卢义
宁波市建设集团股份有限公司
摘要：基于玻璃幕墙的基本特性出发结合三维有限元软件SAP2000建立变几何单拉索点玻璃幕墙结构体系，针对建模过程中的模型搭建，属性赋值以及各项荷载施加等建模前期工作开展探索研究，针对建模的各项细节问题的处理给出相对合理的流程建议，为后期同类型的建模工作作出有效指导，规范了变几何单拉索点玻璃幕墙结构的数值建模实施，提高了模型的有效利用率与建模的可信性。
关键词：变几何；单拉索点；玻璃幕墙；数值建模
Stress Analysis and Numerical Modeling of Variable Geometry Single Cable Point Glass Curtain Wall Structure
Abatract：Based on the fundamental properties of the glass curtain wall, supporting system combined with three dimensional finite element software SAP2000 establish variable geometry of single point lasso glass curtain wall structure system, aiming at the model built in the process of modeling, attribute assignment as well as the various load modeling early exploration research work, in view of the problem of the modeling the details of the processing of relatively reasonable process Suggestions, In order to provide effective guidance for the later modeling work of the same type, the numerical modeling implementation of the variable geometry single cable point glass curtain wall structure is standardized, which improves the effective utilization of the model and the credibility of the modeling.
Keyword：variable geometry; single cable; glass curtain wall; numerical modeling
最近几年以来，随着经济社会的不断发展，我们国家城乡一体化的进程越来越明显，随之出现的是能够使用的土地也越来越紧张的局面。为了缓解这种局面和化解土地供应和城镇化带来的矛盾，全国各地在建筑规划和房屋设计中，越来越多的是在原有基础上增加层数的高层和超高层。在现代，不管是住宅建筑还是其他比如商场超市、会展中心等的大型公共建筑，用以前的老式粘土砖砌体结构做成的墙体已经落后了，人们对于建筑使用的要求也不能完全满足了。如何让人们的生活质量得到提高，生活情绪收获愉悦，玻璃幕墙结构的外围护栏应运而生。它主要使用的是玻璃面板，阳光等光线能够直接穿过玻璃照到室内，窗外的美景尽收眼底，在这样的环境中生活和工作不由得让人心旷神怡，有种置身大自然的奇妙感觉。
目前，变几何形式的单拉索点支式玻璃幕墙[1]在建筑上的应用越来越为广泛，但是究其变形特征与受力性能，仍然是现代工程界研究的重点与偏重项，为了能够更好地探明单拉索点玻璃幕墙结构受力变形特性，采用的常见方式仍为数值模拟，但现有数值建模过程的模糊性与不确定性使得计算分析结果偏差较大，所以本文基于玻璃幕墙的基本特性出发结合三维有限元软件SAP2000建立变几何单拉索点玻璃幕墙结构体系，针对建模过程中的模型搭建，属性赋值以及各项荷载施加等建模前期工作开展探索研究，针对建模的各项细节问题的处理给出相对合理的流程建议，为后期同类型的建模工作作出有效指导，规范了变几何单拉索点玻璃幕墙结构的数值建模实施，提高了模型的有效利用率与建模的可信性。
1单拉索点玻璃幕墙结构特性
1.1 钢化玻璃特性
在工程施工、建筑设计中，玻璃这种材质的材料主要的应用是在房屋的外围护结构上，主要由于其光学性能很好，能够满足现代建筑的要求[2]。平时走在路上或者进入到大型的商场中，各种颜色的玻璃引入眼帘，各式各样应有尽有。这是因为不同的光线拥有不同的波长，而当它透过玻璃时，玻璃能够吸收过滤以及反射相应的光线，从而玻璃就会呈现出不一样的颜色，我们看到的也就是不一样的玻璃颜色。那么玻璃是如何具有过滤不同颜色的特性呢？主要是有以下两种原因：第一个是原料染色、第二个是表面贴膜着色这两个方法。原料染色是指将能够生成着色离子如氯、钠等离子的物质加到玻璃的原料中，在源头上进行着色，这样在玻璃生产加工的过程中就可以使颜色附着，生产出来的玻璃颜色也就多种多样。表面贴膜着色是指在玻璃表面上，贴上固定厚度和不同颜色的薄膜，这样就可以改变玻璃整体的厚度和反射率，玻璃面板的颜色也会随之变得不一样，我们看到的就是五彩斑斓的玻璃墙体。
需要特别注意的是，随着社会的进步和工程建筑的前沿设计不断更新，城市中用玻璃作为建筑物外墙的建筑设施越来越多。玻璃具有的另一特性——反射性，却带来现代城市的一大重要通病“光污染”，为了避免这一污染给人们生活工作带来的影响，在玻璃幕墙设计的理念方法上需要进一步改善，要实地考察所在地区的光照以及反射落地实际情况，有针对性的选择适合当地或者该建筑物的玻璃外围建筑，不能一味的追求美观或者不考虑相关因素而随意选择。充分考虑到建筑物需求以及人们生活工作的宜居环境，在结构设计上下功夫，在玻璃选择上动脑筋，这样能够在兼顾美观和照顾到人们的生活工作的同时降低城市“光污染”[4]。
众所周知，钢化玻璃生产的特殊性，使它的外表面有压力，内表面有张力存在，这样使得它如果不慎破碎，那么一整块玻璃并不会像普通玻璃那样支离破碎，而是会变成无数的小颗粒仍旧形成一块完整的玻璃。
1.2 单拉索点玻璃幕墙面板破坏
像现在玻璃外墙建筑结构中主要采用的是钢化玻璃，它主要有三种样式，分别是：单层玻璃、中空玻璃和夹层玻璃。玻璃易碎，它的实际可承受强度往往低于理论承受强度，这是因为生产过程中难免会发生材质分布不均匀或者玻璃表面受到外力影响产生裂痕的其他因素的影响[6]。
玻璃是非常脆弱的，它无法弯折或者强拉，在经过钢化工艺之后，能够达到建筑可用的标准。这是因为玻璃钢化以后，玻璃内部存在的应力分布比较平均而且相互平衡。如果在外力作用下，玻璃出现细小裂纹时，钢化玻璃不会像普通玻璃那样碎裂，它会在裂纹源头发出很大的应力时裂纹迅速向外扩散，变大，使得玻璃变成一块斑驳的“裂痕玻璃”，失去原来的作用。所以在最初的形状设计构思、以及后续的生产运输过程中，都要尽量保护好，防止出现裂痕，从而可以减少玻璃实际的承载力和美观效果。
1.3单拉索点玻璃幕墙支撑体系
点支式玻璃幕墙主要采用的结构是索网结构[3]，这和传统一直沿用的钢架不太一样。索网结构所带来的结构体系具有诸多优点，比如体积小、材料强度高等等，可以满足人们对于日常生活不同造型和功能带来美观程度的需求。拉索结构、玻璃主体、驳接爪等一系列的连接材料组成了点支式玻璃幕墙。建筑主体可以作为拉索的固定主体，玻璃通过自身的重量以及外力通过连接装置传到支撑体系上。玻璃幕墙是可以多变的，按照设计，通过拉索进行设置，形成一个牢固的支撑体系。拉索一般没有固定的标准去安装，根据玻璃幕墙的安装实际情况来定。按照常理来说，一般会以美观为前提，将索网布置在面板连接的地方，既美观了视觉效果，又能给人以眼前一亮的视觉效果。
它通过钢索自己的张拉力将玻璃幕墙的重量承担下来，是一个很重要的构件，可以改变钢索的拉伸力度与外界的载荷力保持抗衡，形成抵抗作用。这和传统的构造不同，索网是没有刚度和弹性的在没有施加外力之前，对外承载力的表现是索网固有的形状发生变化，而不是本身的力发生可见变化。拉索开始有预应力后，整体结构就有了刚度，尽管平面外的刚度并不大。索网虽然受到外力之后反应的力很小，但是所呈现的结构会有很大的位置移动。综上所述可以得出，他是非常经典的柔性张拉结构[5]。
柔性张拉结构的特殊性使得传统的理论分析不再适用[7]，要从其他方面着手考虑对应的影响关系，换句话说就是应该在索网结构变形之后的位置上再去建立平衡方程式。这样推导出来的平衡和几何方程都是非线性的。
除了上述所讲，材料本身的本构关系也不是线性的。经过多次的实验数据，我们可以看出，拉索的结构工作在一定范围里面的应力和应变都有一一对应的关系，也就是在工作时，拉索有相应的弹性指数。在考虑问题上只考虑几何的非线性，抛开材料问题，使得索网结构的研究更加轻松简单，易于得出结论，更好地服务于实践。
在实际计算中，所要计算的三种状态，分别是零、初始、工作状态。零状态是直接可以在图纸上计算，并且得到各个数值的。索网结构在外力作用下各个方面，比如几何形状会出现变化，与其他状态时候呈现出来的构造存在很大不同，因此对于初始状态的分析对于建筑物在设计和施工工程中有很重要的意义，这对更好地研究索网结构有促进性作用。
2 变几何单拉索点玻璃幕墙建模
2.1 模型概况
从下面的图2.1可以看出，我们所研究的幕墙结构类似一个拱门，两边略微呈直线状，没有弧度，它越往上越向外凸出。我们来介绍下他的尺寸为2m*2m，爪件长度是0.5m。
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图2.1 结构布局示意图
这个模型主要采用的是不锈钢（Steel）和玻璃（Glass）。截面属性包括拉索（Cable）、爪件（Claw）和面板（Panel）。
2.2 指定支座条件
因为在实际情况中，不同的建筑物和玻璃幕墙之间需要特定的连接位置和方式方法。那么我们可以假设为在0m、10m、14m、20m的高度为拉索设置固定点，在玻璃面板的底部0m处设置固定点。在这些条件之外，该模型其他的承载条件为以下几点：
①预备拉力280KN;
②本身重量;
③风力1.1KN/m2;
④地震影响作用;
⑤温度持续且均匀升高35℃。
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图2.2 指定支座条件
2.3 拉索预期拉力
在本模拟框架下的的拉索，我们能够采用不同的承重能力施加外力[8]，主要包括：变形式、温度式、应变式等方法。我们此次采用的是温度荷载方式施加外力。其他方式的施加外力方法在本文中不再一一细说，可以在《CSI分析参考手册》中参考阅读。
温度荷载是在其他条件不变的条件下，单纯由温度改变的产生的温度差与材料线本身膨胀的指数相互影响产生的反应性荷载[9]，也就是应变荷载[9-10]。
3 结论
本文基于玻璃幕墙的基本特性，支撑体系结合三维有限元软件SAP2000建立变几何单拉索点玻璃幕墙结构体系，针对建模过程中的模型搭建，属性赋值以及各项荷载施加等建模前期工作开展探索研究，针对建模的各项细节问题的处理给出相对合理的流程建议，为后期同类型的建模工作作出有效指导，规范了变几何单拉索点玻璃幕墙结构的数值建模实施，提高了模型的有效利用率与建模的可信性。
参考文献
[1] 赵西安, 韩平元. 点支式玻璃幕墙设计[J]. 建筑结构, 1999(9): 610-613.
[2] 陈海辉, 邓先和, 熊建明. 热通道玻璃幕墙的热工计算[J]. 华南理工大学学报 (自然科学版), 2003(03): 89-92.
[3] 李创第, 李桂青. 高层建筑玻璃幕墙线性和非线性抗风动力可靠性分析(1)[J]. 工业建筑, 1999, 29(5): 40-45.
[4] 陆铭. 玻璃幕墙下的劳动力流动——制度约束、社会互动与滞后的城市化. 南方经济 29.6(2011): 23-37.
[5] 蒋庆林. 玻璃幕墙结构: 山东科学技术出版社, CN300892999[P].
[6] 张其林. 玻璃幕墙结构设计[M]. 同济大学出版社, 2007.
[7] 罗忆, 张芹, and 刘忠伟. 玻璃幕墙设计与施工. 中国建筑工业出版社, 2005.
[8] 彼得.赖斯. 索结构玻璃幕墙(精). 大连理工出版社, 2006.
[9] 王元清, 孙芬, 石永久,等. 点支式玻璃幕墙单
层索网体系承载性能试验研究[J]. 东南大学学报(自然科学版), 2005, 35(5):769-774.
[10] 童丽萍, 李明. 风荷载作用下玻璃幕墙结构的受力分析与计算[J]. 工业建筑, 2000, 30(004):27-30.