单层平面索网玻璃幕墙玻索协同工作及抗风性能研究进展

李守昆 李明

摘要：单层平面索网支撑点支式玻璃幕墙，具有造型美观、视觉通透性好等优点，已成为大尺度幕墙结构体系发展趋势的代表。综述了近些年单层平面索网玻璃幕墙玻-索協同工作及抗风性能研究进展，对今后需要研究的问题进行了展望。

关键词：单层平面索网；玻璃幕墙； 玻-索协同工作；抗风性能

单层平面索网支撑点支式玻璃幕墙（以下简称平面索网幕墙），具有造型美观、视觉通透性好等优点，在众多的幕墙形式中脱颖而出，已成为大尺度幕墙结构体系发展趋势的代表。近年来，国内关于平面索网幕墙的研究取得了突飞猛进的进展，填补了不少国内外研究空白，在其静力计算方法、抗风抗震性能及损伤分析等方面均取得了可喜的研究成果，但总体上理论研究还是滞后于工程需要，国内外至今未形成一套成型的平面索网幕墙设计计算理论体系[1-12]。以下将对单层平面索网支撑点支式玻璃幕墙的玻-索协同工和抗风性能研究进展综述。

1 平面索网幕墙的玻-索协同工作研究现状

平面索网幕墙中，玻璃面板通过驳接钢爪与支承体系连接，形成了一种组合结构，共同承受外荷载的作用。目前，对其承载性能的研究和设计通常采用索、连接件与玻璃分开进行分析，而不考虑玻璃面板对支承体系的刚度贡献。事实上，玻璃面板对支承体系具有一定的刚度贡献，并且这种贡献作用随跨度和支撑结构体系柔性的增加而增大。对于平面索网支撑结构，设计时往往是位移起控制作用，如果不考虑这种贡献，结构刚度很小，势必要通过增大构件截面或增加预拉力的方法来满足设计对位移控制的要求，引起工程造价的提高。因此，有必要对玻璃幕墙玻-索协同工作下整体结构的相关力学问题进出研究 [1， 2]。

我国对于平面索网幕墙玻-索协同工作的研究主要开展于2005年后，采用比例模型试验方法，有限元分析法以及二者结合的方法进行了较多研究。理论分析和试验结果表明，考虑玻-索协同工作对平面索网结构的承载性能、挠度、动力特性以及玻璃四个角点的位移均有影响[1-7]：对承载性能和挠度的影响表现在考虑玻-索协同工作后，将减小平面索网幕墙的挠度和索内力；对动力特性的影响表现在考虑玻-索协同工作后，结构的阻尼远大于仅考虑单独索网的阻尼，结构的高阶模态变化相对较大，低阶模态变化较小；对玻璃四个角点位移的影响表现在考虑玻-索协同工作后，玻璃四个角点的位移差值比较大，与直接套用规范中点支式玻璃幕墙的计算方法相比，计算的最大应力和挠度误差较大。产生上述影响的原因主要在于玻璃对平面索网结构刚度的贡献，而这种贡献主要是由玻璃面薄膜力的大小决定的，因此玻璃对平面索网结构刚度的贡献与玻璃、玻璃间的玻璃胶、玻璃与索网节点间的约束刚度、玻璃与连接件之间滑移均有关系，在有限元计算模型中，对于这些因素的影响需要适当的考虑。

2 平面索网幕墙的抗风问题研究现状

平面索网幕墙由于具有柔性大、质量轻、阻尼小的特点，属风敏感结构，其在外荷载作用下的变形较大，具有较明显的几何非线性特征。而现行荷载规范中提出的等效静力风荷载计算方法仅适用于高层、高耸等悬臂型结构，幕墙规范提出的阵风系数也仅适用于单块玻璃的抗风设计，不适用于支承结构设计。国内外还没有相应于平面索网幕墙支承结构的抗风设计方法，其风振响应计算一直是困扰科研和设计人员的重要问题。因此，国内很多学者围绕平面索网幕墙的抗风问题开展了较多研究工作，主要包括：

（1）等效静力风荷载的计算方法。所谓等效静力风荷载是指将该荷载以静力形式作用在结构时产生的响应与实际风荷载产生的动力响应相同。研究表明，平面索网结构在平均风荷载作用下达到平衡位置后，在脉动风荷载作用下的非线性程度较弱，而且非线性程度对风压变化不敏感，可以近似作为线性结构处理。因此，以平均风压作用平面索网后的位置作为初始位置，采用频域分析方法能够较为准确地计算出其在脉动风荷载作用下的真实响应，是进行其风振响应分析的一种非常有效方法[8，9 ]。

在计算等效静力风荷载时，需要考虑各阶振型的参与情况。对于平面索网结构，各阶模态对其风振响应均有贡献，进行风振响应分析时宜考虑模态间的耦合效应，但起主要贡献的振型集中分布在低阶模态区域内，并且以第一阶振型为主，不存在某些高阶振型的跳跃问题。因此，采用部分低阶振型计算平面索网位移可满足较高的精度要求[9]。

（2）抗风设计方法。由于现行荷载规范中提出的等效静力风荷载法仅适用于高层、高耸等悬臂结构，幕墙规范提出的阵风系数也仅适用于单块玻璃的抗风设计，不适用于支承结构设计，而非线性时程分析方法和频域分析方法比较繁琐，较难为广大工程设计人员掌握，因此，需要提出一套考虑风荷载动力作用、工程设计简便易行的适合于平面索网幕墙的实用抗风设计方法。有关这方面的研究还很少。文献[9， 10]考虑到单索幕墙结构的自身特点，提出了基于结构响应的抗风设计方法，给出了结构上任意点总位移和任意索单元总拉力的计算方法，并指出了该设计方法的适用范围为结构高宽比在0.5-2之间，且结构高度小于30 m，当不在上述范围内时，仅能保证结构最大位移和最大索拉力的计算精度。

（3）风荷载作用下平面索网幕墙力学性能影响因素分析。研究表明在风荷载作用下，幕墙的玻璃面板厚度、拉索截面积、拉索预拉力以及玻璃面板分格尺寸对其风荷载作用下的受力性能均有影响[11-13]：增加玻璃面板厚度，可以有效地降低玻璃表面最大应力和幕墙挠度，同时对增加结构的刚度也有一定的效果；增大拉索截面面积，可以有效地降低幕墙拉索的最大应力，减小索网幕墙结构体系的变形，减小玻璃面板的受力，使平面索网幕墙结构体系的受力趋于均匀；增大拉索的预拉力，能够有效地提高结构刚度，但同时也会迅速增加拉索的最大应力，对周围支承结构体系及施工不利；玻璃面板分格尺寸的增大会明显削弱幕墙结构体系的刚度，并且随着玻璃面板分格尺寸的增大，玻璃面板应力会迅速增大。在幕墙的设计中，应适当选择玻璃面板厚度以及拉索截面积，使幕墙具有更好的使用效果和经济效益。 （4）主体结构对平面索网次结构作用的分析。当前工程中对于幕墙系统承载能力的分析，一般将围护玻璃与支承结构从主体结构中独立出来，单独分析其在外荷载作用下的响应。目前的设计方法中未考虑二者实际的相互作用影响，并且在风荷载作用下研究二者相互影响的文献也很少，文献[12]采用随机模拟时程分析方法，通过改变主体结构（框架剪力墙结构，最高72m）的动力特性、索网结构的动力特性及两者的相对位置关系等多种方式，研究了索网结构和主体结构共同工作与单独索网及单独主体结构工作时的风振响应差别，结果表明：索网和主体结构的风振响应特性存在显著差异，在常见的工程应用范围内，主体结构对索网自身的风振响应影响程度较小，对索网结构进行风振响应分析时可以不考虑主体结构的影响。

3.结论

从以上综述可以看出，国内有关单层平面索网玻璃幕墙玻-索协同工作及抗风性能研究取得了长足的进展，主要取得结论和需要研究的问题如下：

（1）影响玻-索协同工作的因素较多，考虑玻-索协同工作对平面索网结构的力学性能有一定影响，不考虑玻-索协同工作可能引起较大的计算误差。但考虑到目前国内外规范在设计时均不考虑玻-索协同工作影响，并且一般认为不考虑玻-索协同工作会使平面索网幕墙的支撑体系设计存在一定的安全储备。

（2）在等效静力风荷载的计算方法、抗风设计方法、风荷载作用下平面索网幕墙力学性能影响因素分析方面，研究较为成熟。

（3）有关风荷载作用下，主体结构与平面索网次结构相互作用的研究还很薄弱，虽然取得了一些研究结论，但也仅限于常见的工程范围，不适用于超高层建筑的情况，因此需要开展风荷载作用下超高层建筑主次结构相互作用的研究。

参考文献

[1]李正农， 罗叠峰， 吴红华. 单层平面索网玻璃幕墙结构研究现状综述[J]， 自然灾害学报， 2010，19（5）： 1-6.

[2]宋海罡. 大跨度单层索网玻璃幕墙协同工作下相关力学问题的研究[D]， 中北大学硕士学位论文， 2009.

[3]王丹. 点支式柔性支承体系与玻璃面板共同作用的理论与试验研究[J]， 建筑与结构设计， 2008： 22-26.

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[8]冯若强， 李庆祥， 武岳， 沈世钊. 单层平面索网幕墙结构的非线性抗风设计方法[J]， 土木工程学报， 2009， 42（2）： 39-44.

[9]洪天華. 风荷载作用下点支式玻璃幕墙的动力性能研究[D]， 大连理工大学硕士学位论文， 2007.

[10]洪天华， 李宏男. 风荷载作用下单层平面索网体系点支式玻璃幕墙的动力性能研究[J]， 防灾减灾工程学报， 2008， 28（2）： 156-163.

[11]王永慧， 单层平面索网点支式玻璃幕墙结构性能研究[D]， 昆明理工大学硕士学位论文， 昆明， 2009.

[12]吴丽丽， 王元清， 石永久. 玻璃幕墙中主体结构对单层索网结构风振响应的影响研究[J]， 振动与冲击， 2008， 27（7）： 97-102.