基于找形分析的单层平面索网玻璃幕墙自平直施工方法

摘要

本发明公布了一种基于找形分析的单层平面索网玻璃幕墙自平直施工方法。本发明方法在非线性有限元施工模拟分析阶段，采用“确定单层平面索网幕墙零状态的非线性有限元逆迭代法”进行找形分析，计算得到初始状态与设计成形状态下竖索上各结点高差值，用于指导现场施工；在现场施工控制阶段，通过画标记点的方法，根据有限元施工模拟计算得到的初始状态与设计成形状态下竖索上各结点高差值确定初始状态下各结点位置（索夹位置），再利用幕墙实际自重作用使所有结点自行位移到设计成形状态位置。本发明方法可节省大量施工成本，可操作性和适用性强（尤其适用于强风或超高幕墙），降低了施工难度和玻璃在施工过程及使用阶段的破损率，减少了安全隐患。

说明书

技术领域

本发明公开了一种基于找形分析的单层平面索网玻璃幕墙自平直施工方法，属单层平面索网幕墙 施工的技术领域。

背景技术

单层平面索网玻璃幕墙体系以其简洁的构造、轻盈的外观和极好的通透性而深受各方青睐。

单层平面索网是一种典型的柔性张力结构，其设计或施工过程中需明确结构的四种状态：1)零状 态：无自重、无预应力作用的放样状态，即结构成形的起始状态；2)初始状态：结构在预应力作用下 的平衡状态；3)设计成形状态：结构在预应力和玻璃、爪件和索等自重作用下的平衡状态；4)工作状 态：结构在预应力、自重及外部荷载(风、地震、温度等)作用下的平衡状态。

近十几年，单层平面索网玻璃幕墙发展迅猛，频繁出现在各类大型建筑外墙。快速而广泛的普及 对这种幕墙的发展带来了机遇，同时也隐藏着挑战。首先，单层平面索网幕墙随着尺度的增大，预张 力随之增大，带来了设计和施工的挑战；其次，建筑的千差万别为该种幕墙造就了各种复杂的边界条 件，导致其施工和使用阶段索力和变形均不尽相同；最后，高温差、强风场、超高等环境因素对其设 计和施工也提出了新的要求。

与设计相比，这些挑战来自施工方面的似乎更大些。目前，为使玻璃安装施工完毕后幕墙形态尽 量达到设计要求，减小后期调整的负面影响，国内外单层平面索网幕墙大多采用配重施工方法：首先， 横索和竖索不连接，分别给每根索施加预张力；然后，在竖索上网格结点附近挂配重，以模拟幕墙结 构恒载；接着，安装索夹和爪件，使横索和竖索结合为整体索网；最后，安装玻璃逐个替换下配重。 在第二步挂配重目的，是使结构恒载作用引起的支座位移和竖索变形等影响在横索和竖索结成索网之 前发生，以消除它们对索网网格尺寸和形状的影响，使最后幕墙成品网格尽量横平竖直、整齐均匀。

单层平面索网玻璃幕墙的施工需保证玻璃安装施工完毕后幕墙形态达到设计要求，目前常用施工 方法只能基本解决索网中竖索弹性变形问题，但带来了巨大的附加施工成本；而且在强风环境下或在 超高层建筑外墙施工，该方案施工非常困难；更重要的是生产安全隐患极大；另外，还受到结点配重 的限制，玻璃面内残余力较大。

发明内容

技术问题：本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种基于找形分析的单层平面索网玻璃幕墙 自平直施工方法。

技术方案：为解决上述问题，本发明的基于找形分析的单层平面索网玻璃幕墙自平直施工方法包括如 下步骤：

1)非线性有限元施工模拟分析阶段：

a)收集实际工程用料的准确几何和物理参数、工程实际边界条件；

b)根据收集的实际参数，建立单层平面索网玻璃幕墙的准确有限元模型；

c)采用“确定单层平面索网幕墙零状态的非线性有限元逆迭代法”进行找形分析，确定单层平 面索网幕墙实际的零状态、初始状态和设计成形状态；

所述确定单层平面索网幕墙零状态的非线性有限元逆迭代法如下：

确定单层平面索网幕墙零状态的非线性有限元逆迭代法包括如下步骤：

1a)分析准备：明确单层平面索网幕墙的设计成形状态、设计预应力和设计成形状态的荷载；设定逆 迭代分析的终止判断阈值ε；

2a)建立单层平面索网幕墙初始有限元模型：以设计成形状态下的目标几何构形{X}_aim作为最初零状 态的几何构形{X}₁，根据此几何构形、实际边界条件和材料参数建立有限元模型；令k＝1；

3a)逆迭代分析：

31a)对单层平面索网幕墙有限元模型按顺序施加设计预应力和设计成形状态的荷载，进行几何非 线性有限元计算，得到节点位移{Δ}_k；

32a)令{D}_k＝{X}_aim-({X}_k+{Δ}_k)，如果||{D}_k||_∞＜ε，则结束；否则，令{X}_k+1＝{X}_k+α{D}_k，k ＝k+1，α为修正因子矩阵，根据几何构形{X}_k更新有限元模型，跳转步骤31a)；

4a)状态确定：{X}_k为单层平面索网幕墙的零状态{X}₀；在零状态基础上确定单层平面索网幕墙实际 的初始状态和设计成形状态。

其中：

步骤2a)和步骤32a)所述的有限元模型中，平面索网两个方向的索不共结点。

步骤31a)所述的施加设计预应力和设计成形状态的荷载是指分别对两个方向的索施加成形状态下的 预应力和等效节点荷载平行于索方向的分量。

步骤32a)所述的修正因子矩阵α为对角阵，其计算方法为：

aa)对于等效节点荷载平行于索方向的分量为零的索：

α_i＝(1+ε_i)^-1≈1-ε_i

ε_i＝F_P/(EA)

ba)对于等效节点荷载平行于索方向的分量非零的索：

${\alpha }_i=\left(\begin{array}{cc}{(1+{ϵ}_1)}^{-1}={(1+e_1)}^{-1}& i=1\\ [{\alpha }_{i-1}{e}_{i-1}+{ϵ}_i/(1+{ϵ}_i)]/e_i& 1<i\le n\end{array}\right)$

ε_i＝F_i/(EA)

e_i＝ε₁+ε₂+ε₃+...+ε_i

F_i＝F_p+[(n+1)/2-i]F_k

式中：α_i-α对角线上的第i个元素；

ε_i-索第i个分段的弹性应变；

F_P-索的预张力；

F_k-一个节点上的等效节点荷载(设平面索网中各节点的等效节点荷载相同)；

E-索的弹性模量；

A-索的截面积。

步骤4a)所述的在零状态基础上确定单层平面索网幕墙实际的初始状态是对根据零状态{X}₀、实际边 界条件和材料参数建立的有限元模型(平面索网两个方向的索不共结点)施加设计预应力(分别对两个 方向的索)，进行几何非线性有限元计算，得到节点位移{Δ₁}，{X}₀+{Δ₁}即为单层平面索网幕墙的初 始状态。进一步，分别对两个方向的索施加成形状态下的等效节点荷载平行于索方向的分量，几何非 线性有限元分析后两个方向索上对应结点会集聚于其目标位置(偏差小于容许值)，此时耦合自由节 点i在两个方向索上对应结点线自由度，即可得到单层平面索网幕墙的设计成形状态。

d)计算得到现场施工指导数据，包括：索的下料长度；初始状态与设计成形状态下竖索上各结 点高差值；

2)现场施工控制阶段：

a)做好整体放线，确定每个索支座的位置；

b)按照设计要求将横竖索安装调整到位，并分别进行预应力张拉；

c)在竖索上画好索夹位置标记点；

d)按顺序安装索夹和玻璃；

e)整体检查，局部调整，打好密封胶，将横索与索夹锁紧，完成整个单层平面索网幕墙的施工；

f)结束；

其中：

步骤1-a)所述的实际工程用料的准确几何和物理参数，包括：所用索的截面积、弹性模量、线重 量和线膨胀系数；所用索夹、爪件、玻璃、橡胶垫片、塑料填充块和密封胶的重量。

步骤1-d)所述的索的下料长度为步骤1-c)得到的单层平面索网幕墙零状态下索的长度。

步骤2-b)所述的将横竖索安装调整到位是指安装好每根索后，微调各索端位置，以使横索两端 水平、竖索两端垂直和分格均匀。

步骤2-b)所述的预应力张拉是指张拉前做好张拉用工装，并针对实际工程边界刚度分布，调整 张拉顺序，加快收敛于设计值。

步骤2-c)所述的在竖索上画好索夹位置标记点是指首先参考横索支座位置，将设计成形状态下 各结点位置标记到竖索上；然后再根据步骤1-d)得到的初始状态与设计成形状态下竖索上各结点高差 值确定初始状态下各结点位置，此即为索夹位置，画好索夹位置标记点。

步骤2-d)所述的按顺序安装索夹和玻璃是指先根据步骤2-c)画好的索夹位置标记点，在竖索标 记点位置安装索夹，索夹与竖索锁紧，而与横索保持松开；然后再装玻璃，玻璃的安装可与索夹安装 同步推进，也可先将索夹全部安装完再装玻璃；索夹和玻璃的安装整体呈自下而上顺序；同一行玻璃 应从中间向两边对称安装。

步骤2-e)所述的整体检查是指检查每根横索对应的各个索夹间的高差，高差应小于3mm，若不 满足要求，局部调整解决后方可打密封胶，将横索与索夹锁紧。

有益效果：本发明的基于找形分析的单层平面索网玻璃幕墙自平直施工方法在保证玻璃安装施工 完毕后幕墙形态达到设计要求和解决施工中竖索弹性变形问题基础上，通过增加结构施工模拟分析， 取消了配重，节省了大量施工成本，可操作性和适用性强(尤其适用于强风或超高幕墙)，降低了施 工难度和玻璃在施工过程及使用阶段的破损率，减少了安全隐患。

附图说明

图1为基于找形分析的单层平面索网玻璃幕墙自平直施工方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明的基于找形分析的单层平面索网玻璃幕墙自平直施工方法的流程图如图1所示，具有如下步骤：

1)非线性有限元施工模拟分析阶段：

a)收集实际工程用料的准确几何和物理参数、工程实际边界条件；

b)根据收集的实际参数，建立单层平面索网玻璃幕墙的准确有限元模型；

c)采用“确定单层平面索网幕墙零状态的非线性有限元逆迭代法”进行找形分析，确定单层平 面索网幕墙实际的零状态、初始状态和设计成形状态；

所述确定单层平面索网幕墙零状态的非线性有限元逆迭代法如下：

确定单层平面索网幕墙零状态的非线性有限元逆迭代法包括如下步骤：

1a)分析准备：明确单层平面索网幕墙的设计成形状态、设计预应力和设计成形状态的荷载；设定逆 迭代分析的终止判断阈值ε；

2a)建立单层平面索网幕墙初始有限元模型：以设计成形状态下的目标几何构形{X}_aim作为最初零状 态的几何构形{X}₁，根据此几何构形、实际边界条件和材料参数建立有限元模型；令k＝1；

3a)逆迭代分析：

31a)对单层平面索网幕墙有限元模型按顺序施加设计预应力和设计成形状态的荷载，进行几何非 线性有限元计算，得到节点位移{Δ}_k；

32a)令{D}_k＝{X}_aim-({X}_k+{Δ}_k)，如果||{D}_k||_∞＜ε，则结束；否则，令{X}_k+1＝{X}_k+α{D}_k，k ＝k+1，α为修正因子矩阵，根据几何构形{X}_k更新有限元模型，跳转步骤31a)；

4a)状态确定：{X}_k为单层平面索网幕墙的零状态{X}₀；在零状态基础上确定单层平面索网幕墙实际 的初始状态和设计成形状态。

其中：

步骤2a)和步骤32a)所述的有限元模型中，平面索网两个方向的索不共结点。

步骤31a)所述的施加设计预应力和设计成形状态的荷载是指分别对两个方向的索施加成形状态下的 预应力和等效节点荷载平行于索方向的分量。

步骤32a)所述的修正因子矩阵α为对角阵，其计算方法为：

aa)对于等效节点荷载平行于索方向的分量为零的索：

α_i＝(1+ε_i)^-1≈1-ε_i

ε_i＝F_P/(EA)

ba)对于等效节点荷载平行于索方向的分量非零的索：

${\alpha }_i=\left(\begin{array}{cc}{(1+{ϵ}_1)}^{-1}={(1+e_1)}^{-1}& i=1\\ [{\alpha }_{i-1}{e}_{i-1}+{ϵ}_i/(1+{ϵ}_i)]/e_i& 1<i\le n\end{array}\right)$

ε_i＝F_i/(EA)

e_i＝ε₁+ε₂+ε₃+...+ε_i

F_i＝F_p+[(n+1)/2-i]F_k

式中：α_i-α对角线上的第i个元素；

ε_i-索第i个分段的弹性应变；

F_P-索的预张力；

F_k-一个节点上的等效节点荷载(设平面索网中各节点的等效节点荷载相同)；

E-索的弹性模量；

A-索的截面积。

步骤4a)所述的在零状态基础上确定单层平面索网幕墙实际的初始状态是对根据零状态{X}₀、实际边 界条件和材料参数建立的有限元模型(平面索网两个方向的索不共结点)施加设计预应力(分别对两个 方向的索)，进行几何非线性有限元计算，得到节点位移{Δ₁}，{X}₀+{Δ₁}即为单层平面索网幕墙的初 始状态。进一步，分别对两个方向的索施加成形状态下的等效节点荷载平行于索方向的分量，几何非 线性有限元分析后两个方向索上对应结点会集聚于其目标位置(偏差小于容许值)，此时耦合自由节 点i在两个方向索上对应结点线自由度，即可得到单层平面索网幕墙的设计成形状态。

d)计算得到现场施工指导数据，包括：索的下料长度；初始状态与设计成形状态下竖索上各结 点高差值；

2)现场施工控制阶段：

a)做好整体放线，确定每个索支座的位置；

b)按照设计要求将横竖索安装调整到位，并分别进行预应力张拉；

c)在竖索上画好索夹位置标记点；

d)按顺序安装索夹和玻璃；

e)整体检查，局部调整，打好密封胶，将横索与索夹锁紧，完成整个单层平面索网幕墙的施工；

f)结束；

其中：

步骤1-a)所述的实际工程用料的准确几何和物理参数，包括：所用索的截面积、弹性模量、线重 量和线膨胀系数；所用索夹、爪件、玻璃、橡胶垫片、塑料填充块和密封胶的重量。

步骤1-d)所述的索的下料长度为步骤1-c)得到的单层平面索网幕墙零状态下索的长度。

步骤2-b)所述的将横竖索安装调整到位是指安装好每根索后，微调各索端位置，以使横索两端 水平、竖索两端垂直和分格均匀。

步骤2-b)所述的预应力张拉是指张拉前做好张拉用工装，并针对实际工程边界刚度分布，调整 张拉顺序，加快收敛于设计值。

步骤2-c)所述的在竖索上画好索夹位置标记点是指首先参考横索支座位置，将设计成形状态下 各结点位置标记到竖索上；然后再根据步骤1-d)得到的初始状态与设计成形状态下竖索上各结点高差 值确定初始状态下各结点位置，此即为索夹位置，画好索夹位置标记点。

步骤2-d)所述的按顺序安装索夹和玻璃是指先根据步骤2-c)画好的索夹位置标记点，在竖索标 记点位置安装索夹，索夹与竖索锁紧，而与横索保持松开；然后再装玻璃，玻璃的安装可与索夹安装 同步推进，也可先将索夹全部安装完再装玻璃；索夹和玻璃的安装整体呈自下而上顺序；同一行玻璃 应从中间向两边对称安装。

步骤2-e)所述的整体检查是指检查每根横索对应的各个索夹间的高差，高差应小于3mm，若不满足 要求，局部调整解决后方可打密封胶，将横索与索夹锁紧。