為索的彈性模量，A為初選索的有效截面積，α為索的熱脹系數。
　　3.5.3面內荷載（如自重）設計值作用下索的內力增加值ΔN3
　　如，參與承受面外荷載的豎直幕墻的豎向索，常常也需要承受面內的重力荷載，設此值為ΔN3。
　　綜上所述，索的最大工作內力Nmax=N0+ΔN1+ΔN2+ΔN3
　　3.6索的直徑和強度等級的確定
　　根據索的最大工作內力Nmax,按《玻璃幕墻工程技術規范》JGJ102-2003，考慮索本身的安全系數1.8，按索的最小破斷力P=1.8Nmax選擇相應的索的直徑和索的強度等級。
　　4一些需要注意的問題
　　4.1安裝時的變形問題
　　索變形后會伸長，而玻璃不會伸長，其差值需要靠膠縫變形來調節。因此，膠縫寬度設計時應特別注意。同時，單索幕墻建議不采用打孔的接駁爪，而采用其他形式的夾具。若一定要采用接駁爪，需要采用專門設計的、能夠適應大變形的接駁爪。
　　4.2玻璃上開螺栓孔
　　在玻璃上開螺栓孔時，一般取玻璃上的孔直徑D=螺栓直徑+4mm，以適應安裝、加工、線脹等誤差（但不是用來適用索變形后的伸長），如圖4。
　　
　　圖4玻璃上開螺栓孔
　　4.3預拉力取值
　　橫、縱索的預拉力應根據需要分別取值，即使其直徑相同也不例外。而且可以根據橫向、縱向索的支承結構的承力能力進行調整。
　　4.4索網的使用限制
　　有些情況只能采用單向索，而不能使用單層索網。另一方向的索加上去后，會給前
　　面的受力索增加額外負擔，起破壞作用。如弧形幕墻、錐幕墻、雙曲面幕墻等，見下圖5。
　　
　　圖5索網的使用限制
　　
　　4.6過載保護設計
　　拉索在極端情況下，如超大臺風作用、中震或大震作用時，拉索內力可能會超過設計荷載，導致拉索屈服甚至破壞。為了避免此種情況的發生，可在索的一端設計安裝過載保裝置，以吸收和補償拉索位移時產生的索長變化，達到卸載的目的，實現索網體系的自我調節和自我保護。其工作原理如圖6。
　　
　　
　　圖6不同的過載保護裝置示意圖
　　5.設計上指導預拉力施加
　　為獲得足夠的剛度，單層索網體系必須施加較大的預拉力。預拉力越大施加難度就越大。因此，設計時就應考慮到施加順序和預拉力施加方案。單層索網預拉力施加一般分三個階段進行，如圖7。必要時可以適當增加分級數。
　　
　　圖7索預拉力分三個階段進行施加
　　（1）、施加方案中，應明確施加分級，過程控制及穩定時間。并將所有的索進行分類或編號，標明各級施加時各類（或各條）索的張拉順序。
　　（2）、各條索在每一級張拉中，并不一定是直接張拉到該級的終值，很多情況下，下一條索張拉后，會改變前面已張拉的索的內力。應通過反張拉順序的計算，確定每條索在每一級中的預拉力值。
　　（3）施工時預拉力的確定要按施工過程中的氣溫變化調整預拉力，設計人員要給施工人員提供合攏溫度與預拉力值對照表確保索內拉力在溫度變化過程中的均衡狀態和安全性。
　　參考文獻:
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