第 1 章 绪 论
1.1 引言
在经济腾飞社会高速发展的今天，物质水平生活条件不短提高，逐渐地人们对建筑物的居住要求和使用要求也在不断的提高。对于外围护结构或者隔墙，人们不再满足于原来的传统做饭，人们想在室内就可以轻而易举的欣赏到建筑物以外的美景，逐渐的玻璃这种材料就进入了人们的世界。由于玻璃的通透性能良好，透过玻璃阳光可以轻而易举的照进室内，使人们可以很好的欣赏到室外的景观，建筑物的室内外景色很好的叠合在了一起。点支式玻璃幕墙其实是在近几十年才得到较好的发展，在后工业时代的末期玻璃幕墙产业才慢慢兴起发展起来。在 20 世纪末期，点支式玻璃幕墙技术出现在了建筑物的设当中。从此，点支式玻璃幕墙开始风靡建筑界，其中国家大剧院、巴黎罗浮宫的玻璃金字塔、上海大剧院和新保利大厦等，都是玻璃幕墙结构的杰出代表作品。在我国，建筑行业飞速发展，极其迅猛，玻璃幕墙在现代建筑的外围护结构中占据了主导地位。在大概一九八几年我国开始引进点支式玻璃幕墙作为建筑物的外围护结构，经过将近 30 年的发展，玻璃幕墙技术得到了很大的发展提高，并且应用在了很多标志性建筑中。单层平面索网玻璃幕墙属于预应力索结构幕墙。幕墙支撑结构通过预应力索或者钢绞线构成，玻璃板通过爪件与索网相连，支撑在索结构上，从而形成一个整体，构成完整的玻璃幕墙。预应力索结构玻璃幕墙是现代新兴的一种外围护结构，以其诸多优点得到了广泛的应用，发展前景广阔。然而因为有诸多缘故，玻璃幕墙技术显著的跟不上实际生活中玻璃幕墙的出产以及应用，体现在下列几个角度：以前的老思想以为玻璃幕墙不是主体承重结构，属于主体结构的从属结构，不承受什么荷载，所以对玻璃幕墙很少进行理论方面的分析和研究。然而实际上，在不少情况下，玻璃幕墙的受力情况非常繁琐，与此同时生产玻璃幕墙又飞速发展，因此造成了理论方面的滞后。当对玻璃面板进行分析研究的时候，没有相应的理论作为指导，只是将薄板理论简易的套用其上，地震分析和风荷载分析都很少，没有很好的相关公式用于工程当中。虽然我国较早的使用了玻璃幕墙，但是直到 1996 年年底我国草颁布了第一部《玻璃幕墙工程技术规范》（JGJ102-96）。
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1.2 玻璃幕墙概述
单层索网玻璃幕墙是由预应力索和相应主体结构形成支撑结构，利用玻璃爪件将玻璃连接在预应力索网上，然后共同组成整体结构。点支式玻璃幕墙的组成主要有一下几种构件：(1）支承结构。在整体的点支式玻璃幕墙中，玻璃板和连接爪件固定在预应力索上，预应力索将玻璃板和主体构造连接起来形成整体，支撑结构还将玻璃面板所承受的荷载传递给柱体结构，玻璃幕墙的刚度由支撑结构确定。支撑结构是玻璃幕墙的主要受力结构。（2）金属连接件。玻璃爪件和扣件(钢爪、爪座）是构成点支式玻璃幕墙衔接结构的主要构件。连接件一般采用不锈钢经机械加工而成，固定件通常情况下用普钢或者不锈钢铸件。由于金属之间具有相容性的特点，连接结构要采用相同或相近的材料。连接件将玻璃与支撑构件连接在一起，连接件可以有少许误差以此来满足构件安装时的偏差。(3）玻璃面板。点支式玻璃幕墙要想安装在支撑结构上，就要在玻璃板的四个角上钻孔以满足安装。但是玻璃面板在使用过程中会受到自重，风荷载以及地震作用，钻孔之后会在钻孔处出现应力集中现象从而降低玻璃的承载力。为了提高其承载力，人们开始采用钢化玻璃来满足使用要求。钢化玻璃板不但强度比普通的玻璃高很多，而且在破坏时只产生比较圆滑的玻璃渣，以至于玻璃幕墙安全性得以提高。在人群比较稠的地方适宜使用钢化玻璃，中空玻璃对房屋的保温由很大的帮助。（4）密封材料。玻璃的密封通常采用硅酮耐候胶，金属结构与玻璃之间的粘结要使用硅酮结构胶。根据点支式玻璃幕墙的结构特点，其密封胶只起到密封作用，不考虑密封胶在受力上的作用。
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第 2 章 试验研究
2.1 引言
试验设计了一面平面尺寸为 6m×4m 的点支式单层索网玻璃幕墙，进行预应力索不同损伤程度下的静力性能研究，主要研究其在风荷载下性能变化情况，考察不同的索预应力损失对玻璃幕墙的影响，找出规律，为单层索网幕墙的修复加固提供依据。
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2.2 试件的设计与制作
试件轴线尺寸为 6m×4m，6×4 网格；预应力索采用公称直径为 14mm 的不锈钢绞线，破断拉力 108KN，钢绞线初始预应力施加 24KN；玻璃规格为 8mm+1.52pvb+8mm 的钢化夹胶玻璃，玻璃尺寸分三个规格，中间网格的玻璃尺寸为 0.98m×0.98m，边缘玻璃尺寸 0.98m×0.8m，角部玻璃尺寸 0.8m×0.8m；爪件采用浮头式 220 不锈钢爪件；外框架结构采用箱型截面钢梁。玻璃幕墙平面尺寸图见图 1。玻璃幕墙整体放在四根钢柱上，柱子采用北京建筑大学结构实验室现有的焊接型钢截面柱。框架梁间连接采用焊接连接，在型钢翼缘上对应于拉索的位置开直径 20mm 孔，使钢绞线可穿过并固定，开孔处边缘焊接 20mm 厚加劲肋以提高刚度。所有钢构件采用 Q235 钢。每跟钢绞线的一端设有力传感器来监测索力大小。横索和竖索通过压块连接在一起，试验开始时要调节索力以达到工况要求，调节索力时将压块松开，以使纵横索互不影响，在调整完索力之后在紧固压块。索和外边框的连接要通过在外边框上钻孔，索通过钻孔穿过框架，再用螺母将其固定在框架上，索力大小是通过螺母来调节，索的另一端布置力传感器来监测索力大小。玻璃和索通过爪件和紧固件连接在一起，紧固件端部是球铰，有一定的转动角度，可以有效的减小玻璃局部应力集中。考虑到试件尺寸比较大，可以将试件的各构件分散运输至试验室，再进行组装。外框架梁及柱要提前焊接完成，最后在试验室完成拼装焊接。玻璃幕墙安装过程为先焊接四根钢梁，焊接成整体框架，然后再穿预应力索，穿索时要将穿心式压力传感器固定在索的一端，穿好预应力索之后开始施加预应力，施加预应力时先用千斤顶拉紧预应力索，然后再拧紧螺母，施加预应力过程中，索力大小由压力传感器检测并传至电脑终端。预应力施加完毕后，安装压块及爪件，爪件安装完毕即可安装玻璃，玻璃安装完成调平之后打密封胶。
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第 3 章 ANSYS 数值模拟 ............. 52
3.1 引言 ....... 52
3.2 ANSYS 简介 .... 52
3.3 ANSYS 有限元模型的建立........... 52
3.3.1 有限元模型单元选择 ............ 52
3.3.2 模型建立 ............ 53
3.3.3 结果分析 ............ 54
3.4 小结....... 62
第 4 章 基于 ANSYS 的包商银行商务大厦大空间预应力索结构计算.........63
4.1 工程概况 ......... 63
4.2 荷载计算 ......... 63
4.3 有限元计算模型 ....... 63
4.4 结果分析 ......... 65
4.5 小结....... 71
第 4 章 基于 ANSYS 的包商银行商务大厦大空间预应力索结构计算
4.1 工程概况
包商银行商务大厦位于内蒙古自治区第二大城市包头市，具体地点位于包头市青山区建设路与建华路交叉口，紧邻包头市国际会展中心。包商银行商务大厦是包头市政府重点关注项目，是包头市在建的标志性建筑。包商银行商务大厦总共包括三栋楼，其中 A 座总高度最高，一共 27 层，A 座顶层西侧和北侧采用了预应力单层索网玻璃幕墙结构作为外围护结构，幕墙总体呈现出一个 L 型外形。幕墙顶端通过预应力拉索固定于楼层顶部的钢桁架上的耳板上，下端固定于预埋在钢筋混凝土梁上的钢耳板上。幕墙顶部标高 126.2m，底部标高108.2m，总高度 18m，西侧幕墙长度为 44m，北侧幕墙长度 29.5m。预应力索包括CS1（D80）和 CS2（D60）两种索，其中 CS1 索 3 根，安装在幕墙拐角处，CS2 索48 根，安装在其余位置，幕墙总共 51 根预应力索。ANSYS 有限元计算模型中，预应力索采用 LINK10 单元，玻璃幕墙顶部钢桁架、底部混凝土梁和玻璃爪件采用 BEAM188 单元，玻璃面板采用 SHELL63 单元。有限元分析过程中考虑幕墙的几何大变形和非线性性能，模型分为两种，一种是不考虑玻璃的作用，即没有玻璃的纯索网；另一种是安装玻璃的索网幕墙。
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结 论
从位移分析上可以得到，位于玻璃幕墙中间部位的索预应力损失后对玻璃幕墙位移的影响比较大，而位于边缘部位的索预应力损失对玻璃幕墙的跨中位移影响较小，即越靠近中间位置的索对幕墙的影响越大，越靠近边缘位置的索对幕墙的影响越小。在跨中部位，短跨方向的索比长跨方向的索对玻璃幕墙的影响更大，长跨方向边缘位置索预应力的损失对玻璃幕墙的影响比短跨方向边缘位置索的影响大从索力分析可以得到，不论是长跨方向索预应力损失还是短跨方向预应力损失，对其相邻的索的影响是最大的。长跨边位置索预应力损失对短垮接近边位置的索的影响也较明显。短跨方向边缘位置索或者中间位置索预应力损失对长跨方向中间位置索影响也比较明显。短跨中间位置索预应力损失对其相邻的两边的索影响最大，其次是影响长跨中间位置的索。短跨跨中和长跨跨中索始终是主要的受力索。当玻璃幕墙承受很大的风荷载，面外最大位移超过跨度的 1/50 达到 1/45 的时候，幕墙还是能正常工作，当荷载消失后幕墙仍然能恢复到原来状态，没有损伤。各工况下的振型图没有明显区别，但是不管是索网幕墙中哪根索预应力损失，索网幕墙的各阶振型的频率值会逐渐变小，索预应力损失越多，各阶阵型的频率值越低。有限元软件 ANSYS 对试验模型单层索网玻璃幕墙的模拟是可靠的，可以利用ANSYS 对实际模型进行计算，并得到很好的结果。在 ANSYS 对玻璃幕墙进行静力模拟中，得到结论：位于玻璃幕墙中间部位的索预应力损失后对玻璃幕墙位移的影响比较大，而位于边缘部位的索预应力损失对玻璃幕墙的跨中位移影响较小，即越靠近中间位置的索对幕墙的影响越大，越靠近边缘位置的索对幕墙的影响越小。在 ANSYS 对玻璃幕墙进行模态分析中，得到结论：长跨靠近中间位置的索对玻璃幕墙刚度的影响比长跨边缘位置索影响大；短跨方向上靠近中间位置的索对玻璃幕墙刚度的影响比短跨边缘位置索影响大；越多索损失预应力，玻璃幕墙刚度损失越大，频率降低越多。
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参考文献（略）