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【 第一幕墙网 】
1、引言 柔性支承点支式玻璃幕墙中，玻璃参与结构承载[2-3]，且玻璃分格尺寸越大，支承体系的刚度越小，玻璃面板对其刚度贡献越大[4]。火灾条件下，由于高强度钢索的弹性模量和屈服强度明显降低，结构整体受力性能发生明显改变。同时，玻璃通过连接件和柔性支撑结构连接，节点刚度对结构整体受力性能有重要影响[5]。本文将致力于研究玻璃与钢索之间连接节点刚度对火灾下整体受力性能的影响作用。 2、节点约束刚度模型 我国学者给出了交叉耦合、拉压弹簧和完全耦合三种节点约束刚度模型[6-7]，如图 1 所示。本文将在这三种节点约束模型的基础上，通过数值模拟来研究节点约束刚度对结构火灾下整体受力性能的影响。  3、数值计算模型 单层索网结构分析模型中索网尺寸为 15 m×15 m，玻璃分格的网格尺寸为1.5 m×1.5 m，横、竖索均采用 φ16 钢绞线，截面面积 A＝151 mm2，玻璃为单层玻璃，厚度 10mm。支座取固定端，幕墙连接件自重取 0.2 kN/m2，水平荷载为垂直于玻璃面板的均布荷载 1.0 kN/m2。 利用 ANSYS 软件建立计算模型，钢索采用 LINK10 单元模拟，玻璃面板采用SHELL181单元模拟，拉压弹簧采用 COMBIN14 单元模拟。高强钢索和玻璃面板均按线弹性材料考虑，且钢索按均匀升温进行计算[8]，当索中应力高于当时温度下钢索的屈服强度时，认为钢索破坏。索网初始温度为室温 20 ℃，均匀升温至 600 ℃，同一个计算模型中，索网横索与竖索均施加相同大小的初始预应力，预应力取 40 kN～140 kN 之间。  4、不同节点刚度对位移影响 计算得到了单层索网结构各节点约束模型火灾升温下最大位移随温升的变化情况，如图 2 所示。当节点约束模型为交叉耦合或是拉压弹簧，且弹簧刚度较小时（k=104kN/mm），位移随温度的变化曲线与不考虑玻璃作用时的变化曲线走势相似，表明这两种节点约束模型的约束作用相对较弱，玻璃对火灾下结构的整体刚度贡献较小。当节点约束模型为完全耦合或是拉压弹簧，且弹簧刚度较大时（k=105kN/mm），玻璃刚度的影响显著增加，火灾下的结构位移明显减小，表明由于玻璃在高温下力学性能下降较钢材小，因而对整体位移有明显的限制作用。但是，由于玻璃与钢索连接刚度很大，玻璃的变形受到了很大的限制，当温升提高到一定的温度时，玻璃由于相对变形过大而发生碎裂的情形。同样条件下，钢索初始预应力越大，玻璃越容易出现碎裂的情形。本文还计算获得了不同节点约束模型火灾下结构最大索力的变化情况，如图 3 所示。对于最大索力来说，随着温度升高各索预应力均有较为明显的松弛。当钢索温度低于 100 ℃时，钢索松弛速度较缓；当钢索温度高于 100 ℃时，钢索预应力的松弛速度明显增快，初始预应力大的钢索松弛速度大于初始预应力小的钢索。而节点约束刚度较强的结构在火灾高温下钢索预应力松弛速度相对要低于节点约束刚度较弱的结构。 5、不同节点刚度下玻璃刚度贡献分析 当初始预应力为 60kN 时，在不同节点约束模型下，结构在火灾升温下的位移和最大索力随温度变化情况如图 4-5 所示。此外，还通过对比分析进一步给出了玻璃对于单层索网玻璃幕墙结构火灾下的刚度贡献作用，如图 6 所示。（玻璃刚度贡献：（无玻璃索网挠度－考虑玻璃索网挠度）/无玻璃索网挠度）交叉耦合型节点（CPM1），由于节点刚度较弱，在升温时能够给予玻璃面板较大的变形能力，故玻璃刚度贡献较小；但是随着温度升高，玻璃刚度贡献一直较为稳定。对于完全耦合型节点（CPM3）以及拉压弹簧型节点中弹簧刚度较大的情形（k=105kN/mm），由于此类节点约束能力较强，当温度较低时，玻璃刚度贡献作用非常明显。然而，随着温度升高，较强的节点约束能力限制了玻璃的变形，造成玻璃和索网变形不协调。因此，从结构抗火的角度出发，对于单层索网玻璃幕墙结构来说，节点约束刚度宜弱不宜强。 6、结论 1) 随着温度的升高，单层索网结构各计算模型的最大位移均不断增大，但由于节点约束状态的不同，位移呈现了明显不同的变化形式。 2) 从控制火灾下结构变形，以防止玻璃碎裂对人员造成的伤害的角度来看，节点约束刚度较大反而在升温下会加剧结构整体的变形；从结构抗火的角度出发，对于单层索网玻璃幕墙结构来说，节点约束刚度宜弱不宜强。 3) 对于结构的最大索力来说，火灾高温下，节点约束刚度较强结构的索力的松弛速度相对要低于节点约束刚度较弱的结构。 参考文献 [1] 玻璃建筑柔性支承体系的应用与研究[J]. 空间结构, 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] 点支式柔性支承体系与玻璃面板共同作用的理论与实验分析. 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] 玻璃及节点约束对单层索网承载性能的影响[J]. 哈尔滨工业大学学报，2007, 39(8）: 1309-1313. [7] 点支式玻璃建筑单层索网柔性支承体系及其工程应用[J]. 工业建筑, 2005,35(372): 1-5. [8] 大空间钢结构防火性能化设计与关键技术研究[A]. 第十五届全国结构工程学术会议论文集[C]，第十五届全国结构工程学术会议。 |
