單層單向索結構玻璃幕墻的受力分析

程杰

（重慶創洲建筑裝飾工程有限公司，重慶 400000）

0 引言

與傳統建筑的外墻相比，玻璃幕墻具有簡潔的形狀、透明的外觀以及強烈的現代感，反映了建筑的時代氣息，因此，建筑師非常喜歡幕墻，尤其是玻璃幕墻。單層平面索網支承玻璃幕墻是近年來在國內和海外廣泛使用的新型幕墻結構，具有漂亮的外觀、輕巧纖細的部件以及出色的透明度，因此特別適用于大型公共建筑。這種類型的幕墻主要由預應力拉索、連接爪和玻璃面板組成。玻璃的四個角通過拉索連接到爪上，用硅酮密封膠連接[1]。與傳統的單層彎曲索網結構相比，單層索網系統是由雙向正交鋼纜組成的平面或負高斯受力系統。隨著我國玻璃幕墻的不斷實踐和技術發展，設計、施工和安裝技術已逐步系統化和規范化。

1 單層單向索結構玻璃幕墻的組成

單層單向拉索結構玻璃幕墻，其中玻璃面板通過單層單向索網結構和鋼爪固定到錨固結構，因此這種類型的結構主要由錨固結構、單層單向拉索桁架、玻璃面板、連接爪和緩沖材料組成。單層單向索結構玻璃幕墻如圖1 所示。

圖1 單層單向索結構玻璃幕墻

1.1 墊料

在使用玻璃幕墻時，需要避免由連接爪和玻璃板之間直接緊密的連接引起的摩擦噪音，并防止玻璃和緩沖層之間的相對滑動。在玻璃和連接爪之間設有層緩沖材料。緩沖材料具有韌性、彈性、耐用性和一定的硬度，以減少玻璃孔邊緣上的局部應力并使玻璃與連接爪緊密接觸[2]。

1.2 玻璃面板

玻璃面板是玻璃幕墻的重要組成部分，作為外墻的圍護，玻璃不僅具有美觀的外觀特征，而且具有一定的物理性能。用于點支承玻璃幕墻的玻璃由于鉆孔而使孔邊緣的玻璃強度降低約30%，對于點型玻璃幕墻必須使用高強度的鋼化玻璃。鋼化玻璃的另一個重要特征是在使用過程中的安全性，較大的外力會產生小的碎片，沒有銳角，不會傷害到人。

1.3 錨定結構

錨定結構是指支承系統，由頂梁、樓板梁、地錨和水平地基梁等組成。玻璃幕墻將拉索的負載通過拉索傳遞到基礎，并拉緊錨固結構，對索桁架在形成幕墻系統中進行張拉作用。索結構的玻璃幕墻的固定結構必須承受工作載荷和水平作用，還必須承受拉索桁架和拉索的預應力，拉索結構的固定結構必須具有很強的剛度，因為它是索桁架產生的拉力（反向推力）。

1.4 索桁架

索桁架具有柔性的張緊結構，通過對高強度鋼纜索施加預應力而具有恒定的形狀，并且可以承受由于結構變形后產生的拉力而產生的外部載荷。當施加負載時，拉索結構的剛度會不斷變化。對于索桁架結構，不僅需要確保有足夠的張力來平衡外力，而且還必須確保變形不會太大以確保玻璃幕墻的功能[3]。拉索桁架不僅必須在初始狀態下平衡力系統，而且還必須具有恒定的張力儲備，以確保在拉索桁架達到最大設計水平時的結構穩定性。

1.5 連接爪件

連接爪件的功能是將玻璃連接到支承系統（拉索桁架結構）。另外，連接爪件還用于校正玻璃加工和結構制造之間的尺寸偏差。連接爪件由不銹鋼對接接頭和對接爪組成。

2 單層索網結構的受力分析

2.1 單層索網結構的工作原理

作為玻璃幕墻的支承結構，單層索網必須承受幕墻上的內部和外部載荷的影響。受力模型類似于鋼結構模型，并且相對簡單，因為平面內載荷通常會張緊單層拉索。如果平面內載荷或其分量不平行于拉索軸，則垂直于拉索軸的分量會在拉索上施加側向載荷，該力的原理類似于平面外力的原理，因此，重點是分析單層拉索施加平面外負載時索網的工作狀態[4]。σ0（預應力N0）和相對撓度f 可以滿足力學的平衡條件。σ0的大小（預應力N0）和允許的相對撓度[f]是兩個重要參數。索網有限元建模示意如圖2 所示。

圖2 索網有限元建模

通過玻璃連接機構，作用在玻璃幕墻上的面外載荷被轉換為節點載荷P，節點載荷P 作用在索網結構上。只要索網具有足夠的預應力，單層平面索網系統就是柔性的，并且在施加預應力（預應力）之前，抗拉結構不是剛性的，并且系統處于不穩定狀態，必須施加適當的預應力以形成恒定的形狀以承受作用。最終承載力與最終變形狀態的位移密切相關，并且其結構剛度受到預應力，其與預應力密切相關。因此，單層索網設計可以滿足幕墻、預應力σ0、相對撓度[f]以及機械平衡條件的要求。單層索網點支承玻璃幕墻，該結構主要由預應力拉索、連接爪和玻璃面板組成[5]。通過玻璃連接機構，作用在玻璃幕墻上的面外載荷被轉換為節點載荷。節點載荷足以滿足預應力和索網的相對撓度的要求，可以滿足力學的平衡條件。

2.2 受力特點

單層索網結構通過兩端的可調節連接系統固定到主體結構上，通常，在設計中應考慮風荷載、地震作用、垂直荷載、溫度作用和支承結構的位移。在設計階段，合理考慮拉索的初始預應力尤為重要，過多的預應力會增加拉索的尺寸，從而增加成本和反作用力[6]。通往主體結構的拉索數量增加，這給主體結構帶來了極大的壓力，如果預應力太低，則索網系統將過度變形，從而影響實際功能和美觀舒適度。初始預應力的選擇在單層索網結構設計中非常重要，必須與拉索制造商進行協調，確保在滿足幕墻的安全性和使用功能的前提下，可以適當施加預應力和適當控制。

抗風拉索提供了單層索網系統的抗風能力，在設計的早期階段，有必要考慮抗風拉索是水平放置還是垂直放置。抗風索通常水平放置，因為垂直風索通常是承重索。抗風拉索水平放置，以使單向拉索不會承受過大的壓力。由于主體結構的形狀，單向拉索可能同時具有風和承重效果，但這需要詳細分析受力情況并仔細選擇拉索模型。

對于索網結構，溫度的影響是不可忽略的環境因素，環境溫度會由于建筑物的體溫和日照等因素而發生變化，并且溫度變化會影響拉索的預應力變化并影響整個拉索系統，因此在設計時應合理考慮局部溫度變化，需要監視施工過程以及拉索對溫度變化的影響[7]。垂直載荷由玻璃本身的重量和拉索結構的重量組成，理想情況下，垂直拉索和承重拉索將達到設計平衡。但是，考慮到玻璃破裂的可能性，如果特定的玻璃破裂，拉索和支承系統將失去平衡，內部力將重新分配，并且拉索力將超過原始設計狀態，需要分析局部破壞，設計時需要留一點余量。

3 結語

綜上所述，單層索網的建設在一定程度上促進了玻璃幕墻行業的發展，成為實現幕墻滲透性的優秀建筑代表。隨著玻璃幕墻的使用越來越廣泛，其被用于設計和建造過程中，需要考慮的因素和要點尤其重要。從單層索網結構的設計和施工的角度概述設計過程中需要注意的重點，并從施工的角度概述需要控制的重要環節。其相關從業人員要注重單層索網的設計和施工，并且在單層索網結構的幕墻工程的選擇、設計和施工中具有一定的指導意義。