单层平面索网幕墙结构的实用抗风设计方法研究

文/王秋婧 浙江亚厦幕墙有限公司 浙江绍兴 312000

随着建筑结构设计方法的不断更新，多种幕墙结构被广泛应用起来，关于单层平面索网幕墙结构的设计方法相对以前虽然有所改善，但仍有许多不合理的地方需要改进。就抗风设计而言，如今的设计方法仍不成熟，在进行这种设计时所需要的流程十分复杂。针对单索幕墙结构的设计，结合多种理论并采用等效静力风荷载方法进行实验，这种方式相较于现在的结构设计方法来看非常复杂，因此我们应结合部分重要概念，去进行改进。本文针对单层平面索网幕墙结构如何进行较为实用的抗风设计给出了一系列的措施，并结合具体实例进行论证。

1、建筑结构等效静力风荷载理论

等效静力风荷载理论是以随机振动理论为基础，进行多次风洞实验，并在实验过程中获取一系列的单层索网结构的风荷载信息，与此同时，将每次实验的风振效应结合起来，得出有关结构的抗风设计方法。简单来讲，等效静力风荷载理论，实质上就是多次实验得到的风振效应的动力系数用等效静力法去进行计算，计算出的与之相匹配的荷载系数即为简化后的结果，进而使较为复杂的脉动风动力效应问题转化为了静力效应分析问题。将等效静力风荷载理论运用到建筑结构上，即为对抗风设计方法最核心的思想，也是设计单层索网结构的纽带，以等效静力风荷载理论为基础研究单层索网结构在如今一直是比较热门的研究问题之一。

2、单层平面索网结构的分析方法研究

等效静力风荷载理论有三种分析方法：阵风荷载因子法、惯性力法、IRC法及IWL法结合。这些分析方法在如今已经成为建筑结构设计中不可或缺的三种方法。同样在考虑单层索网结构时，

也需要选择与之相匹配的分析方法。但是就这三种分析方法，其实也有一些弊端。[2]第一种方法阵风荷载因子法相较于其他方法来讲表达形式比较单一，其将实际风荷载等同于平均风荷载，这样的系数偏差较大，显然不符合。第二种方法是分析惯性力法，由于其方法是以多种方程推导设计而出，系数偏差会减小很多，同样与之对应的相关函数幅度也较为平缓，即这种方法的准确度极高，但由于只是一味的运用公式推导，缺乏实践性，导致没有太多的相关理论得以论证这种方法，也就导致其缺乏一定的规律性，且在运用这种方法时，方程极为复杂，工程量太大，实施起来不容易。第三种方法LRC法与IWL法相结合，这种方法所计算的等效静力风荷载与建筑设计结构的风振效应系数极为相似，其计算出的结果准确性极高，这种方法也比较适合单层索网幕墙结构的设计理念，相较于其他两种方法来讲更为方便，更容易对单层索网结构进行分析设计。

3、单层平面索网结构的实用抗风设计原则

在单层索网结构的实用抗风设计中，有一些原则问题需要注意：在建筑结构的设计过程中，要保证其耐久性满足要求，且抗风压力较强，即应具有足够的强度，进而在测试抗风能力时，能以足够大的强度去承受风荷载作用，这就要求设计建筑结构时，尽可能地控制单层索网结构的最大位移能力，在保证具有较为合理的结构设计的同时，以足够大的强度去降低风振动效应所带来的损害。其实在设计建筑建构的时候，不同的平面对应了不同的减少风压的数值，所以在设计单层平面索网幕墙结构时，要精确计算出所能减少的最大风压的系数，进而设计出最完美的抗风设计结构，防止结构遭到破坏。遵循如上的一系列原则，在设计此种建筑结构时，也就有了保障，才可以设计出最实用的抗风结构。

4、单层平面索网幕墙结构的抗风设计方法

4.1 采取适当防震措施

在以风荷载理论为基准设计建筑结构时，还要同时考虑地震荷载，因为地震荷载对抗风设计结构也会产生一些促进作用，尤其在设计索网幕墙结构时，这种促进作用极为明显。因此采取适当的防震措施是不可或缺的。防震措施有以下几种方法：第一在设计索网幕墙结构时，对部分区域进行防震稳定性加强的同时，要考虑其整体性，将索网幕墙的边缘区域及中心区域相结合来设计出最稳定的结构体系，这样也会提高结构的整体刚度及防震度。[3]第二在幕墙结构较为容易松动的部位采取一些固定措施，如增加螺栓数量或者对这种结构部位进行二次固定，杜绝产生松动的可能性，即从侧面提高了总体结构的防震度。以上设计方法只是一部分，依照这些设计理念，能够有效地提高结构防震度，也是构建单层平面索网幕墙抗风设计的必要方法之一。

4.2 计算调整系数及转换系数

通过多次实验分析发现，在计算调整系数与转换系数时，各个系数考虑的因素各不相同。调整系数主要考虑的是设计索网幕墙结构的自身因素，例如强度因素、刚度因素、相关函数因素等，以这些因素为基准去计算调整系数。调整系数的数值与风振效应频率也有一定的函数关系，通过分析相对应关系得出较为合理的调整系数。而在计算转换系数时，又要考虑有关地貌的相关因素，图1即为某类地貌类型在多组实验下的转换系数值。[1]在构造出地貌范围因素与转换系数的函数关系后，即可计算出转换系数的最优值。

图1 某类地貌转换系数计算值

通过对这两种系数的结合运算，采用模态分析方法推导出最简化的计算公式，求出实用抗风设计的最优数值，进而结合单层平面索网幕墙结构的特性，构建出最优的设计方法。图2的公式为一阶自振频率计算公式。通过已知常数查表得到其他数值，再通过推导进行换算求得脉动系数及单层索网的方向宽度，进而再利用上文所求的转换系数及调整系数来计算出抗风设计的最优数值。

图2 一阶自振频率的计算公式

总结：

单层平面索网幕墙结构的实用抗风设计方法种类颇多，但都需要结合等效静力风荷载理论。通过多次实验，计算出一系列的最优系数，并结合等效惯性力的方法，将这些最优系数运用到推导出的简化公式中，计算出最佳的风振系数。同时尽可能地将偏差范围缩减到最小，使设计出的抗风效果最优。由此得出最合理的单层平面索网幕墙结构的抗风设计方法，这种方法使索网幕墙的抗风安全性研究达到质的提升。