单层单向索结构玻璃幕墙的受力分析

程杰

（重庆创洲建筑装饰工程有限公司，重庆 400000）

0 引言

与传统建筑的外墙相比，玻璃幕墙具有简洁的形状、透明的外观以及强烈的现代感，反映了建筑的时代气息，因此，建筑师非常喜欢幕墙，尤其是玻璃幕墙。单层平面索网支承玻璃幕墙是近年来在国内和海外广泛使用的新型幕墙结构，具有漂亮的外观、轻巧纤细的部件以及出色的透明度，因此特别适用于大型公共建筑。这种类型的幕墙主要由预应力拉索、连接爪和玻璃面板组成。玻璃的四个角通过拉索连接到爪上，用硅酮密封胶连接[1]。与传统的单层弯曲索网结构相比，单层索网系统是由双向正交钢缆组成的平面或负高斯受力系统。随着我国玻璃幕墙的不断实践和技术发展，设计、施工和安装技术已逐步系统化和规范化。

1 单层单向索结构玻璃幕墙的组成

单层单向拉索结构玻璃幕墙，其中玻璃面板通过单层单向索网结构和钢爪固定到锚固结构，因此这种类型的结构主要由锚固结构、单层单向拉索桁架、玻璃面板、连接爪和缓冲材料组成。单层单向索结构玻璃幕墙如图1 所示。

图1 单层单向索结构玻璃幕墙

1.1 垫料

在使用玻璃幕墙时，需要避免由连接爪和玻璃板之间直接紧密的连接引起的摩擦噪音，并防止玻璃和缓冲层之间的相对滑动。在玻璃和连接爪之间设有层缓冲材料。缓冲材料具有韧性、弹性、耐用性和一定的硬度，以减少玻璃孔边缘上的局部应力并使玻璃与连接爪紧密接触[2]。

1.2 玻璃面板

玻璃面板是玻璃幕墙的重要组成部分，作为外墙的围护，玻璃不仅具有美观的外观特征，而且具有一定的物理性能。用于点支承玻璃幕墙的玻璃由于钻孔而使孔边缘的玻璃强度降低约30%，对于点型玻璃幕墙必须使用高强度的钢化玻璃。钢化玻璃的另一个重要特征是在使用过程中的安全性，较大的外力会产生小的碎片，没有锐角，不会伤害到人。

1.3 锚定结构

锚定结构是指支承系统，由顶梁、楼板梁、地锚和水平地基梁等组成。玻璃幕墙将拉索的负载通过拉索传递到基础，并拉紧锚固结构，对索桁架在形成幕墙系统中进行张拉作用。索结构的玻璃幕墙的固定结构必须承受工作载荷和水平作用，还必须承受拉索桁架和拉索的预应力，拉索结构的固定结构必须具有很强的刚度，因为它是索桁架产生的拉力（反向推力）。

1.4 索桁架

索桁架具有柔性的张紧结构，通过对高强度钢缆索施加预应力而具有恒定的形状，并且可以承受由于结构变形后产生的拉力而产生的外部载荷。当施加负载时，拉索结构的刚度会不断变化。对于索桁架结构，不仅需要确保有足够的张力来平衡外力，而且还必须确保变形不会太大以确保玻璃幕墙的功能[3]。拉索桁架不仅必须在初始状态下平衡力系统，而且还必须具有恒定的张力储备，以确保在拉索桁架达到最大设计水平时的结构稳定性。

1.5 连接爪件

连接爪件的功能是将玻璃连接到支承系统（拉索桁架结构）。另外，连接爪件还用于校正玻璃加工和结构制造之间的尺寸偏差。连接爪件由不锈钢对接接头和对接爪组成。

2 单层索网结构的受力分析

2.1 单层索网结构的工作原理

作为玻璃幕墙的支承结构，单层索网必须承受幕墙上的内部和外部载荷的影响。受力模型类似于钢结构模型，并且相对简单，因为平面内载荷通常会张紧单层拉索。如果平面内载荷或其分量不平行于拉索轴，则垂直于拉索轴的分量会在拉索上施加侧向载荷，该力的原理类似于平面外力的原理，因此，重点是分析单层拉索施加平面外负载时索网的工作状态[4]。σ0（预应力N0）和相对挠度f 可以满足力学的平衡条件。σ0的大小（预应力N0）和允许的相对挠度[f]是两个重要参数。索网有限元建模示意如图2 所示。

图2 索网有限元建模

通过玻璃连接机构，作用在玻璃幕墙上的面外载荷被转换为节点载荷P，节点载荷P 作用在索网结构上。只要索网具有足够的预应力，单层平面索网系统就是柔性的，并且在施加预应力（预应力）之前，抗拉结构不是刚性的，并且系统处于不稳定状态，必须施加适当的预应力以形成恒定的形状以承受作用。最终承载力与最终变形状态的位移密切相关，并且其结构刚度受到预应力，其与预应力密切相关。因此，单层索网设计可以满足幕墙、预应力σ0、相对挠度[f]以及机械平衡条件的要求。单层索网点支承玻璃幕墙，该结构主要由预应力拉索、连接爪和玻璃面板组成[5]。通过玻璃连接机构，作用在玻璃幕墙上的面外载荷被转换为节点载荷。节点载荷足以满足预应力和索网的相对挠度的要求，可以满足力学的平衡条件。

2.2 受力特点

单层索网结构通过两端的可调节连接系统固定到主体结构上，通常，在设计中应考虑风荷载、地震作用、垂直荷载、温度作用和支承结构的位移。在设计阶段，合理考虑拉索的初始预应力尤为重要，过多的预应力会增加拉索的尺寸，从而增加成本和反作用力[6]。通往主体结构的拉索数量增加，这给主体结构带来了极大的压力，如果预应力太低，则索网系统将过度变形，从而影响实际功能和美观舒适度。初始预应力的选择在单层索网结构设计中非常重要，必须与拉索制造商进行协调，确保在满足幕墙的安全性和使用功能的前提下，可以适当施加预应力和适当控制。

抗风拉索提供了单层索网系统的抗风能力，在设计的早期阶段，有必要考虑抗风拉索是水平放置还是垂直放置。抗风索通常水平放置，因为垂直风索通常是承重索。抗风拉索水平放置，以使单向拉索不会承受过大的压力。由于主体结构的形状，单向拉索可能同时具有风和承重效果，但这需要详细分析受力情况并仔细选择拉索模型。

对于索网结构，温度的影响是不可忽略的环境因素，环境温度会由于建筑物的体温和日照等因素而发生变化，并且温度变化会影响拉索的预应力变化并影响整个拉索系统，因此在设计时应合理考虑局部温度变化，需要监视施工过程以及拉索对温度变化的影响[7]。垂直载荷由玻璃本身的重量和拉索结构的重量组成，理想情况下，垂直拉索和承重拉索将达到设计平衡。但是，考虑到玻璃破裂的可能性，如果特定的玻璃破裂，拉索和支承系统将失去平衡，内部力将重新分配，并且拉索力将超过原始设计状态，需要分析局部破坏，设计时需要留一点余量。

3 结语

综上所述，单层索网的建设在一定程度上促进了玻璃幕墙行业的发展，成为实现幕墙渗透性的优秀建筑代表。随着玻璃幕墙的使用越来越广泛，其被用于设计和建造过程中，需要考虑的因素和要点尤其重要。从单层索网结构的设计和施工的角度概述设计过程中需要注意的重点，并从施工的角度概述需要控制的重要环节。其相关从业人员要注重单层索网的设计和施工，并且在单层索网结构的幕墙工程的选择、设计和施工中具有一定的指导意义。