平面魚腹式柔性支撐體系的動力性能

李陽雪

（合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

點支撐玻璃幕墻是一種造型美觀、技術含量高的建筑外部裝修形式，其結構設計關系到玻璃幕墻整體的安全可靠性、經(jīng)濟性，但其安全性日益突出。我國開展了一些有關玻璃幕墻柔性支撐體系方面的研究，其中清華大學的王元清、石永久等等［1－2］對點支式玻璃幕墻中帶孔玻璃面板的承載性能、變形性能進行了理論和試驗研究。同濟大學的張其林［3］等對點支式玻璃幕墻的索桁架支撐體系、點支式夾層和中空玻璃的承載性能以及玻璃面板與支撐體系共同作用等方面進行了研究。天津大學劉錫良等［4－5］對玻璃結構的發(fā)展以及玻璃面板和索桿支撐體系的共同作用進行了理論和試驗的研究。雖然目前國內(nèi)越來越多的工程開始使用點支式玻璃結構體系，但是對于支撐體系的動力性能分析的研究較少。

本文利用ANSYS有限元軟件模擬魚腹式柔性支撐體系，分析各參數(shù)對體系動力性能的影響，總結調(diào)整體系自振頻率的方法。

1 參數(shù)的選定

是懸索的基本平衡方程［6］。

上式是支撐體系承載的公式。由上述公式可見，預應力P、拉索直徑A、支撐高度H、腹高比k等因素影響結構體系承載能力。本文取工程中易于調(diào)節(jié)的三個主要參數(shù)：拉索直徑、初始施加預應力、壓桿直徑，分析這些參數(shù)對體系動力性能的影響。

2 單元的選定

玻璃面板選用質(zhì)量單元（MASS21），質(zhì)量單元一個節(jié)點上具有6個自由度，可以給該單元的每個坐標方向施加不同的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量。

拉索選用三維桿單元LINK10，只能承受單向的拉伸或者單向壓縮，只能受拉，不能承受其他任何荷載。

壓桿選用三維桿單元LINK8，能承受單向拉伸或壓縮，每個節(jié)點上具有3個自由度。

拉桿（拉索）與壓桿之間的連接點定義為鉸接連接，在振型和自振周期計算過程中，考慮拉桿（拉索）和壓桿的自重。

3 有限元計算

3.1 算例背景

本文選擇某商場玻璃幕墻的魚腹式平面支撐體系，模型尺寸如圖1。

圖1 平面模型

圖中拉桿（拉索）AD、BC為一整體；在AD和BC上施加預應力；12、34、56、78為壓桿；A、B、C、D四點定義為X、Y、Z方向鉸接。體系中拉索直徑取φ20，壓桿直徑取φ50，預應力取100MP。

3.2 材料的參數(shù)

假定柔性支撐體系各構件處于線彈性狀態(tài)，所以可以給出材料的參數(shù)，列于表1。

表1 構件材料參數(shù)

3.3 基本體系的自振頻率和自振振型

利用ANSYS計算可得基本體系的自振頻率如表2、圖2：

表2 平面支撐體系自振頻率（Hz）

圖2 平面模型前6階自振頻率變化曲線

通過分析和計算可得基本體系的各階振型，前6階振型如圖3所示：

圖3 平面支撐體系的自振振型

3.4 預應力對體系動力性能的影響

預應力用于魚腹式柔性支撐結構主要作用是使結構成形，支撐體系的初始剛度是由拉桿（拉索）的預應力來提供的，但是預應力不能加的很大。常用的拉索材料的抗拉強度為200～250MP，本文分別取預應力為120，、110、100、90、80（MPa），利用ANSYS有限元軟件計算得模型的自振頻率如圖4。

圖4 改變拉索預應力對支撐體系自振頻率的影響

由圖4可知固定范圍內(nèi)的預應力的增大，支撐體系的自振頻率隨之增大。

3.5 拉索直徑對體系動力性能的影響

拉索直徑的大小會直接影響平面模型柔性支撐體系的剛度矩陣，選用的拉索直徑過小無法提供充足的剛度矩陣。而選用的拉索直徑過大則會導致剛度過大，浪費材料，提高了成本，并且影響采光、通透、美觀等方面。本文中分別取拉索直徑φ16、φ18、φ20、φ22、φ24，拉索截面分別為201.1、254.5、314.2、380.1、452.4（mm2），計算結果見圖5。

圖5 改變拉索直徑支撐體系自振頻率的影響

由圖5可知固定范圍內(nèi)的拉索直徑的增大，支撐體系的自振頻率隨之增大。

3.6 壓桿直徑對體系動力性能的影響

壓桿的作用主要是承受初始預應力、與駁接爪一起連接玻璃和支撐體系。壓桿的粗細直接影響了支撐體系性能。同拉索的影響情況類似，壓桿的直徑過粗會影響美觀，過細會影響整體體系的剛度。本文取壓桿直徑分別為φ30、φ40、φ50、φ60、φ70，壓桿截面面積分別是706.9、1256.6、1963.5、2827.4、3848.5（mm2），計算得模型的自振頻率如圖6。

圖6 改變壓桿直徑對支撐體系自振頻率的影響

由圖6可以判斷固定范圍內(nèi)的壓桿直徑增大，支撐體系的自振頻率隨之減小。

4 結 論

通過以上對平面魚腹式柔性支撐體系的分析，得到以下結論，預應力、拉索直徑增大，支撐體系的自振頻率增大；而壓桿截面增大，自振頻率減小。在工程實踐中可以通過改變預應力、拉索直徑、壓桿直徑來調(diào)整體系的自振頻率。避免由于幕墻體系的自振頻率與風振頻率、結構主體自振頻率等過于接近，而引起共振現(xiàn)象。

1 王元清，石永久，李少甫，等，點支式支承玻璃建筑結構體系及其應用技術研究［J］.土木工程學報，2001，34（4）：1－8.

2 王喆，王元清，石永久，等.清華大學游泳館點式玻璃幕墻柔性支承體系設計研究［J］.建筑結構，2000，30（12）：48－51.

3 張其林，閆雁軍，李晗.張拉結構風致振動理論和試驗研究［J］.東南大學學報（自然科學版），2013，43（5）：4087－1096.

4 CECS127：2001，點支式玻璃幕墻工程技術規(guī)程［S］.

5 劉錫良，朱海濤.折疊網(wǎng)架動力特性研究［J］.建筑結構學報，1999，20（5）：66－69.