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阅读 2917 次 单层平面索网幕墙结构玻璃与索网协同工作的动力性能研究

摘要:采用模型试验和理论分析的方法对单层平面索网玻璃幕墙结构玻璃与索协同工作的动力性能进行研究。首先通过结构自振特性试验研究玻璃对于索网结构频率、振型以及阻尼的影响,然后提出了动力荷载作用下玻璃与索网的协同工作机理,据此建立玻璃与索网协同工作的数值模型,采用该模型从理论上分析了结构的自振特性。理论分析和试验结果表明:玻璃的抗弯效应对结构第一阶模态影响较小,对结构的高阶模态影响比较明显;索网+玻璃结构的阻尼远大于索网的阻尼,玻璃幕墙结构的阻尼比主要是由玻璃提供的。...

单层平面索网幕墙结构玻璃与索网协同工作的动力性能研究

冯若强 花定 兴武岳 沈世钊

(1.哈尔滨工业大学深圳研究生院  广东深圳5180552.深圳市三鑫特种玻璃技术股份有限公司   

广东深圳518054  3.哈尔滨工业大学空间结构研究中心  黑龙江哈尔滨l50090)       

引言

    单层平面索网支承式玻璃幕墙结构,是近年来在国内外应用较为广泛的一种新型幕墙结构,具有建筑造型美观、构件轻巧纤细、视觉通透性好等优点,因而特别适用于大型公共建筑中。与传统的单层曲面索网结构相比,单层平面索网幕墙结构大多不具有负高斯曲面形式,因而结构在平面外方向的刚度偏柔,表现出较明显的几何非线性特征。此特点决定了单层平面索网幕墙结构的力学性能不同于传统的线性结构   

    一般认为预应力玻璃幕墙结构的力学性能是由索支承结构决定的,玻璃不参与结构工作。然而对于平面索网结构,由于整个体系的刚度更多地依赖于索的几何非线性,结构变形较大,因而是否需要考虑玻璃对结构整体的刚度贡献就值得探讨了。国内外目前对于这个问题的研究不多,对于玻璃参与工作后对结构力学性能尤其是动力性能的影响缺乏了解。文献仅讨论了玻璃参与工作对于单层平面索网幕墙结构静力性能的影响,而单层平面索网玻璃幕墙结构在实际工作环境中主要是受垂直于幕墙面的横向动力作用,如风荷载和地震荷载。为此,本文首先通过结构自振特性试验研究了玻璃对于索网结构频率、振型以及阻尼的影响,对玻璃与索网协同工作下的动力性能进行了研究,同时提出了动力荷载作用下玻璃与索网的协同工作机理,据此建立了玻璃与索网协同工作的数值模型,采用该模型从理论上分析了结构的自振特性,理论计算结果和试验结果吻合较好。

一、玻璃与索网协同工作机理

    单层索网玻璃幕墙结构在构造上包括预应力拉索、连接爪件、玻璃面板3部分。玻璃的4个角点通过爪件和索连接,玻璃和玻璃之间采用硅酮密封胶连接。其传力路径为:风荷载"玻璃面板"连接爪件"预应力拉索"基础或主体结构。玻璃参与工作方式与连接爪件的形式密切相关,本文的试验和理论分析主要是针对夹片爪件进行的,夹片爪和玻璃的具体连接形式如图l所示,玻璃是通过压板夹于爪件中的,在爪件和玻璃之间是不能传递拉力的。

 

1玻璃和夹片爪连接示意图

    动力荷载作用下,对于采用夹片爪的单层索网玻璃幕墙结构,玻璃与索网的协同工作表现在两个方面,即玻璃对于索网结构刚度的影响和对阻尼的影响。玻璃对于索网结构的阻尼影响是指,填充玻璃间缝隙的硅酮密封胶的缓冲作用以及玻璃爪件与玻璃间的橡胶垫片的机械摩擦作用会在一定程度上消耗结构振动的能量,这相当于为索结构提供了附加阻尼。

    玻璃对于结构刚度的影响:荷载作用下结构变形较大。和玻璃4个角点连接的索节点在风荷载作用下变形后的位置很可能不在同一平面内,但实际上玻璃通过自身抗弯刚度的调节作用减少了各角点间的位移差别,使结构的位移发展得更均匀;同时玻璃还会改变风荷载在4个角点上的分配情况,使得风荷载按照弹性支承的刚度分配到各个索节点上,上述作用可概括为是,相当于起到静不定屋面板的作用。

    根据上述玻璃参与结构工作方式,采用有限元计算软件ANSYS,对单层索网幕墙结构玻璃与索网的协同工作进行数值模拟。索采用linkl0单元,钢结构边框采用beam4单元,玻璃采用shell63单元,爪件米用beaml88单元。数值模拟的关键是玻璃和夹片爪之间的连接,需要满足一定的条件:玻璃和爪件间为铰接,在玻璃平面外方向上二者位移协调;在玻璃平面内方向上二者之间不能传递拉力。为此本文采取措施包括:爪件和玻璃之间的连接处在玻璃平面外方向上采用自由度耦合来实现该方向上二者位移协调条件;②在玻璃平面内方向上采用combin39弹簧单元来模拟玻璃和夹片爪之间的连接,弹簧的刚度为小量,弹簧的拉力接近于零。

二、试验模型和试验方案

    本文分别进行了索网模型和索网加玻璃模型的自振特性试验,通过比较两个模型的自振特性来研究玻璃对于结构动力性能的影响。通过实测两种模型的阻尼比探讨了玻璃对于结构阻尼的影响。   

    21试验模型设计

    选取的试验模型应具有较大工程实际意义,该模型下一步还要进行振动台试验。考虑振动台性能参数、节点零部件和钢化玻璃的加工条件,确定结构模型的外轴线尺寸为281 m×281 m,玻璃的分格为0·365 m×0365 m,钢化玻璃厚度为4 mm,索采用 Ф03直径不锈钢绞线,弹性模量为103×los MPa。几何相似比λLl4,可确定试验原型的参数如表1所示,试验模型尺寸如图2所示。考虑振动台的试验条件,试验模型和原型的加速度相似比取为1,则可确定试验模型和原型动力相似常数之间的关系如表2

1结构原型参数

    注:轴线,玻璃分格,厚度和索直径单位m,弹性模量单位MPa

    模型边框为291 m×291 m的正方形框架,采用150 mm×8 mm的方钢管。模型底部和振动台铰接,同时为保证模型的在水平方向上的刚度,分别在模型顶部的边梁上采用销拴连接了三道支撑,如图3所示,支撑采用l00 mm×5 mm方钢管,支撑的布置位置、支撑和边框的截面需要满足使边框刚度对索网振动频率的影响在05%以下。

 

2试验模型尺寸及第一阶模态测点布置

2相似常数之间关系

 

 

3框架侧视图和俯视图

    22试验及加载方案

    试验模型分为两种,索网模型和索网+玻璃模型,如图4、图5所示。通过比较索网模型和索网+玻璃模型的自振特性来考察玻璃对于结构动力性能的影响。玻璃对结构自振特性的影响可以通过比较两个模型的频率和振型来加以体现,玻璃对结构阻尼的影响可以直接通过测量两个模型的阻尼比获得。框架位移通过位移计采集,其量程为±150 mm。位移、加速度和索拉力的数据通过两台国产16通道动态波谱仪采集。结构的阻尼比采用了自由振动和正弦激振两种方法测得,正弦激振器应避免布置于被测振型的反弯点处,而应布于结构中部振型较大的位置,综合考虑选取点8作为激振点,如图2所示。结构自振振型测点布置的原则是,要放置于该振型的波峰、波谷以及体现振型特点的部位,因此要随着测量振型的不同而改变位置。

 

4索网模型

 

5索网+玻璃模型

三、自振特性结果分析

    考虑到单层平面索网结构具有一定的几何非线性,其频率和结构的振动幅值相关,本文首先研究小振幅情况下索网模型和索网+玻璃模型的自振特性,此时结构为线性,下一节研究大振幅情况下结构的自振特性。小振幅下结构的振动幅值为结构跨度的1250

    本文还根据上文中提出的动力荷载作用下玻璃与索网的协同工作机理建立了有限元数值模型来计算两个试验模型的自振特性,有限元模型如图6、图7所示。

6索网有限元模型

 

7索网+玻璃有限元模型

    31线性自振特性结果

    两个模型第一阶模态的测点布置图,如图2所示,分别将自由振动法和共振法测得的两个模型的第一阶模态的阻尼比、频率和振型,同采用有限元计算得到的结构频率和振型进行了比较,如表3所示。有限元计算得到两个模型的第一阶振型如图8、图9所示。两个模型的自由衰减曲线如图10、图ll所示。从上述表中和图中可见:两种实测方法得到的结构阻尼比基本一致,说明采用共振法得到的结构阻尼比是可以满足精度要求的,同时索网+玻璃模型的阻尼比远大于索网模型的阻尼比;索网+玻璃模型的频率比索网模型的频率大48%,玻璃刚度对于结构的第一阶模态的影响不大,两个模型的振型差别较小;三种方法得到结构的基频和振型比较一致。

8索网模型第一阶振型

 

9索网+玻璃模型第一阶振型

 

10索网模型自由振动衰减曲线

 

11索网+玻璃模型自由振动衰减曲线

3各种方法结构第一阶模态自振特性比较

    由于两个模型的第二阶模态和第三阶模态、第五阶模态和第六阶模态、第七阶模态和第八阶模态、第九阶模态和第十阶模态的频率较为接近,试验只能激起第一、三、四、六、八、十阶模态。两个模型的各阶振型测点布置图相同,限于篇幅本文只列出了第三、四、六振型的测点布置图,如图l214所示。

12第三阶模态测点布置图

 

13第四阶模态测点布置图

 

14第六阶模态测点布置图

    4列出了第三、四、六振型下共振方法测得索网+玻璃模型和索网模型的阻尼比、频率和振型,并同有限元计算结果进行了比较。而对于七、九、十一阶模态则只列出了结构的频率和阻尼比,如表5所示。从表中可见:索网模型的阻尼比都在01%附近,和文献[10]较为接近,索网+玻璃模型的阻尼比远大于索网模型的阻尼比,其阻尼比主要由玻璃提供;各阶模态下索网+玻璃模型的频率比索网模型的频率大96%~l5%,玻璃附加刚度对于高阶模态的影响比第一阶模态明显,主要原因是结构的高阶模态的振型曲线变化明显,变形的曲率较大,此时玻璃的局部刚度作用会比较明显;此外两个模型的振型在数值上有一定差别;两种方法得到结构的基频和振型比较一致,说明本文的实测结果是正确的,有限元模型能够较好地反映结构实际的力学性能。上述两种模型的自振特性比较说明,玻璃+索网模型的阻尼主要由玻璃提供的阻尼决定,玻璃的附加刚度对于结构高阶模态的频率有一定影响。

4索网模型和索网+玻璃模型的第三、四、六阶模态自振特性比较

5结构第七、九、十一阶模态自振特性比较

 

    32非线性自振特性结果分析

    上节研究了小振幅情况下的索网模型和索网+玻璃模型的自振特性,本节则对大振幅情况下两个模型的自振特性进行了比较,此时结构具有一定的几何非线性,频率和结构的振动幅值相关。受到激振器功率的限制,共振法仅能保证索网+玻璃模型第一、三、四和六阶振型共振时结构振幅达到结构跨度的165,其余更高阶振型则远小于该值,而对于索网结构则可保证前四阶振型振幅达到l50跨度。在振幅为165跨度时两个模型试验测量和有限元计算结构前四阶模态频率和振型的比较如表6所示。有限元计算求解结构非线性振动频率的方法为非线性有限元时程方法,即给结构以一定幅值的初始位移(该初始位移的分布模式和结构的振型相同)让结构作无阻尼自由振动,通过结构的位移响应时程曲线直接计算出结构的非线性振动频率。

6索网模型和索网+玻璃模型的结构第一、三、四和六阶模态自振特性比较

    从表中可见:两个模型第一阶模态的振型基本相同,索网+玻璃模型的频率比索网模型的频率大52%,和线性自振分析基本相同,玻璃刚度对于结构的第一阶模态的贡献不大;其他各阶模态下索网+玻璃模型的频率比索网模型的频率大l25%~l81%.玻璃附加刚度对于其他各阶模态的影响比线性自振时要略微明显,这说明结构位移增大后,玻璃参与结构工作程度增加,玻璃刚度对于结构动力性能影响略有增加;两种方法得到结构的频率和振型比较一致,说明本文的实测结果正确,同时有限元模型能够较好地反映结构的非线性力学性能。当结构位移从小振幅为结构跨度l250增加到大振幅为结构跨度1165时,玻璃刚度对结构动力性能影响只有略微的增加。可以认为,非线性振动时,玻璃附加刚度对结构动力性能的影响和线性振动时基本相同。

四、结论

    本文首先通过结构自振特性试验对玻璃与索网协同工作的动力性能进行了研究,然后提出了动力荷载作用下玻璃与索网的协同工作机理,并据此进行了相应的理论分析,试验结果和理论分析结果表明:

    (1)动力荷载作用下,单块玻璃的抗弯效应对结构第一阶模态影响较小,对结构的高阶模态影响比较明显,主要原因是结构高阶模态的振型曲线变化明显,局部曲率较大,此时玻璃对局部刚度影响比较明显。

    (2)索网+玻璃结构的阻尼比可达35%左右,远大于索网的阻尼比,这说明玻璃幕墙结构的阻尼比主要是由玻璃提供的,显然这对于抑制结构产生较大的动力响应是有利的。

参考文献

[1] Vyzantiadou M A,Avdelas A V. Point fixed glazing systems:  technological and morphological aspects  [J]. Journal of     Constructional Steel Research, 2004,60(6): 1227-1240

[2]冯若强.单层平面索网玻璃幕墙结构静动力性能研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2006 [3]石永久,吴丽丽,王元清,等.点支承玻璃建筑单层索网柔性支承体系及其工程应用[J].工业建筑,200535(2)1—5

[4] Schlaich J, Schober H, Moschner T. Prestressed cable net facades  [Jj.Structural Engineering International, 2005,15  ( 1 ):36-39

[5] Feng Ruoqiang, Wu Yue, Shen Shizhao. Simplified calculation    method of nonlinear frequency of cable net under mean wind    load [J].Acta Mechanica Solida Sinica, 2006, 19(3):248- 254

[6]冯若强,武岳,沈世钊.单层平面索网幕墙结构的风激动力 性能研究[J1.哈尔滨工业大学学报,200638(2)153—1 56

[7] Feng Ruoqiang, Wu Yue, Shen Shizhao. Working mechanism  of single-layer cable net supported glass curtain walls [J].International Journal of Advances in Structural Engineering,2007,10(2):183-195

[8]冯若强,武岳,沈世钊.单索幕墙体系中的玻璃与索协同工作机理研究[J].西安建筑科技大学学报,200638(5)  619—623

[9]冯若强,武岳,沈世钊.考虑玻璃参与工作的单层平面索网 幕墙结构静力性能研究[J].建筑结构学报,200526(4) 99—106

[10]曹资,薛素铎,刘景园,等.索网屋盖结构阻尼特性试验研究[J].地震工程与工程振动,199515(2)92—99

(本文来源:陕西省土木建筑学会     文径网络:吕琳琳  尹维维 编辑   文径 审核)

 
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