火災(zāi)下單層索網(wǎng)玻璃幕墻 節(jié)點(diǎn)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(gòu)采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力拉索體系，可以實(shí)現(xiàn)大空間建筑所需的通透、美觀的要求，且構(gòu)造簡單、施工方便，代表著大尺寸幕墻結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展趨勢[1]。

    柔性支承點(diǎn)支式玻璃幕墻中，玻璃參與結(jié)構(gòu)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(xiàn)越大[4]�；馂�(zāi)條件下，由于高強(qiáng)度鋼索的彈性模量和屈服強(qiáng)度明顯降低，結(jié)構(gòu)整體受力性能發(fā)生明顯改變。同時(shí)，玻璃通過連接件和柔性支撐結(jié)構(gòu)連接，節(jié)點(diǎn)剛度對結(jié)構(gòu)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(diǎn)剛度對火災(zāi)下整體受力性能的影響作用。

    2、節(jié)點(diǎn)約束剛度模型

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

    3、數(shù)值計(jì)算模型

    單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)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(jì)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(qiáng)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(jìn)行計(jì)算[8]，當(dāng)索中應(yīng)力高于當(dāng)時(shí)溫度下鋼索的屈服強(qiáng)度時(shí)，認(rèn)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(gè)計(jì)算模型中，索網(wǎng)橫索與豎索均施加相同大小的初始預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力取 40 kN～140 kN 之間。

    4、不同節(jié)點(diǎn)剛度對位移影響

    計(jì)算得到了單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)約束模型火災(zāi)升溫下最大位移隨溫升的變化情況，如圖 2 所示。當(dāng)節(jié)點(diǎn)約束模型為交叉耦合或是拉壓彈簧，且彈簧剛度較小時(shí)（k=104kN/mm），位移隨溫度的變化曲線與不考慮玻璃作用時(shí)的變化曲線走勢相似，表明這兩種節(jié)點(diǎn)約束模型的約束作用相對較弱，玻璃對火災(zāi)下結(jié)構(gòu)的整體剛度貢獻(xiàn)較小。當(dāng)節(jié)點(diǎn)約束模型為完全耦合或是拉壓彈簧，且彈簧剛度較大時(shí)（k=105kN/mm），玻璃剛度的影響顯著增加，火災(zāi)下的結(jié)構(gòu)位移明顯減小，表明由于玻璃在高溫下力學(xué)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(dāng)溫升提高到一定的溫度時(shí)，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(yù)應(yīng)力越大，玻璃越容易出現(xiàn)碎裂的情形。本文還計(jì)算獲得了不同節(jié)點(diǎn)約束模型火災(zāi)下結(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)力均有較為明顯的松弛。當(dāng)鋼索溫度低于 100 ℃時(shí)，鋼索松弛速度較緩；當(dāng)鋼索溫度高于 100 ℃時(shí)，鋼索預(yù)應(yīng)力的松弛速度明顯增快，初始預(yù)應(yīng)力大的鋼索松弛速度大于初始預(yù)應(yīng)力小的鋼索。而節(jié)點(diǎn)約束剛度較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)在火災(zāi)高溫下鋼索預(yù)應(yīng)力松弛速度相對要低于節(jié)點(diǎn)約束剛度較弱的結(jié)構(gòu)。

    5、不同節(jié)點(diǎn)剛度下玻璃剛度貢獻(xiàn)分析

    當(dāng)初始預(yù)應(yīng)力為 60kN 時(shí)，在不同節(jié)點(diǎn)約束模型下，結(jié)構(gòu)在火災(zāi)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(jìn)一步給出了玻璃對于單層索網(wǎng)玻璃幕墻結(jié)構(gòu)火災(zāi)下的剛度貢獻(xiàn)作用，如圖 6 所示。（玻璃剛度貢獻(xiàn)：（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(diǎn)（CPM1），由于節(jié)點(diǎn)剛度較弱，在升溫時(shí)能夠給予玻璃面板較大的變形能力，故玻璃剛度貢獻(xiàn)較��；但是隨著溫度升高，玻璃剛度貢獻(xiàn)一直較為穩(wěn)定。對于完全耦合型節(jié)點(diǎn)（CPM3）以及拉壓彈簧型節(jié)點(diǎn)中彈簧剛度較大的情形（k=105kN/mm），由于此類節(jié)點(diǎn)約束能力較強(qiáng)，當(dāng)溫度較低時(shí)，玻璃剛度貢獻(xiàn)作用非常明顯。然而，隨著溫度升高，較強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)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(gòu)抗火的角度出發(fā)，對于單層索網(wǎng)玻璃幕墻結(jié)構(gòu)來說，節(jié)點(diǎn)約束剛度宜弱不宜強(qiáng)。

    6、結(jié)論

    1) 隨著溫度的升高，單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)各計(jì)算模型的最大位移均不斷增大，但由于節(jié)點(diǎn)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(zāi)下結(jié)構(gòu)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(diǎn)約束剛度較大反而在升溫下會加劇結(jié)構(gòu)整體的變形；從結(jié)構(gòu)抗火的角度出發(fā)，對于單層索網(wǎng)玻璃幕墻結(jié)構(gòu)來說，節(jié)點(diǎn)約束剛度宜弱不宜強(qiáng)。

    3) 對于結(jié)構(gòu)的最大索力來說，火災(zāi)高溫下，節(jié)點(diǎn)約束剛度較強(qiáng)結(jié)構(gòu)的索力的松弛速度相對要低于節(jié)點(diǎn)約束剛度較弱的結(jié)構(gòu)。

    參考文獻(xiàn)

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

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

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

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    [8] 大空間鋼結(jié)構(gòu)防火性能化設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)研究[A]. 第十五屆全國結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會議論文集[C]，第十五屆全國結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會議。