火災下單層索網(wǎng)玻璃幕墻 節(jié)點約束剛度影響分析

    1、引言

    單層平面索網(wǎng)玻璃幕墻結(jié)構采用高強預應力拉索體系，可以實現(xiàn)大空間建筑所需的通透、美觀的要求，且構造簡單、施工方便，代表著大尺寸幕墻結(jié)構體系的發(fā)展趨勢[1]。

    柔性支承點支式玻璃幕墻中，玻璃參與結(jié)構承載[2-3]，且玻璃分格尺寸越大，支承體系的剛度越小，玻璃面板對其剛度貢獻越大[4]�；馂臈l件下，由于高強度鋼索的彈性模量和屈服強度明顯降低，結(jié)構整體受力性能發(fā)生明顯改變。同時，玻璃通過連接件和柔性支撐結(jié)構連接，節(jié)點剛度對結(jié)構整體受力性能有重要影響[5]。本文將致力于研究玻璃與鋼索之間連接節(jié)點剛度對火災下整體受力性能的影響作用。

    2、節(jié)點約束剛度模型

    我國學者給出了交叉耦合、拉壓彈簧和完全耦合三種節(jié)點約束剛度模型[6-7]，如圖 1 所示。本文將在這三種節(jié)點約束模型的基礎上，通過數(shù)值模擬來研究節(jié)點約束剛度對結(jié)構火災下整體受力性能的影響。

    3、數(shù)值計算模型

    單層索網(wǎng)結(jié)構分析模型中索網(wǎng)尺寸為 15 m×15 m，玻璃分格的網(wǎng)格尺寸為1.5 m×1.5 m，橫、豎索均采用 φ16 鋼絞線，截面面積 A＝151 mm2，玻璃為單層玻璃，厚度 10mm。支座取固定端，幕墻連接件自重取 0.2 kN/m2，水平荷載為垂直于玻璃面板的均布荷載 1.0 kN/m2。

    利用 ANSYS 軟件建立計算模型，鋼索采用 LINK10 單元模擬，玻璃面板采用SHELL181單元模擬，拉壓彈簧采用 COMBIN14 單元模擬。高強鋼索和玻璃面板均按線彈性材料考慮，且鋼索按均勻升溫進行計算[8]，當索中應力高于當時溫度下鋼索的屈服強度時，認為鋼索破壞。索網(wǎng)初始溫度為室溫 20 ℃，均勻升溫至 600 ℃，同一個計算模型中，索網(wǎng)橫索與豎索均施加相同大小的初始預應力，預應力取 40 kN～140 kN 之間。

    4、不同節(jié)點剛度對位移影響

    計算得到了單層索網(wǎng)結(jié)構各節(jié)點約束模型火災升溫下最大位移隨溫升的變化情況，如圖 2 所示。當節(jié)點約束模型為交叉耦合或是拉壓彈簧，且彈簧剛度較小時（k=104kN/mm），位移隨溫度的變化曲線與不考慮玻璃作用時的變化曲線走勢相似，表明這兩種節(jié)點約束模型的約束作用相對較弱，玻璃對火災下結(jié)構的整體剛度貢獻較小。當節(jié)點約束模型為完全耦合或是拉壓彈簧，且彈簧剛度較大時（k=105kN/mm），玻璃剛度的影響顯著增加，火災下的結(jié)構位移明顯減小，表明由于玻璃在高溫下力學性能下降較鋼材小，因而對整體位移有明顯的限制作用。但是，由于玻璃與鋼索連接剛度很大，玻璃的變形受到了很大的限制，當溫升提高到一定的溫度時，玻璃由于相對變形過大而發(fā)生碎裂的情形。同樣條件下，鋼索初始預應力越大，玻璃越容易出現(xiàn)碎裂的情形。本文還計算獲得了不同節(jié)點約束模型火災下結(jié)構最大索力的變化情況，如圖 3 所示。對于最大索力來說，隨著溫度升高各索預應力均有較為明顯的松弛。當鋼索溫度低于 100 ℃時，鋼索松弛速度較緩；當鋼索溫度高于 100 ℃時，鋼索預應力的松弛速度明顯增快，初始預應力大的鋼索松弛速度大于初始預應力小的鋼索。而節(jié)點約束剛度較強的結(jié)構在火災高溫下鋼索預應力松弛速度相對要低于節(jié)點約束剛度較弱的結(jié)構。

    5、不同節(jié)點剛度下玻璃剛度貢獻分析

    當初始預應力為 60kN 時，在不同節(jié)點約束模型下，結(jié)構在火災升溫下的位移和最大索力隨溫度變化情況如圖 4-5 所示。此外，還通過對比分析進一步給出了玻璃對于單層索網(wǎng)玻璃幕墻結(jié)構火災下的剛度貢獻作用，如圖 6 所示。（玻璃剛度貢獻：（無玻璃索網(wǎng)撓度－考慮玻璃索網(wǎng)撓度）/無玻璃索網(wǎng)撓度）交叉耦合型節(jié)點（CPM1），由于節(jié)點剛度較弱，在升溫時能夠給予玻璃面板較大的變形能力，故玻璃剛度貢獻較��；但是隨著溫度升高，玻璃剛度貢獻一直較為穩(wěn)定。對于完全耦合型節(jié)點（CPM3）以及拉壓彈簧型節(jié)點中彈簧剛度較大的情形（k=105kN/mm），由于此類節(jié)點約束能力較強，當溫度較低時，玻璃剛度貢獻作用非常明顯。然而，隨著溫度升高，較強的節(jié)點約束能力限制了玻璃的變形，造成玻璃和索網(wǎng)變形不協(xié)調(diào)。因此，從結(jié)構抗火的角度出發(fā)，對于單層索網(wǎng)玻璃幕墻結(jié)構來說，節(jié)點約束剛度宜弱不宜強。

    6、結(jié)論

    1) 隨著溫度的升高，單層索網(wǎng)結(jié)構各計算模型的最大位移均不斷增大，但由于節(jié)點約束狀態(tài)的不同，位移呈現(xiàn)了明顯不同的變化形式。

    2) 從控制火災下結(jié)構變形，以防止玻璃碎裂對人員造成的傷害的角度來看，節(jié)點約束剛度較大反而在升溫下會加劇結(jié)構整體的變形；從結(jié)構抗火的角度出發(fā)，對于單層索網(wǎng)玻璃幕墻結(jié)構來說，節(jié)點約束剛度宜弱不宜強。

    3) 對于結(jié)構的最大索力來說，火災高溫下，節(jié)點約束剛度較強結(jié)構的索力的松弛速度相對要低于節(jié)點約束剛度較弱的結(jié)構。

    參考文獻

    [1] 玻璃建筑柔性支承體系的應用與研究[J]. 空間結(jié)構, 2002, 8 (2): 31-37.

    [2] Analysis on Integral Performance of Unit Glazing Curtain Wall Considering the Contributionof Glass Rigidity [J]. Advances in Structures, 2011, 163-167:2454-2458.

    [3]Numerical Simulation for Blast Analysis of Insulating Glass in a Curtain Wall[J]. Int.J. Comput. Methods Eng. Sci. Mech., 11(3):162-171.

    [4] 點支式柔性支承體系與玻璃面板共同作用的理論與實驗分析. 2008(4): 23-26.

[5]Mechanical Behavior of Glass Panels Supported by Clamping Joints in Cable Net

Facades[J]. Int. J. Steel Struct., 2012, 12(1):15-24.

    [6] 玻璃及節(jié)點約束對單層索網(wǎng)承載性能的影響[J]. 哈爾濱工業(yè)大學學報，2007, 39(8）: 1309-1313.

    [7] 點支式玻璃建筑單層索網(wǎng)柔性支承體系及其工程應用[J]. 工業(yè)建筑, 2005,35(372): 1-5.

    [8] 大空間鋼結(jié)構防火性能化設計與關鍵技術研究[A]. 第十五屆全國結(jié)構工程學術會議論文集[C]，第十五屆全國結(jié)構工程學術會議。