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点支式玻璃幕墙张拉索杆结构设计原理 免费猫

发布时间:2020-02-17 12:51:48 阅读: 来源:洗浴锅炉厂家

点支式玻璃幕墙张拉索杆结构设计原理

张拉索杆结构的预应力是其生命,张拉索杆结构预应力的建立是张拉索杆结构获得必要的结构刚度和形状稳定的必要措施。所谓预应力,一般指结构在承受外荷载前预先在结构中建立的初始应力。张拉索杆结构中的预应力是克服拉索初始缺陷长度(Lack of fit)产生的。所谓初始缺陷长度就是拉索的实际长度小于工作状态下几何长度,这一差值即为初始缺陷长度。施加预应力的过程,实际上是将具有初始缺陷长度的拉索通过张拉设备而使其强迫就位的过程。预应力产生的本质不是外力,而是初变位。由于传统的分析方法是将拉索的预张力作为外力参与结构分折,从而导致设计人员普遍认为结构中的预应力是外力的错误概念。预应力的数值应根据张拉索杆结构在各种可能的荷载情况下,任意一根钢索都不发生松弛,且保持一定大小的张力储备的原则,在实际设计中需要结合受载计算,经过试算、调整来确定。

张拉索杆结构中的预应力必须通过结构自身变位条件来维持,如果说张拉拉索是产生预应力的外在因素的话,那么能够通过变形协调条件来维持预应力的存在是产生预应力的内在因素。静定结构的内力可直接求解平衡方程得到,变位协调条件与杆件内力无关,这种性质决定了静定结构不能作为预应力结构。相比之下,超静定结构却不相同,超静结构杆件内力并不由平衡条件唯一确定,同时还取决于变形协调条件,这种性能决定了张拉索杆结构是超静定结构,同时又是预应力结构,这是维持张拉索杆件结构预应力在结构形式方面的要求。

张拉索杆结构的钢索不同于其他类型幕墙杆件,幕墙立柱在连接处切断后用芯管连接, 立柱在连接处调可用芯管调节温度变化后杆的伸长(缩短)。索在温度变化时杆会伸长(缩短),ΔL=L×α×ΔT,ΔT取使用阶段最高(低)气温与安装时温度差值。σT=α·E·ΔT , 索由于施加预应力使索绷紧,如果产生负温差将使索进一步缩短,即在预应力基础上添加温差应力,要使σ=σPO(I)+ σT≤fS ,如果产生正温差,将使钢索伸长放松,为保证索不松弛,要求正温差产生伸长量不得大于索由预应力产生的预计伸长值(初始缺陷长度)。

例如:L0=20000mm,安装时为300C, 使用时为00C,

ΔL=-300C ,σT=1.8×10-5×1.5×105×30=81N/mm2

如果索的张拉控制应力值取0.2fPTK fPTK=1250N/mm2

则σcon=250N/mm2 σL1=15N/mm2 σL2=12.5N/mm2

σL3=7.5 N/mm2 σPO(I)=250-15-12.5-7.5=215 N/mm2

σ=215+81=296N/mm2<1250/2.143=583.3N/mm2

如果安装时为00C ,使用时为300C, 索伸长 ΔL=20000×1.8×10-5×30=10.8mm,索由于施加预应力预计伸长量ΔL=250×20000/1.5×105=33.3mm>10.8mm,索不会松弛。

由于最大温差与最大水平作用同时发生的概率非常少,且其与预应力的组合的关系不同,因此只要温差效应与预应力的组合应力不大于索强度设计值,温差效应产生的索伸长量小于索由于预应力产生的预计伸长量,在效应组合时,不考虑温差效应。

张拉索杆结构的预应力在抗震设计时,按抗震设计的“三水准”设防来评估:

A.第一水准(众震)烈度。取重现周期为50年、超越概率为63%的地震作用。此时结构处于弹性状态。地震作用过程结束,结构将恢复原状,其地震作用引起的内力和变形消失;由于主体结构恢复原状对拉索的影响消失(索自行恢复原张拉状态即保持预定张拉预应力)。

B.第二水准(设防)烈度。取重现期为474年、超越概率为10%的地震作用。此时结构进入弹塑性阶段,但能修复使用。如果锚定结构有残余变形使索伸长(缩短)而影响索预应力,当采用可调索头时,在修复时可补充张拉到预定张拉预应力值。

C.第三水准(罕遇)烈度。取重现为1600~2500年、超越概率为2%~3%的地震作用。此时建筑严重破坏,但能避免倒塌,此时幕墙必然严重破坏,已无修复可能。

根据以上分析,地震作用对拉索预应力的影响:第一水准烈度对拉索没有明显影响,第二水准(设防)烈度,地震影响在使用可调索头时,补充张拉到预定值,即可恢复原定要求,第三水准烈度,主体结构和幕墙会严重损坏,考虑索的预应力已无意义。

还须指出索的预应力对水平作用产生的索的承载能力不会产生影响,即施加了预应力的索与未施加预应力的索的承载能力是相同的,加了较大预应力的索和加了较小预应力的索的承载能力是一样的。这样,预应力不参加荷载(作用)效应组合。

张拉索杆结构的稳定与预应力控制是张拉索杆结构设计、施工技术中的关键问题。张拉索杆结构和一般钢桁架不一样,从静力学角度分析,“Maxwell原理”指出:对有j个结点的结构体系必须有:

b≥3j-6个杆件才能使其成为几何不变体系,但是C.R.Calladine指出:存在小于“Maxwell原则”要求杆件数的稳定体系。这个体系保持几何稳定的特征是:

1.结构可以发生无穷小机构运动。

2.至少存在一个预应力模态,存在可刚化的自应力平衡体系。当此类结构中的杆件长度即将发生改变时,就会在节点上产生不平衡力,该不平衡力能使节点具有恢复初始位置的趋势,使结构趋于硬化。

实际上,“Maxwell原则”是结构在线性条件下处于几何不变的必须条件,而例外的情况在非线性条件下成立。一般钢桁架的稳定是靠其几何形状(例如“三角形稳定性”)和截面几何特征(截面积和壁厚)来实现的。张拉索杆结构即使均由三角形所组成,索截面也很大,不进行预应力控制也无法实现稳定。张拉索杆结构是柔性张拉结构,在没有施加预应力之前没有刚度,其形状也是不确定的,必须通过施加适当的预应力赋予其一定的形状,才能成为能承受外荷的结构。但不能认为预应力满足了始态的要求就算完成了任务(要满足始态的力系平衡,只要施加不太大的预应力就可以了),还要求预应力系统在终态(即张拉索杆结构承受最大设计水平作用时),任意一根索都不发生松弛,且保持一定大小的张力储备。

预应力控制贯穿在施工阶段和使用阶段的全过程。张拉索杆结构不仅要分析结构在使用阶段的受力特性,而且要考虑结构在施工阶段的力学问题,从一定意义上讲张拉索杆结构施工阶段的受力分析可能较使用阶段更重要。在施工过程中,如何按设计要求将预应力建立起来是结构成败的关键。工程施工中如何分析和计算由于施工设备、工艺水平、技术经济等方面的因素出现的力学问题显得非常重要,因此对张拉索杆结构进行全过程设计是非常必要的。

我们讨论预应力时一定要分清预应力张拉控制应力值σcon和有效预应力值σpo。虽然两者紧密相关,实际上可以说是相互依存的,但严格的区分,两者并非同义语,而有不同的内涵。因为钢索在张拉时所建立的预应力,从构件开始制作直到安装、使用各个过程不断降低,实际上这种应力值损失就是由于钢索回缩变形引起的,所有预估的预应力损失发生后,钢索中的应力降低到预估的最低值,就是有效预应力,即 σpo=σcon-ΣσL 。预应力张拉控制应力值和有效预应力值对张拉索杆结构的力系平衡都有十分重要的影响,要分别评估。张拉索杆结构在承受最大设计水平作用后,要求承力索截面最大设计应力值应等于或小于钢索强度设计值;稳定索截面的应力值应大于或等于零(即稳定索索长大于或等于下料长度,这时钢索不会发生松弛)。

特别要指出张拉索杆结构点支式玻璃幕墙要承受正风压和负风压,即承力索和稳定索角色要互换,这样每一根索的截 面应力都要控制在这个范围内。有效预应力值基本上随预应力张拉控制应力值同时(不一定同步)增减。因此确定预应力张拉控制应力值是首要的任务。对张拉索杆结构钢索预应力张拉控制是在预估各种预应力损失的基础上,在张拉时选择适当的预应力张拉控制应力值,预应力张拉控制应力值要根据作用在张拉索杆结构上的作用和钢索材料特点等多方面因素综合考虑后选用。

预应力张拉控制应力值决定了钢索的下料长度,这一长度是衡量张拉索杆结构变位后稳定索是否松弛的基准(即在张拉索杆结构变位后稳定索索长缩短的极限为不能小于钢索下料长度)。

预应力张拉控制应力值也是建立有效预应力值的基础。有效预应力值对张拉索杆结构的变形有直接影响,它们成反比例关系,有效预应力愈大,张拉索杆结构变形愈小,反之变形愈大。提高有效预应力值是减少张拉索杆结构变形、提高其刚度的重要手段。如果有效预应力太小,张拉索杆结构很快变位到稳定索松弛而失稳。不过有效预应力过大,就会增加锚定结构的负担,使主体结构构件截面加大,增加主体结构的造价,有时甚至可能使主体结构不堪负担。

调整(增大、减少)钢索截面对张拉索杆结构的刚度、稳定会有影响,但影响不大,且不经济,决定因素还是预应力控制。

索截面对张拉索杆结构稳定的影响 表9

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