拉索玻璃幕墙连接件抗倾覆性能的影响因素分析

陈 晨 翁振江 杨才千 王 冠

(1东南大学土木工程学院, 南京 210096)(2云南大学建筑与规划学院, 昆明 650091)

拉索玻璃幕墙连接件抗倾覆性能的影响因素分析

陈 晨1翁振江2杨才千1王 冠1

(1东南大学土木工程学院, 南京 210096)(2云南大学建筑与规划学院, 昆明 650091)

为了提高拉索玻璃幕墙连接件的抗倾覆性能,分析了导致连接件倾覆的主要因素.提出了驳接爪式和夹板式连接件的统一力学模型,探讨了拉索截面积、预张力、跨度、索间距、玻璃与竖索间距、握裹长度、玻璃边长等参数对连接件抗倾覆的影响.研究结果表明:竖索截面积对连接件抗倾覆性能的影响大于横索截面积,竖索预张力的影响大于横索预张力,竖索跨度的影响大于横索跨度,竖索握裹长度的影响大于横索握裹长度;倾角与竖索截面积呈幂函数关系;当索网跨度为12.6 m、玻璃为正方形时,倾角与玻璃边长呈指数关系;索网最下排跨中连接件的倾角最大;增加竖索的截面积、预张力、握裹长度,减小竖索的跨度和玻璃边长有利于改善连接件的抗倾覆性能.

拉索玻璃幕墙;连接件;抗倾覆;数值模拟;参数分析

连接件是拉索玻璃幕墙体系的重要组成部分.它将玻璃固定在拉索结构上,同时将玻璃所受的各项荷载传递给拉索,是决定点式幕墙体系综合性能的关键部件.连接件主要分为驳接爪式和夹板式2种.通常情况下,连接件在施工和使用过程中会出现一定的倾覆,不仅给幕墙施工带来不便,还会影响玻璃的使用寿命和幕墙的密封性.

目前,针对拉索式玻璃幕墙的研究主要集中在幕墙结构的受力特征[1-5]、连接件承载能力[6]、疲劳性能测试[7]、新材料应用[8]、外观形式改进[9]、损伤评估[10]、抗冲击[11]等方面,关于连接件抗倾覆性能的研究较少.

本文提出了拉索幕墙玻璃连接件的统一力学模型,并在此基础上建立了索网的有限元模型,分析研究了拉索截面积、预张力、跨度、索间距、玻璃与竖索间距、握裹长度、玻璃边长等参数对连接件抗倾覆性能的影响.

1 连接件的力学模型

(a) 夹板式

(b) 驳接爪式

2 连接件抗倾覆影响参数

2.1 索网有限元模型的建立

采用ANSYS软件进行数值模拟,分析连接件抗倾覆性能的影响参数.连接件建模采用beam44单元.考虑拉索的抗弯刚度,拉索建模也采用beam44单元.由于拉索生产厂家很少对拉索的抗弯刚度进行实测,因此将拉索的横截面按等面积原则折算成实心圆形钢棒,以实心圆形钢棒的抗弯刚度作为拉索的抗弯刚度[12],连接件和拉索的材料及其物理参数如表1所示.

索网跨度及玻璃边长如图2所示.每1 m2玻璃重力取1 kN.横索和竖索与主体结构铰接.横索直径为40 mm, 竖索直径为26 mm,拉索预张力取拉索极限抗拉强度的30%,索网跨度为12.6 m×12.6 m,玻璃为正方形,边长为1.8 m,玻璃与竖索间距为100 mm,索间距为40 mm,横索和竖索的握裹长度为70 mm.

图2 索网跨度及玻璃边长(单位:m)

2.2 影响参数分析

选取拉索截面积、预张力、跨度、索间距、玻璃与竖索间距、握裹长度、玻璃边长共7个参数,分析其对连接件抗倾覆性能的影响.

2.2.1 拉索截面积的影响

研究拉索截面积对连接件抗倾覆性能的影响时,从横索截面积和竖索截面积2个方面来分析.

取直径为12～45 mm的横索,截面积的变化范围为85.95～1 196.11 mm2.经过计算得到最下排跨中连接件的倾角最大,且最大倾角随横索截面积的变化曲线如图3所示.由图可知,随着横索截面积的增加,连接件最大倾角出现先减小后增加再减小的变化趋势.从整体来看,最大倾角的变化范围为2.371×10-2～2.375×10-2rad,变化程度很小.由此认为横索截面积对连接件的抗倾覆性能影响不大,可以忽略不计.

然后,取直径为18～40 mm的竖索,截面积的变化范围为192.15～945.07 mm2.经过计算得到,最下排跨中连接件所产生的倾角最大,且最大倾角

图3 最大倾角随横索截面积的变化曲线

随竖索截面积的变化曲线如图4所示.由图可知,随着竖索截面积的增加,连接件的最大倾角逐渐减小,变化曲线公式为y=126 401x-1.806.出现这一现象的原因在于,玻璃的重力对竖索产生一个竖向力和一个弯矩,竖索截面积越大,抗弯刚度EI越大,由此产生的最大倾角越小.

图4 最大倾角随竖索截面积的变化曲线

由以上分析可知,竖索截面积对连接件抗倾覆性能的影响大于横索截面积.

2.2.2 拉索预张力的影响

下面从横索预张力和竖索预张力2个方面来分析拉索预张力对连接件抗倾覆性能的影响.

以直径为40 mm横索的极限抗拉强度为标准,分别取极限抗拉强度的20%,25%,30%,35%,40%,45%,50%作为拉索的预张力.经过计算结果显示,最下排跨中连接件的倾角最大,且最大倾角随横索预张力的变化曲线如图5所示.由图可知,随着横索预张力的增加,连接件的最大倾角逐渐减小.横索预张力平均每增加10 kN,连接件最大倾角减小1.11×10-4rad,影响程度较明显.

图5 最大倾角随横索预张力的变化曲线

出现这一现象的原因在于,连接件在玻璃重力作用下倾覆的过程中会给横索一个向上的力,使横索产生向上的挠曲变形.同时,横索产生一个向下的力,阻碍连接件的转动.横索的预张力越大,抵抗变形的能力越强,对连接件转动的阻碍也越大,从而导致连接件的最大倾角越小.

然后,以直径为26 mm的竖索的极限抗拉强度为标准,分别取极限抗拉强度的20%,25%,30%,35%,40%作为竖索的预张力.经过计算得到,最下排跨中连接件的倾角最大,且最大倾角随竖索预张力的变化曲线如图6所示.由图可知,随着竖索预张力的增加,连接件的最大倾角逐渐减小.竖索预张力平均每增加10 kN,最大倾角减小7×10-4rad,影响程度较明显.究其原因在于,竖索预张力越大,抵抗弯曲变形的能力越强,连接件的倾角越小.

图6 最大倾角随竖索预张力的变化曲线

由此可知,竖索预张力对连接件抗倾覆性能的影响大于横索.

2.2.3 拉索跨度的影响

从横索和竖索跨度2个方面分析拉索跨度对连接件抗倾覆性能的影响.

将横索跨度分别取值为9.0,10.8,12.6,14.4,16.2,18.0,19.8,21.6,23.4 m.经过计算得到,最下排跨中连接件的倾角仍为最大值,且最大倾角随横索跨度的变化曲线如图7所示.由图可知,随着横索跨度的增加,连接件最大倾角逐渐增大.横索跨度平均每增加1 m,最大倾角增加1.7×10-4rad,影响较明显.出现这一现象的原因在于,随着横索跨度的增加,边界约束对跨中连接件的约

图7 最大倾角随横索跨度的变化曲线

束逐渐减小,从而导致横索的横向挠曲刚度减小,对连接件倾覆的阻碍作用也相应减弱.

将竖索跨度分别取值为9.0,10.8,12.6,14.4,16.2,18.0,19.8,21.6,23.4 m.经过计算得到最下排跨中连接件倾角最大,且最大倾角随竖索跨度的变化曲线如图8所示.由图可知,随着竖索跨度的增加,连接件的最大倾角逐渐增大.竖索跨度平均每增加1 m,连接件的最大倾角增加2×10-4rad.究其原因在于,随着竖索跨度的增加,竖索所承受的玻璃重力越大,索网底部连接件处的索力越小,竖索面外刚度也越小,从而导致最大倾角越大.

图8 最大倾角随竖索跨度的变化曲线

由此可知,竖索跨度对连接件抗倾覆性能的影响略大于横索.

2.2.4 玻璃与竖索间距的影响

将玻璃与竖索的间距分别取值为40,60,80,100,120,140 mm.经过计算得到,最下排跨中连接件的倾角仍为最大,且最大倾角随玻璃与竖索间距的变化曲线如图9所示.由图可知,随着玻璃与竖索间距的增加,连接件的最大倾角逐渐增大.间距平均每增加10 mm,连接件最大倾角增加3×10-4rad,影响较大.这是因为玻璃与竖索间距越大,竖索受到的倾覆力矩越大,最大倾角也就越大.

图9 最大倾角随玻璃与竖索间距的变化曲线

2.2.5 索间距的影响

将索间距分别取值为40,50,60,70,80,90,100,110,120,130,140 mm.经过计算得到,最下排跨中连接件的倾角最大,且最大倾角随索间距的变化曲线如图10所示.由图可知,随着索间距的增加,连接件的最大倾角逐渐减小.索间距平均每增

图10 最大倾角随索间距的变化曲线

加10 mm,连接件的最大倾角减小1×10-4rad.这是因为索间距越大,抵抗连接件转动的力臂越大,最大倾角也就越小.

2.2.6 拉索握裹长度的影响

下面从横索握裹长度和竖索握裹长度2个方面来分析拉索握裹长度对连接件抗倾覆性能的影响.

将横索握裹长度分别取值为30,50,70,90,110,130,150 mm.经过计算得到最下排跨中连接件的倾角最大,且最大倾角随横索握裹长度的变化曲线如图11所示.由图可知,随着横索握裹长度的增加,最大倾角逐渐增大.横索握裹长度平均每增加10 mm,倾角增加10-6rad.因此,横索握裹长度对连接件的抗倾覆影响可以忽略不计.

图11 最大倾角随横索握裹长度的变化曲线

将竖索握裹长度分别取值为30,50,70,90,110,130,150 mm.经过计算得到最下排跨中连接件的倾角最大,且最大倾角随竖索握裹长度的变化曲线如图12所示.由图可知,随着竖索握裹长度的增加,最大倾角逐渐减小.竖索握裹长度平均每增

图12 最大倾角随竖索握裹长度的变化曲线

加10 mm,最大倾角减小9.17×10-4rad.出现这一现象的原因在于,竖索的握裹长度越大,连接件抵抗倾覆的力臂越长,从而导致最大倾角越小.

对比可知,竖索握裹长度对连接件抗倾覆性能的影响大于横索.

2.2.7 玻璃边长的影响

在跨度不变的前提下,正方形玻璃边长分别取0.9,1.4,1.8,2.1 m.经过计算得到最下排跨中连接件的倾角最大,且最大倾角随玻璃边长的变化曲线如图13所示.由图可知,随着玻璃边长的增加,最大倾角逐渐增大.当索网跨度为12.6 m时,倾角随玻璃边长的变化公式为y=0.051 8e2.099 9x.玻璃边长越大,每个连接件所承担的玻璃重力就越大,从而导致最大倾角越大.

图13 最大倾角随玻璃边长的变化曲线

3 结论

1) 竖索截面积对连接件抗倾覆性能的影响大于横索截面积,竖索预张力的影响大于横索预张力,竖索跨度的影响大于横索跨度,竖索握裹长度的影响大于横索握裹长度.

2) 竖索握裹长度平均每增加10 mm,最大倾角减小9.17×10-4rad;竖索预张力平均每增加10 kN,最大倾角减小7×10-4rad;玻璃与竖索间距平均每增加10 mm,最大倾角增加3×10-4rad;竖索跨度平均每增加1 m,最大倾角增加2×10-4rad;横索跨度平均每增加1 m,最大倾角增加1.7×10-4rad;横索预张力平均每增加10 kN,最大倾角减小1.11×10-4rad;索间距平均每增加10 mm,最大倾角减小1×10-4rad.

3) 索网中倾角的最大值出现在索网最下排的跨中处.

4) 增加竖索的截面积、预张力、握裹长度,减小竖索的跨度和玻璃边长有利于改善连接件的抗倾覆性能.

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Influencing factor analysis on overturning resistance of connectors in cable glass curtain wall

Chen Chen1Weng Zhenjiang2Yang Caiqian1Wang Guan1

(1School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)(2School of Architecture and Urban Planning, Yunnan University, Kunming 650091, China)

To improve the overturning resistance of connectors in a cable glass curtain wall, the main factors making connector overturning were discussed. A uniform mechanical model for both the spider and the glass-clamp connectors was proposed. The influences of the parameters, such as the cable sectional area, the pretension, the span, the space between the horizontal cable and the vertical cable, the space between the glass and the vertical cable,the bond length, the glass length and so on, on the overturning resistance were studied. The results show that the effect of the sectional area of the vertical cable on the overturning resistance of the connectors is greater than that of the sectional area of the horizontal cable. The effect of the pretension of the vertical cable is greater than that of the horizontal cable. The span of the vertical cable exhibits greater impact than that of the horizontal cable. The effect of the bond length of the vertical cable is greater than that of the horizontal cable. There is a power function relationship between the overturning angle and the sectional area of the vertical cable. When the span of the cable net is 12.6 m and the glass is square, an exponential relationship exists between the overturning angle and the glass length. The overturning angle of the connectors at the mid-span of the lowest row is the maximum. The overturning resistance of the connectors in the cable glass curtain wall can be improved by increasing the section area of the vertical cable, the pretension of the vertical cable as well as the bond length of the vertical cable and decreasing the span of the vertical cable and the glass length.

cable glass curtain wall; connector; overturning resistance; numerical simulation; parameter analysis

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.02.020

2016-08-09. 作者简介: 陈晨(1988—),女,博士生;杨才千(联系人),男,博士,研究员,博士生导师,ycqjxx@seu.edu.cn.

陈晨,翁振江,杨才千,等.拉索玻璃幕墙连接件抗倾覆性能的影响因素分析[J].东南大学学报(自然科学版),2017,47(2):320-324.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.02.020.

TU382

A

1001-0505(2017)02-0320-05