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點(diǎn)支式幕墻索桁架支承結(jié)構(gòu)安全性檢測(cè)方法

文檔作者：左勇志1 魯巧稚2 劉育民1 霍達(dá)2 鄭敬杰1 文檔來(lái)源： 1 北京市建筑工程研究院 2 北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年05月16日
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第43 卷第2 期
2013 年1 月下
建筑結(jié)構(gòu)
Building Structure
Vol． 43 No． 2
Jan． 2013
點(diǎn)支式幕墻索桁架支承結(jié)構(gòu)安全性檢測(cè)方法
左勇志1 ， 魯巧稚2 ， 劉育民1 ， 霍達(dá)2 ， 鄭敬杰1
( 1 北京市建筑工程研究院，北京100039; 2 北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京100124)
［摘要］ 點(diǎn)支式幕墻的檢測(cè)方法的缺乏使得點(diǎn)支式幕墻的安全性鑒定工作成為一個(gè)難題。預(yù)應(yīng)力索桁架體系是
點(diǎn)支式玻璃幕墻支承結(jié)構(gòu)的典型形式。對(duì)玻璃幕墻各種損傷因素進(jìn)行了總結(jié)，包括連接件失效、聯(lián)系桿損壞、拉索
預(yù)應(yīng)力損失、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)偏差和錨固端損傷，并在此基礎(chǔ)上提出一種對(duì)幕墻索桁架支承體系安全性進(jìn)行檢測(cè)的方法。
以某幕墻工程為例，從各種損傷因素的角度對(duì)幕墻工程的現(xiàn)狀進(jìn)行了檢測(cè)，建立有限元計(jì)算模型進(jìn)行承載能力分
析并對(duì)幕墻安全性做出評(píng)估，驗(yàn)證了該方法的可行性。
［關(guān)鍵詞］ 點(diǎn)支式幕墻; 索桁架; 檢測(cè); 有限元分析
中圖分類號(hào): TU351，TU394 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 1002-848X( 2013) 02-0045-03
Safety detection of cable truss support system in point-supporting curtain walls
Zuo Yongzhi1 ，Lu Qiaozhi2 ，Liu Yumin1 ，Huo Da2 ，Zheng Jingjie1
( 1 Beijing Building Construction Research Institute，Beijing 100039，China;
2 College of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)
Abstract: The shortage of detection method for point-supporting curtain walls makes the evaluation of the safety of these
curtain walls very difficult． Prestressed cable truss system is a typical supporting form in point-supporting curtain walls．
Damage factors to glass curtain walls were summarized，including connector failure，compression bar damage，cable prestress
loss，offset of node coordinate and cable anchorage failure． On the basis of these factors，a safety detection method of cable
truss system for curtain walls was proposed． Taking one curtain wall project as an example，the present situation of the curtain
wall was detected according to various damage factors，a finite element model was founded to analyze its bearing capacity and
the safety of the curtain wall was also evaluated，which verified the feasibility of the method．
Keywords: point-supporting curtain wall; cable truss; detection; finite element analysis
作者簡(jiǎn)介: 左勇志，博士，高級(jí)工程師，Email: zuoyongzhi@ tsinghua．
org． cn。
0 前言
支承結(jié)構(gòu)是點(diǎn)支式玻璃幕墻的重要組成部分，
而索桁架支承結(jié)構(gòu)則是點(diǎn)支式玻璃幕墻支承結(jié)構(gòu)中
最具代表性、也是應(yīng)用最廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式［1］。
隨著建筑物的使用，支承結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性會(huì)
受到各種損傷因素的威脅?！恫Ａ粔こ碳夹g(shù)規(guī)
范》( JGJ 102—2003) ［2］( 簡(jiǎn)稱幕墻規(guī)范) 規(guī)定“玻璃
幕墻在正常使用時(shí)，每隔5 年應(yīng)進(jìn)行一次全面檢
查”。近年來(lái)，美國(guó)已經(jīng)開(kāi)展了對(duì)幕墻工程使用壽
命方面的研究; 我國(guó)也在對(duì)幕墻檢測(cè)與評(píng)估工作進(jìn)
行大量研究的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出了一大批新工藝、新方
法。國(guó)內(nèi)外的研究成果均為玻璃幕墻的安全性鑒定
工作提供了強(qiáng)有力的理論支持與技術(shù)保障。然而，
現(xiàn)有的研究成果及研究工作大多集中于對(duì)框架式幕
墻的研究，而點(diǎn)支式幕墻這種新興的、但已開(kāi)始被廣
泛應(yīng)用的幕墻形式卻很少受到關(guān)注。本文提出一套
點(diǎn)支式幕墻索桁架支承結(jié)構(gòu)的檢測(cè)方法，能夠科學(xué)、
準(zhǔn)確地對(duì)點(diǎn)支式幕墻索桁架支承結(jié)構(gòu)的安全性做出
評(píng)判。
1 索桁架支承結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)
點(diǎn)支式玻璃幕墻的支承結(jié)構(gòu)可分為桿系體系和
索桿體系兩種。桿系體系由剛性構(gòu)件組成，索桿體
系是由拉索、拉桿和剛性構(gòu)件等組成的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)
體系。索桁架體系是索桿體系的一種，常見(jiàn)的索桁
架形式如圖1 所示。
圖1 索桁架形式
預(yù)應(yīng)力索桁架結(jié)構(gòu)屬柔性張拉結(jié)構(gòu)，在施加預(yù)
應(yīng)力之前沒(méi)有剛度，其形狀也不能確定。對(duì)拉索施
加適當(dāng)?shù)念A(yù)拉力后結(jié)構(gòu)形成一定的形狀，才能夠承
受外荷載的作用。由于索中的初始張拉力在抵抗水
平力時(shí)所起的作用很小，所以索中初始應(yīng)力值無(wú)需
很大，但索中必須具有一定的初始張拉力，以保證整
建筑結(jié)構(gòu)2013 年
個(gè)索桁架在工作的全過(guò)程中始終處于張緊狀態(tài)，不
致出現(xiàn)索變松下垂的現(xiàn)象［3］。
索桁架支承結(jié)構(gòu)一般由前受力索、后受力索、承
重索、穩(wěn)定索及聯(lián)系桿構(gòu)成。承重索主要承受幕墻
玻璃及自身連接件的重量。前、后受力索主要承受
水平方向的正負(fù)風(fēng)壓及地震作用，在不受水平荷載
時(shí)，處于自平衡狀態(tài)，一旦承受水平的節(jié)點(diǎn)力( 如風(fēng)
荷載、地震作用) ，拉索就會(huì)產(chǎn)生變形，一側(cè)拉索進(jìn)
一步張緊，另一側(cè)拉索則同時(shí)放松，前、后受力索中
的內(nèi)力在水平方向的投影不再平衡，兩者的差值用
以平衡節(jié)點(diǎn)水平荷載。為保證索桁架平面外的穩(wěn)定
性，在索桁架主要受力方向的正交方向還應(yīng)布置一
定數(shù)量的穩(wěn)定索［4，5］。
2 索桁架支承結(jié)構(gòu)的損傷因素［6］
( 1) 連接件失效
連接件對(duì)拉索起鎖緊定位的作用，防止索在受
力時(shí)產(chǎn)生滑移。由于不斷有循環(huán)往復(fù)的力在拉索中
通過(guò)連接件進(jìn)行傳遞，連接件中擰緊螺母產(chǎn)生的預(yù)
緊力會(huì)發(fā)生損失，從而導(dǎo)致拉索在連接節(jié)點(diǎn)處發(fā)生
滑移。
( 2) 聯(lián)系桿的損壞
作為索桁架結(jié)構(gòu)中的受壓構(gòu)件，聯(lián)系桿對(duì)于整
個(gè)支承體系的承載力及穩(wěn)定性都起著至關(guān)重要的作
用，桿件的變形、銹蝕會(huì)降低其自身的承載性能，從
而影響支承結(jié)構(gòu)的整體安全性。
( 3) 錨固端損傷
索桁架支承體系中每根索都是通過(guò)端部錨具固
定在主體結(jié)構(gòu)上，錨固端是整個(gè)支承體系工作的基
礎(chǔ)。鋼索內(nèi)的預(yù)拉力和受荷載所產(chǎn)生的應(yīng)力都要通
過(guò)錨固端傳到主體結(jié)構(gòu)上，錨固端起著重要的定位、
連接、傳力作用。錨固端損傷包括錨具損傷與主體
結(jié)構(gòu)變形。
( 4) 索的預(yù)應(yīng)力損失
預(yù)應(yīng)力在保證索桁架支承結(jié)構(gòu)的剛度中扮演著
極為重要的角色，索預(yù)應(yīng)力損失可能導(dǎo)致拉索松弛
下垂，退出工作，從而破壞支承結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。
( 5) 節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的偏差
幕墻使用過(guò)程中受到各種荷載的作用，節(jié)點(diǎn)會(huì)
產(chǎn)生一定的偏移，節(jié)點(diǎn)位移過(guò)大會(huì)導(dǎo)致索桁架支承
結(jié)構(gòu)的承載性能受到較大影響。
3 索桁架支承結(jié)構(gòu)安全性檢測(cè)方法
在對(duì)索桁架支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性評(píng)定時(shí)應(yīng)充分
考慮各損傷因素的影響。對(duì)于索桁架這種柔性支承
結(jié)構(gòu)，各種索及聯(lián)系桿通過(guò)連接件形成一個(gè)整體，局
部損傷可能會(huì)導(dǎo)致索網(wǎng)整體的承載性能受到影響。
對(duì)局部構(gòu)件質(zhì)量的判斷都可以在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中實(shí)現(xiàn)，
而對(duì)支承結(jié)構(gòu)整體性能的把握則須借助有限元軟件
進(jìn)行模擬分析。因此，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)及軟件模
擬計(jì)算，索桁架支承結(jié)構(gòu)安全性檢測(cè)的步驟如下。
( 1) 現(xiàn)場(chǎng)利用全站儀對(duì)支承體系主要節(jié)點(diǎn)的坐
標(biāo)進(jìn)行定位，檢查構(gòu)件實(shí)際位置與設(shè)計(jì)位置的偏差;
利用索力測(cè)定儀測(cè)定索桁架每段索的索力值，同時(shí)
觀察鋼絞線有無(wú)斷絲、銹蝕; 檢查聯(lián)系桿有無(wú)變形、
銹蝕; 檢查連接件有無(wú)松動(dòng)、銹蝕; 檢查錨固端有無(wú)
損傷。
( 2) 參照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行建模，如有偏差大的節(jié)
點(diǎn)則須對(duì)其坐標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)修正，如有損壞嚴(yán)重的構(gòu)
件也應(yīng)對(duì)其參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整( 如因銹蝕造成的
鋼管壁厚的減小) ，使其接近工程實(shí)際情況。
( 3) 在模型中設(shè)定、調(diào)整索的預(yù)應(yīng)力值，使索力
的理論計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值在同樣工況下達(dá)到較好
地吻合。
( 4) 對(duì)模型進(jìn)行各種可能工況的加載，得出結(jié)
構(gòu)在荷載作用下的應(yīng)力、撓度值，從而判定支承體系
是否符合穩(wěn)定性的要求。
( 5) 若支承結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿足要求，則可以繼續(xù)
保持結(jié)構(gòu)的原有狀態(tài)不做調(diào)整; 若穩(wěn)定性不滿足要
求則須重新確定索的預(yù)應(yīng)力值，反復(fù)試算，直至支承
結(jié)構(gòu)符合穩(wěn)定性要求，最后在現(xiàn)場(chǎng)依照新的預(yù)應(yīng)力
值對(duì)拉索進(jìn)行張拉調(diào)整。
4 工程檢測(cè)實(shí)例
4. 1 工程概況
北京市某中心大樓幕墻總高度32. 9m，總寬度
28. 8m，采用預(yù)應(yīng)力雙魚腹索桁架支承結(jié)構(gòu)，索桁架
水平布置。幕墻縱向布置兩根抗風(fēng)桁架柱，將結(jié)構(gòu)
分成三等跨，橫向布置一抗風(fēng)桁架梁，頂部為空間封
口桁架，下部入口上方設(shè)有一個(gè)雨篷。每塊玻璃分
格處設(shè)置豎向拉索承受玻璃及幕墻結(jié)構(gòu)自重，索桁
架魚腹處設(shè)置豎向穩(wěn)定索，以保證索桁架平面外的
穩(wěn)定性。該幕墻工程所用拉索全部為14 不銹鋼
拉索，鋼桁架支承體系所用鋼材均為Q345 鋼管，橫
向抗風(fēng)桁架梁所用鋼管為146 × 10，縱向抗風(fēng)桁架
柱所用鋼管為245 × 14，頂部封口桁架所用鋼管為
159 × 10。該幕墻立面如圖2 所示，每跨索桁架平
面尺寸如圖3 所示。
4. 2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)
幕墻拉索無(wú)斷絲現(xiàn)象，錨固端與主體結(jié)構(gòu)連接
良好，連接件及聯(lián)系桿有少許銹蝕。用全站儀對(duì)幕
墻鋼桁架支承體系節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行定位測(cè)量，檢測(cè)結(jié)
果表明，鋼桁架支承體系節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)基本準(zhǔn)確。
46
第43 卷第2 期左勇志，等． 點(diǎn)支式幕墻索桁架支承結(jié)構(gòu)安全性檢測(cè)方法
圖2 支承結(jié)構(gòu)立面
圖3 單跨索桁架平面尺寸
現(xiàn)場(chǎng)采用便攜式索力測(cè)定儀對(duì)幕墻拉索的索力
進(jìn)行全數(shù)測(cè)定，檢測(cè)結(jié)果顯示，幕墻承重索索力由下
到上均勻增大，且各索索力平均值比較接近。水平
索節(jié)點(diǎn)兩側(cè)索力差值較小，索力均衡，且各索力平均
值比較接近。
4. 3 建立計(jì)算模型
因支承結(jié)構(gòu)主要節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)無(wú)太大偏差，故可
參照原設(shè)計(jì)文件對(duì)幕墻支承結(jié)構(gòu)建立計(jì)算模型。
圖4 支承結(jié)構(gòu)整體模型
該工程采用ANSYS10. 0 軟件建立模型。拉索
選用Link10 單元模擬，預(yù)拉力以初應(yīng)變形式施加。
聯(lián)系桿選用Link8 單元模擬，鋼桁架支承體系中的
鋼管選用Beam4 單元模擬，邊界條件考慮為全約
束。支承結(jié)構(gòu)整體模型如圖4 所示。因索桁架屬于
柔性支承體系，在荷載作用下變形較大，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出
明顯的非線性特征，故
計(jì)算時(shí)考慮幾何非線
性。玻璃自重及水平荷
載均轉(zhuǎn)化成集中力施加
于各節(jié)點(diǎn)。
4. 4 計(jì)算過(guò)程
4. 4. 1 定義工況
( 1) 撓度工況
玻璃幕墻中風(fēng)荷載
和自重作用于不同方
向，且地震作用力很小，因此幕墻規(guī)范中規(guī)定，在驗(yàn)
算幕墻構(gòu)件撓度時(shí)，只驗(yàn)算風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值或重力荷
載標(biāo)準(zhǔn)值作用下的撓度值，兩者不進(jìn)行組合。因此，
定義撓度工況1 為1. 0 × 恒荷載; 撓度工況2 為1. 0
× 風(fēng)荷載。
( 2) 強(qiáng)度工況
幕墻規(guī)范中取消了溫度應(yīng)力的計(jì)算，但出于對(duì)
結(jié)構(gòu)安全性的保守考慮，該工程仍然計(jì)算了溫度荷
載參與組合的工況，將強(qiáng)度工況定義如下: 強(qiáng)度工況
1( 恒載起控制作用) : 1. 35 × 恒荷載+ 1. 4 × 0. 6 ×
風(fēng)荷載; 強(qiáng)度工況2 ( 風(fēng)荷載起控制作用) : 1. 2 × 恒
荷載+ 1. 4 × 風(fēng)荷載+ 1. 3 × 0. 5 × 地震荷載; 強(qiáng)度工
況3( 考慮溫度荷載作用) : 1. 2 × 恒荷載+ 1. 4 × 0. 6
× 風(fēng)荷載+ 1. 3 × 0. 5 × 地震荷載+ 1. 2 × 0. 2 × 溫度
作用。
4. 4. 2 確定拉索預(yù)應(yīng)力值
因現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)在撓度工況1 條件下進(jìn)行，故在模
型中調(diào)整索的預(yù)應(yīng)力值時(shí)，應(yīng)使索力計(jì)算值在撓度
工況1 條件下與實(shí)測(cè)值相吻合。
對(duì)結(jié)構(gòu)按照上述5 種工況分別加載。
4. 5 計(jì)算結(jié)果分析
4. 5. 1 撓度結(jié)果分析
幕墻規(guī)范規(guī)定，張拉索桿體系中索的撓度限值
應(yīng)為支承點(diǎn)間距離的1 /200，桁架或空腹桁架撓度
限值為自身跨度的1 /250。
在兩種撓度工況下水平索最大撓度值=
7. 832mm ＜ 9 600 /200 = 48mm; 承重索最大撓度值
= 17. 137m ＜ 29 900 /200 = 149. 5mm; 穩(wěn)定索最大撓
度值= 6. 06mm ＜ 8 100 /200 = 40. 5mm。
鋼桁架支承體系最大撓度值為6. 749mm，各部
分桁架結(jié)構(gòu)均能滿足自身跨度1 /250 的限值。
4. 5. 2 強(qiáng)度結(jié)果分析
強(qiáng)度計(jì)算中，各索力均未出現(xiàn)負(fù)值。水平索最
大拉力值為42. 8kN，承重索最大拉力值為50. 8kN，
穩(wěn)定索最大拉力值為15. 3kN。
《點(diǎn)支式玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)程》( CECS 127:
2001) 中規(guī)定“點(diǎn)支式玻璃幕墻鋼拉索的抗拉力設(shè)
計(jì)值應(yīng)按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小整索破斷拉力值
除以2. 5 取用，即Nt = Ntk /2. 5”。本工程拉索均為
14 不銹鋼索，其最小破斷拉力為138. 97kN，所以
此處Nt = Ntk /2. 5 = 138. 97 /2. 5 = 55. 6kN。計(jì)算所
得索力值均小于該抗拉力設(shè)計(jì)值，故拉索索力符合
強(qiáng)度要求。
鋼桁架支承體系最大拉應(yīng)力為26. 2MPa，最大
( 下轉(zhuǎn)第100 頁(yè))
47
建筑結(jié)構(gòu)2013 年
圖13 骨架曲線
框架延性系數(shù)表8
框架類型
六邊形孔
蜂窩框架
圓形孔
蜂窩框架
實(shí)腹框架原型框架
延性系數(shù)μ 4. 04 4. 04 4. 28 3. 16
( 2) 擴(kuò)高比和開(kāi)孔位置是影響蜂窩式鋼框架結(jié)
構(gòu)梁端塑性鉸位置的兩個(gè)重要因素，本文定義了基
于擴(kuò)高比K，孔形和擴(kuò)高后蜂窩梁高度H 的第一個(gè)
孔洞位置B 的合理取值公式，當(dāng)六邊形孔1. 4≤K ＜
1. 55，圓形孔1. 4≤K ＜ 1. 6 時(shí)，可以用式( 1) 確定B
的取值范圍。
( 3) 蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力較
好，相比實(shí)腹框架，抗震性能并沒(méi)有明顯降低。當(dāng)孔
洞位置合理時(shí)，由于可以利用蜂窩孔洞形成塑性鉸
區(qū)域吸收能量，避免柱腳破壞，從而使后期剛度下降
趨勢(shì)減緩，提高框架的抗震性能。
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( 上接第47 頁(yè))
壓應(yīng)力為－ 40. 6MPa，Q345 鋼的抗拉、抗彎、抗壓強(qiáng)
度設(shè)計(jì)值為215MPa，因此鋼桁架支承體系應(yīng)力符合
強(qiáng)度要求。
4. 6 安全性評(píng)定
經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、撓度驗(yàn)算及強(qiáng)度驗(yàn)算，該索桁架支
承結(jié)構(gòu)能夠滿足承載力及自身穩(wěn)定性的要求，因此
可判定其處于安全狀態(tài)。因索力狀態(tài)較好，故可維
持現(xiàn)狀不做調(diào)整，但須對(duì)銹蝕構(gòu)件進(jìn)行除銹處理，并
對(duì)所有連接件進(jìn)行全面緊固。
5 結(jié)語(yǔ)
本文提出的檢測(cè)方法僅對(duì)索桁架幕墻的支承結(jié)
構(gòu)進(jìn)行分析，未考慮玻璃面板的作用。在對(duì)幕墻整
體安全性進(jìn)行鑒定時(shí)還應(yīng)綜合考慮玻璃面板的應(yīng)力
及變形。該方法充分考慮索桁架結(jié)構(gòu)使用中的損傷
因素，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及軟件模擬計(jì)算實(shí)現(xiàn)了對(duì)點(diǎn)支
式幕墻索桁架支承結(jié)構(gòu)安全性的判定，其在工程實(shí)
例中的應(yīng)用也證明了該方法的可行性。
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