自平衡索结构在建筑幕墙中的应用

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自平衡索结构在建筑幕墙中的应用,大家探讨一下!
1953年， Raleigh体育馆在美国建成。这座采用鞍形正交索网的建筑开创了现代悬索结构的先河。在之后的几十年中，悬索结构在大跨度的建筑中获得日益广泛的应用，索结构的相关理论和实验研究也取得了很大的进展。不过索结构在建筑幕墙领域中的应用则是最近10年的事情。
传统幕墙的支撑结构多为短跨连续梁或铰接多跨梁，跨度较大时也会采用桁架或网架的连接方法。虽然人们早就认识到索结构的种种好处，但从未看到索结构用于幕墙领域的报道。这种情况一直到点驳幕墙出现为止。以4点或6点金属构件连接玻璃板块的点驳幕墙一经问世，便受到建筑师的热烈欢迎。它轻盈、通透，充分展现出结构的美感，是现代主义风格建筑的典型表达形式。在这种幕墙系统中，支撑结构不再隐藏了，而是积极地参与立面表现，一跃成为装饰的主角与灵魂。传统幕墙的支撑结构在这里变得不知所措，他们或不简洁、或不精致，总也无法展现点驳幕墙那玲珑剔透的本质内涵。轻巧纤细的索就在这个时候走进了幕墙领域，并迅速为人们所认可和接受。
索是柔性材料，一般都是通过施加预紧力来保持形状和刚度。与传统的桁架结构、网架结构所不同的是：索结构在荷载作用下会产生较大轴向张力，有时仅仅是索成形所需要的预紧力就很可观。这些轴向张力需要依靠建筑结构来平衡。而建筑结构设计时除非是考虑了索结构的张力作用，否则多半不能满足连接要求。无疑，索的这种结构特点限制了它的应用范围。不过有难题就必然会有解决的方法，一种能够自我平衡索张力的构造―“自平衡索结构体系”便应运而生了。

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“自平衡索结构体系”并不是一个崭新的概念，它的设计思想得益于传统悬索结构中的“索拱体系”。 “索拱体系”曾是索结构混合体系中一个了不起的创造，它将绷紧的索与拱连在一起，在充分发挥各自特点的同时还互相限制了彼此的弱点。这种构造除了刚度和稳定性极好外，施加在建筑支撑结构上的作用力也很小。“自平衡索结构体系”正是由此出发，采用了由“索”、用于保持索形状的“撑杆”和用于平衡索张力的“立杆”组成了一个内力平衡的索结构体系（图1）。这种结构形式对于建筑主体的边界要求与桁架结构别无二致，显然索结构的应用范围从此扩展了。
“自平衡索结构”可以与“索拱结构”具有相似的外形特征，但从本质特性上讲两者是有区别的。在“索拱体系”中“索”通过施加预紧力调整“索”与“拱”之间的受力比例，可见“索”和“拱”是两个相互作用的构件。“索拱体系”通常用以承受单向荷载作用，因而施加的预应力较小，传递给建筑支撑结构上的作用力就更小了。但“自平衡索结构”是作为一个完整的结构构件存在的，它即不是“拱”又不是“索” ，反倒更接近桁架的结构形式。“自平衡索结构体系”被设计用于承受双向荷载，预应力施加后的内力在结构内部平衡，对建筑结构而言，这种结构不传递由预紧力产生的任何内力！由此看出“索拱结构”的相关理论对于“自平衡索结构体系”来讲并不适用，这一点非常重要！
“自平衡索结构”通常有单索和双索两种结构平面布置形式：单索由“索”和“立杆”共同工作（图2），索的预紧力较大，以保证索在任何工况下均不退出工作。双索由对称布置的两道“索”和位于中性轴的“立杆”组成受力体系（图3），通常预紧力取值较小，但占用的空间却较大。
单索结构的特点是充分地利用了所有的材料，同时又有较为紧凑的空间结构。在单索结构中，立杆不仅用于平衡索的内力，同时也参与结构受力。由于“立杆”会承受较大的弯距，所以单索结构的“立杆”通常都较粗，这对外观效果会有不利的影响。但由于少了一道索，单索的宽度会大大减小，如果比较重视空间占用问题的话，单索结构无疑是有优势的。此外从成本上讲，单索结构的成本也较低。只是在预应力施加过程中，“立杆”偏心受压会产生一定的弯曲变形，在施工工艺上必须考虑对应的处理措施，比如“立杆”可以预先反向起拱，在索施加预紧力后两个方向的变位正好相互抵消，从而消除“立杆”变形的问题。
双索结构相对复杂一些。较为常见的一种双索布置方式是两根索沿中性轴对称布置，施加以相同的预紧力，在任何工况索的预紧力均不退为零。“立杆”沿中性轴布置，主要用于平衡轴向的压力，在参与工作时被分配的弯距极小。此外索的预紧力也不对“立杆”产生附加弯距，所以“立杆”的直径可以取得很小。这种构造形式具有比较轻巧的外观特性，从外观造型上讲具有优势。不过由于索及配套的索具成本较高，这种结构形式相对于单索成本较高。

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此外还有一种双索做法：两根索仍沿对称轴对称布置，但仅施加很小的预紧力以收紧两侧的索。这样在荷载作用下仅有一侧的索与立杆组合参与工作，另外一侧的索允许退出工作。这种做法的好处是可以大大减小索的预紧力，结构简单，施工容易，可靠程度高。但由于每次只有一侧的索参与工作，所以构件的矢高只有构件宽度的一半，因而结构占用的空间会较大。“立杆”在双向荷载作用下均参加工作，并且会被分配较多的弯距，因而直径较粗，外观效果并不理想。
在“自平衡索结构体系”中，预紧力的确定是一项极为重要的内容。除了无预应力双索结构外，索的预紧力控制一般都遵循‘在任何工况下，索的预紧力不退为零，并保持一定储备’的原则。在这条原则下，工作于所有工况下的“自平衡索结构”均按照不变的力学模型进行分析和计算。除了风荷载、地震荷载等重点考虑工况外，温度作用有时也很关键。客观的说“自平衡索结构体系”对温度应力不如传统的索结构敏感。在传统的索结构中，索与建筑支撑结构热膨胀差别巨大，因而用于消除温度作用影响的预紧力是很可观的。在“自平衡索结构体系”中，立杆与索温度差别极小，如果索与立杆的膨胀系数相近的话，温度应力几乎可以不预以考虑。当然在两种材料的热膨胀系数差别较大的时候，仍然要考虑温度作用的影响。
在实际设计中，除了按照各种可能荷载的工况下计算预紧力外，还需要考虑施工过程中的预应力损失问题。与“自平衡索结构体系”相关的预应力损失基本上以瞬时损失为主，通常以下两种形式表现：
1、        摩擦损失：这种情况主要是由于索通过撑杆成形时，索与撑杆连接处存在着摩擦力。摩擦损失是“自平衡索结构体系”预应力损失的一种主要形式。减少预应力的摩擦损失一般是在两个方面着手：首先是在索的布局上尽量避免索在撑杆处的过渡出现过大的角度，同时索与撑杆的连接采用导向块等工艺装置（如图4），保证撑杆连接处的索平滑过渡；其次在连接材料上着手，比如撑杆与索之间的滑槽中采用摩擦系数很低的距四氟乙烯塑料加以衬垫，进一步减小预应力的摩擦损失。预应力的摩擦损失通常采用应变电阻仪直接测定的方法，既简单又有效。
2、        锚固损失：这种情况主要是由于索通过锚具与立杆连接时锚具变形内缩引起的预应力损失。在跨度较小的“自平衡索结构”中，通常是通过系统自带的收紧装置施加预紧力的（如图6），因而这一项预应力损失并不存在。只有在大跨度的“自平衡索结构”中，索的预紧力靠额外的压力设备施加时才会出。这种情况解决起来也比较简单，通常预紧力施加到规定值后将撑杆与索的连接处锁紧，然后继续施加补偿预紧力，最后才通过锚具连接到立杆。如果控制的好，可以基本消除预紧力的锚固损失。
“自平衡索结构” 的立杆的材料一般均为钢材，钢在常温下的蠕变几乎可以忽略不计，而用来做索的材料一般都选用低松弛钢索，并且在使用之前还经过了预张拉处理，所以预应力的长期损失一般都不考虑。在最终确定预紧力的时候只累加前两项预应力损失。

zhangchanglf

最好能发个工程实例，撑杆是穿过中间钢管的吗，是自由活动的吗？中间钢管是受压吧，他的长细比应控制为多少啊

doublekill

对啊 没有图片啊也