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【摘 要】 本文结合自己工作经验，对点支式玻璃幕墙结构设计进行了分析和探讨。
【关键词】 点支式；玻璃幕墙；结构设计
一、玻璃幕建筑结构的组成与类别
玻璃幕建筑是指以玻璃作为覆盖幕面的一种建筑，它可以是建筑的屋盖、墙体、楼层、楼梯、走道栏板或整个建筑。
众所周知玻璃是一种脆性材料，由于制成时不可避免的内在缺陷，强度较低。此外，因受生产工艺限制，其板厚和板面尺度也有限，故常需适当的结构体系作支承，才能形成予期的建筑。这一结构体系称为玻璃幕建筑的支承结构，它与玻璃幕面共同组成玻璃幕建筑结构。
1、玻璃幕建筑结构的组成及基本要求
玻璃幕建筑的支承结构可以是由玻璃或铝、钢等金属材料组成。因此可以说：玻璃幕建筑结构是由玻璃与金属等材料，经加工、连接和安装组成的可独立地承受各种可能荷载作用，并满足各预定功能要求的工程构筑物。通常，它包括玻璃面板、支承结构（含连接件）和基座（结构）等三部分。对于点支式玻璃幕建筑结构而言，连接件是指螺栓组件和支承装置；基座是指玻璃幕建筑结构赖以坐落支承的部分。
2、玻璃幕建筑结构的类别
在结构设计中，必须首先选择并确定结构的类别，并进而了解结构的性能和可能的荷载作用，才能正确地给出结构的计算模型和进行结构分析。对于玻璃幕建筑结构，可按以下条件划分其类别：
（1）按玻璃面板支承状况分为：线支式结构和点支式结构；
（2）按玻璃面板是否作为该结构的必要受力部件分为：组合式结构和集合式结构。前者玻璃面板与其它板件共同组成统一的结构体系，并相互依存不可或缺，否则结构失效；后者，一般视玻璃面板为其附属结构，支承结构（包括基座）为其基本结构，二者相对独立
（3）按支承结构刚劲性分为：刚性支承结构（如梁、刚架、桁架、网架等）和柔性支承结构（如张拉索杆结构等）。前者组成结构的基本构件，均为刚性杆件；后者组成结构的相当多的基本构件不是刚性，而是仅能承受拉力的柔性杆件。
二、张拉索杆结构体系的组成及其布置
1、甚么是张拉索杆结构
张拉索杆结构是指由柔性张拉索（或链杆，下同）及刚性撑杆组成的结构。它在设计、施工和使用过程中柔性索必须具有足够和适当的张拉力。
2、张拉索杆结构体系的组成
这种结构体系通常由张拉索杆基本结构组件和支座（结构）组成，必要时需设置平衡重力的索（重力性索）和保证结构体系稳定性的索（稳定性索）。其张拉索杆基本结构组件可以是自平衡的或非自平衡的，前者张拉索的端部的张力由组件内的纵向中心撑杆平衡；后者张拉索的端部的张力需由组件的支座（结构）平衡。
3、张拉索杆结构体系的分类与布置
张拉索杆结构的体系，按其受力工作状况，可分为单向受力体系和双向受力体系：
（1）单向受力体系是由单一方向布置的若干张拉索杆基本结构组件和必要的重力与稳定性索（或杆件）组成。
（2）受力体系是由相互交叉的张拉索杆基本结构组件和必要时的一些重力与稳定性索（或杆件）组成。其交叉与布置，常根据建筑及结构设计要求确定，可以是正交正放，正交斜放或斜交斜放等。
4、主受力索，重力性索与稳定性索的作用和张力要求
主受力索——是张拉索杆结构体系中基本结构组件的主受拉力元件，应始终具有足够而适当的初张拉力，使之不退出工作和被拉断，即内力总是正定的。
重力性索——为改善张拉索杆基本结构组件的受力，用以平衡重力性荷载而设置的拉索。一般平行于玻璃板面的重力方向布置，可不需要太大的初张力，但应张紧，并足以承受其重力荷载。
稳定性索——为保证张拉索杆结构体系中的基本结构组件及其某些撑杆平面外的稳定性和减少可能的风振而设置的索，也常用它保证玻璃幕结构体系中某些刚性构件的平面外稳定性。这种索的初张力虽不需很大，但索的张力设计，必须给上述被稳定构件以足够的侧向支承力，以保证其不发生侧向失稳。
三、张拉索杆结构体系设计中的若干问题
1、体系的选择
单向受力体系的布置、索张力施加和控制相对比较简单，受力明确。当其为单跨时，可不受支座刚度影响；但当为多跨连续时，支座的压缩刚度对结构内力和变形有相当大的影响。常为不太大建筑面积空间及荷载情况下采用。
双向受力体系的布置，可有多种型式，其索的张拉力的施加和控制比较麻烦，受力复杂。但在相同建筑面积空间及荷载情况下索的张力较小，且常可省去一些重力性索和稳定性索。故相对较省钢，而为较大建筑面积空间及荷载情况下采用。
2、体系的布置
（1）单向受力体系布置中，常需设重力性索，必要时应布置稳定性索。
（2）双向受力体系布置中，多在短向布置主受力基本结构组件，长向布置辅受力基本结构组件的单元，二者的横向撑杆常共用。当辅受力基本结构组件的某些索元与重力性索位置一致时，二者可合而为一。
（3）平面自平衡基本结构组件及平面钢桁架常作为单向受力体系的中间支座，此时应考虑其平面外稳定性的保证和必要的防止失穩元件的设置。
3、荷载、作用值及其可能组合
对于张拉索杆这种柔性结构，理应采用非线性二阶分析方法进行结构计算，其荷载作用也应先组合，后逐级施加，但在实际中很难实施。一些研究分析表明：对于一般不大的张拉索杆结构，如具有适当的初张力时，可以按一阶分析，荷载作用采用线性组合，构件计算中考虑二阶效应。这样引起的误差不会很大。
活载，风载与地震作用等可变性荷载作用的可能组合及其组合系数的选择，应按现行《建筑结构荷载规范》执行。考虑到尚无数十甚至千百年一遇的风载同时发生地震的历史记载，而且二者的峰值又都是瞬间一过性的作用，玻璃幕建筑结构的自重又不很大，故对这种结构而言，风载作为第一可变荷载与地震作用组合似不必要。当然设防烈度下的地震作用与可能的风载组合是应该的。 4、张拉索初始张拉应力值的选定与最小值的控制
张拉索杆结构同其它结构的根本区别在于其受拉杆件应始终处于张拉状态，即必须保持其内力是正定性。一旦呈现非正定时，结构刚度将极大降低或承载力丧失。而保持张拉杆受力正定性的关键是正确地设定其初张力值。初张力值设置过小，不利荷载作用下，一些张拉杆将因其内力减小为零（负）而退出工作，致使结构性能退化；如果初张力值设置过大，不利荷载作用下，某些张拉杆将因其强度不足而破断，致使结构毁坏；如其截面设计过大，不利荷载作用下，这些张拉杆虽不会因其强度不足而破断，但却材料增多，索直径粗影响结构的轻盈通透性。对于如图—1，2示结构组件，当作为玻璃幕结构，可能承受正、反两方向荷载时，其主张拉索杆的初张应力值σ0的范围可按以下建议设置：
（1）对于普通强度不锈钢材，当以其抗拉屈服强度设计值fd考虑时，设为：
25%≤σ0/fd≤50%（5-1）
（2）对于高强度钢材，当以材料抗拉极限强度设计值考虑时，如取其设计值为：fd≤0.45fu，将其代入式（1）并取整则有：
12%≤σ0/fu≤22%（5-2）
需要指出的是，初张力对张拉索结构是必须的，且随其值的增大，组件刚度也有提高，但提高有限，不如增大张拉索的面积有效。
至于重力性索的初张力可不必施加过大，σ0∕fdS≈10%；稳定性索的初张力，则应根据被保证构件稳定性所需要的支撑力，参考有关文献资料确定。
四、点支式玻璃幕单索支承结构体系的设计要点
1、体系与布置
（1）体系：墙面与水平面夹角750≤θ≤900；当900≤θ≤750时则视为采光顶。
·索的体系可分为：单层索与平行双层索及其撑杆的两类，又各有单向受力和双向受力体系之分。
·单向受力体系，索的受力明确，施工方便，索直径较粗；
·双向受力体系，索的受力复杂，施工困难，索直径较细；
（2）布置：索间距与玻璃板块协调一致
2、设计与分析
（1）设计：控制索的受力和挠度。
·索的最大应力不大于索强度设计值，σmax≤fds；
·索的最大挠度不大于索的容许挠度fmax≤[f]=L/60
（2）分析：采用几何非线性分析方法。或问题简单时用解析法。
初步估算，可采用荷载分项计算然后叠加的方法求得索的内力NT。对单向受力体系的竖向索，可用下式估算NT：
NT=（（qW+qx+qE）L2/8f0）+（qy+qE）L（7-1）
式中：qW，qx，qE——分别为垂直于玻璃板面的单索上的风，自重，地震作用的线荷载设计值；
L——为拉索跨度；
f0——索的初设挠度值。
3、安全控制
（1）初应力的设置σ0≥fsd5%，其值对刚度有正贡献；对强度有负贡献。拉伸弹簧的设置可防止索超张破断，但是使挠度增大，不利于玻璃受力。弹簧的拉伸刚度K （2）玻璃的连接装置应有足够变形适应能力。
（3）玻璃及索的强度设计值的取值可与张拉索杆体系中的相同。
（4）动力响应分析
對于大型和复杂形状的玻璃幕的单索支承结构体系，因其柔性较大，常需进行其风振和地震反应动力响应分析[8]。
五、结束语
张拉索杆及单索结构体系是点支式玻璃幕建筑较新的一种支承结构。它的杆件纤细，结构轻頴，建筑内外的交流通透性强，故常为建筑设计者所青睐。但它却是一种具有较大张力索的柔性结构，其受力分析较繁，结构工作的敏感性较强，设计规程尚不够完善，需要建造者大胆创新，慎密研究；精心设计，精心施工；合理使用和及时维护，才能获得预期的良好效果。
【关键词】 点支式；玻璃幕墙；结构设计
一、玻璃幕建筑结构的组成与类别
玻璃幕建筑是指以玻璃作为覆盖幕面的一种建筑，它可以是建筑的屋盖、墙体、楼层、楼梯、走道栏板或整个建筑。
众所周知玻璃是一种脆性材料，由于制成时不可避免的内在缺陷，强度较低。此外，因受生产工艺限制，其板厚和板面尺度也有限，故常需适当的结构体系作支承，才能形成予期的建筑。这一结构体系称为玻璃幕建筑的支承结构，它与玻璃幕面共同组成玻璃幕建筑结构。
1、玻璃幕建筑结构的组成及基本要求
玻璃幕建筑的支承结构可以是由玻璃或铝、钢等金属材料组成。因此可以说：玻璃幕建筑结构是由玻璃与金属等材料，经加工、连接和安装组成的可独立地承受各种可能荷载作用，并满足各预定功能要求的工程构筑物。通常，它包括玻璃面板、支承结构（含连接件）和基座（结构）等三部分。对于点支式玻璃幕建筑结构而言，连接件是指螺栓组件和支承装置；基座是指玻璃幕建筑结构赖以坐落支承的部分。
2、玻璃幕建筑结构的类别
在结构设计中，必须首先选择并确定结构的类别，并进而了解结构的性能和可能的荷载作用，才能正确地给出结构的计算模型和进行结构分析。对于玻璃幕建筑结构，可按以下条件划分其类别：
（1）按玻璃面板支承状况分为：线支式结构和点支式结构；
（2）按玻璃面板是否作为该结构的必要受力部件分为：组合式结构和集合式结构。前者玻璃面板与其它板件共同组成统一的结构体系，并相互依存不可或缺，否则结构失效；后者，一般视玻璃面板为其附属结构，支承结构（包括基座）为其基本结构，二者相对独立
（3）按支承结构刚劲性分为：刚性支承结构（如梁、刚架、桁架、网架等）和柔性支承结构（如张拉索杆结构等）。前者组成结构的基本构件，均为刚性杆件；后者组成结构的相当多的基本构件不是刚性，而是仅能承受拉力的柔性杆件。
二、张拉索杆结构体系的组成及其布置
1、甚么是张拉索杆结构
张拉索杆结构是指由柔性张拉索（或链杆，下同）及刚性撑杆组成的结构。它在设计、施工和使用过程中柔性索必须具有足够和适当的张拉力。
2、张拉索杆结构体系的组成
这种结构体系通常由张拉索杆基本结构组件和支座（结构）组成，必要时需设置平衡重力的索（重力性索）和保证结构体系稳定性的索（稳定性索）。其张拉索杆基本结构组件可以是自平衡的或非自平衡的，前者张拉索的端部的张力由组件内的纵向中心撑杆平衡；后者张拉索的端部的张力需由组件的支座（结构）平衡。
3、张拉索杆结构体系的分类与布置
张拉索杆结构的体系，按其受力工作状况，可分为单向受力体系和双向受力体系：
（1）单向受力体系是由单一方向布置的若干张拉索杆基本结构组件和必要的重力与稳定性索（或杆件）组成。
（2）受力体系是由相互交叉的张拉索杆基本结构组件和必要时的一些重力与稳定性索（或杆件）组成。其交叉与布置，常根据建筑及结构设计要求确定，可以是正交正放，正交斜放或斜交斜放等。
4、主受力索，重力性索与稳定性索的作用和张力要求
主受力索——是张拉索杆结构体系中基本结构组件的主受拉力元件，应始终具有足够而适当的初张拉力，使之不退出工作和被拉断，即内力总是正定的。
重力性索——为改善张拉索杆基本结构组件的受力，用以平衡重力性荷载而设置的拉索。一般平行于玻璃板面的重力方向布置，可不需要太大的初张力，但应张紧，并足以承受其重力荷载。
稳定性索——为保证张拉索杆结构体系中的基本结构组件及其某些撑杆平面外的稳定性和减少可能的风振而设置的索，也常用它保证玻璃幕结构体系中某些刚性构件的平面外稳定性。这种索的初张力虽不需很大，但索的张力设计，必须给上述被稳定构件以足够的侧向支承力，以保证其不发生侧向失稳。
三、张拉索杆结构体系设计中的若干问题
1、体系的选择
单向受力体系的布置、索张力施加和控制相对比较简单，受力明确。当其为单跨时，可不受支座刚度影响；但当为多跨连续时，支座的压缩刚度对结构内力和变形有相当大的影响。常为不太大建筑面积空间及荷载情况下采用。
双向受力体系的布置，可有多种型式，其索的张拉力的施加和控制比较麻烦，受力复杂。但在相同建筑面积空间及荷载情况下索的张力较小，且常可省去一些重力性索和稳定性索。故相对较省钢，而为较大建筑面积空间及荷载情况下采用。
2、体系的布置
（1）单向受力体系布置中，常需设重力性索，必要时应布置稳定性索。
（2）双向受力体系布置中，多在短向布置主受力基本结构组件，长向布置辅受力基本结构组件的单元，二者的横向撑杆常共用。当辅受力基本结构组件的某些索元与重力性索位置一致时，二者可合而为一。
（3）平面自平衡基本结构组件及平面钢桁架常作为单向受力体系的中间支座，此时应考虑其平面外稳定性的保证和必要的防止失穩元件的设置。
3、荷载、作用值及其可能组合
对于张拉索杆这种柔性结构，理应采用非线性二阶分析方法进行结构计算，其荷载作用也应先组合，后逐级施加，但在实际中很难实施。一些研究分析表明：对于一般不大的张拉索杆结构，如具有适当的初张力时，可以按一阶分析，荷载作用采用线性组合，构件计算中考虑二阶效应。这样引起的误差不会很大。
活载，风载与地震作用等可变性荷载作用的可能组合及其组合系数的选择，应按现行《建筑结构荷载规范》执行。考虑到尚无数十甚至千百年一遇的风载同时发生地震的历史记载，而且二者的峰值又都是瞬间一过性的作用，玻璃幕建筑结构的自重又不很大，故对这种结构而言，风载作为第一可变荷载与地震作用组合似不必要。当然设防烈度下的地震作用与可能的风载组合是应该的。 4、张拉索初始张拉应力值的选定与最小值的控制
张拉索杆结构同其它结构的根本区别在于其受拉杆件应始终处于张拉状态，即必须保持其内力是正定性。一旦呈现非正定时，结构刚度将极大降低或承载力丧失。而保持张拉杆受力正定性的关键是正确地设定其初张力值。初张力值设置过小，不利荷载作用下，一些张拉杆将因其内力减小为零（负）而退出工作，致使结构性能退化；如果初张力值设置过大，不利荷载作用下，某些张拉杆将因其强度不足而破断，致使结构毁坏；如其截面设计过大，不利荷载作用下，这些张拉杆虽不会因其强度不足而破断，但却材料增多，索直径粗影响结构的轻盈通透性。对于如图—1，2示结构组件，当作为玻璃幕结构，可能承受正、反两方向荷载时，其主张拉索杆的初张应力值σ0的范围可按以下建议设置：
（1）对于普通强度不锈钢材，当以其抗拉屈服强度设计值fd考虑时，设为：
25%≤σ0/fd≤50%（5-1）
（2）对于高强度钢材，当以材料抗拉极限强度设计值考虑时，如取其设计值为：fd≤0.45fu，将其代入式（1）并取整则有：
12%≤σ0/fu≤22%（5-2）
需要指出的是，初张力对张拉索结构是必须的，且随其值的增大，组件刚度也有提高，但提高有限，不如增大张拉索的面积有效。
至于重力性索的初张力可不必施加过大，σ0∕fdS≈10%；稳定性索的初张力，则应根据被保证构件稳定性所需要的支撑力，参考有关文献资料确定。
四、点支式玻璃幕单索支承结构体系的设计要点
1、体系与布置
（1）体系：墙面与水平面夹角750≤θ≤900；当900≤θ≤750时则视为采光顶。
·索的体系可分为：单层索与平行双层索及其撑杆的两类，又各有单向受力和双向受力体系之分。
·单向受力体系，索的受力明确，施工方便，索直径较粗；
·双向受力体系，索的受力复杂，施工困难，索直径较细；
（2）布置：索间距与玻璃板块协调一致
2、设计与分析
（1）设计：控制索的受力和挠度。
·索的最大应力不大于索强度设计值，σmax≤fds；
·索的最大挠度不大于索的容许挠度fmax≤[f]=L/60
（2）分析：采用几何非线性分析方法。或问题简单时用解析法。
初步估算，可采用荷载分项计算然后叠加的方法求得索的内力NT。对单向受力体系的竖向索，可用下式估算NT：
NT=（（qW+qx+qE）L2/8f0）+（qy+qE）L（7-1）
式中：qW，qx，qE——分别为垂直于玻璃板面的单索上的风，自重，地震作用的线荷载设计值；
L——为拉索跨度；
f0——索的初设挠度值。
3、安全控制
（1）初应力的设置σ0≥fsd5%，其值对刚度有正贡献；对强度有负贡献。拉伸弹簧的设置可防止索超张破断，但是使挠度增大，不利于玻璃受力。弹簧的拉伸刚度K
（3）玻璃及索的强度设计值的取值可与张拉索杆体系中的相同。
（4）动力响应分析
對于大型和复杂形状的玻璃幕的单索支承结构体系，因其柔性较大，常需进行其风振和地震反应动力响应分析[8]。
五、结束语
张拉索杆及单索结构体系是点支式玻璃幕建筑较新的一种支承结构。它的杆件纤细，结构轻頴，建筑内外的交流通透性强，故常为建筑设计者所青睐。但它却是一种具有较大张力索的柔性结构，其受力分析较繁，结构工作的敏感性较强，设计规程尚不够完善，需要建造者大胆创新，慎密研究；精心设计，精心施工；合理使用和及时维护，才能获得预期的良好效果。