論概率極限設(shè)計法在幕墻單索結(jié)構(gòu)計算中的局限性

　　 　　本文作者：王飛勇　　花定興　　張桂先
　　1.單索結(jié)構(gòu)理論計算方法在規(guī)范中的空白
　　《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》中“極限狀態(tài)設(shè)計表達式”－節(jié)對于每一種組合均注明:“荷載效應(yīng)的基本組合僅適用于荷載效應(yīng)與荷載為線性關(guān)系的情況”，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》條文說明3.2中也說明:“必須注意，規(guī)范給出的表達式都是以荷載與荷載效應(yīng)有線性關(guān)系為前提，對于明顯不符合該條件的情況，應(yīng)在各本結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中對此作出相應(yīng)的補充規(guī)定。”《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》 JGJ 102一2003作用效應(yīng)組合基本延續(xù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的表達式，并投有注明僅適用于荷載與荷載效應(yīng)成線性關(guān)系的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致一些幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計人員誤解。實際上，現(xiàn)在幕墻結(jié)構(gòu)體系中的單向單索或單層平面索網(wǎng)(以下統(tǒng)稱單索)結(jié)構(gòu)正是荷載與荷載效應(yīng)不成線性關(guān)系的結(jié)構(gòu)，因此，(建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》的效應(yīng)組合并不適用于單索結(jié)構(gòu)體系，也沒有給出單獨的計算方法。　
　　隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，業(yè)主和建筑師對美觀的要求越來越高，單索結(jié)構(gòu)體系由于 其通透性、簡潔性得到了越來越普遍的應(yīng)用，特別是在一些機場、科技館之類的公共建筑，如廣州白云機場二期擴建工程、昆明機場主航站樓、長春科技館等等，都采用了大面積的單索結(jié)構(gòu)幕墻，單索結(jié)構(gòu)應(yīng)用越來越廣泛了。由于單索結(jié)構(gòu)幾何非線性的特點，單索結(jié)構(gòu)在初始狀態(tài)下剛度為零，只有當(dāng)變形后才具有剛度，而且，隨著荷載的增加，結(jié)構(gòu)變形越大，抵抗荷載的能力越強，也即剛度越大，因此，單索結(jié)構(gòu)是典型的幾何非線性結(jié)構(gòu)，明顯不滿足“荷載與荷載效應(yīng)成線性關(guān)系”的條件。由于沒有相關(guān)規(guī)范對單索計算方法作出規(guī)定，這就導(dǎo)致了不管是業(yè)主、招標代理單位、設(shè)計院、幕墻顧問公司，還是幕墻設(shè)計和施工單位，在單索等大變形結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算中存在一定的誤區(qū)。

　　 2.目前單索結(jié)構(gòu)計算理論的誤區(qū)
　　按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的極限狀態(tài)表達式，均是荷載產(chǎn)生的效應(yīng)進行疊加組合，在小變形結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)是線彈性的，因此，各荷載的效應(yīng)是可以進行疊加的;但是在大變形結(jié)構(gòu)中，荷載和荷載效應(yīng)是非線性的，那么荷載效應(yīng)就不能進行疊加;因此，計算像單索這種大變形結(jié)構(gòu)時，應(yīng)該采用荷載組合而不是效應(yīng)組合，這是大變形結(jié)構(gòu)與小變形結(jié)構(gòu)一個重大的不同之處，也是《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》“荷載效應(yīng)組合”在概念上不符合大變形結(jié)構(gòu)的地方。這一點在實際應(yīng)用中反而歪打正著，這是因為，在幕墻行業(yè)中，為了計算上的方便，幕墻結(jié)構(gòu)計算人員都是普遍采用荷載組合而不是效應(yīng)組合。計算撓度時，大家采用荷載標準值組合，計算拉力時，大家采用荷載設(shè)計值組合。我們肯定了在單索等大變形結(jié)構(gòu)中采用荷載組合而不是效應(yīng)組合的正確性，現(xiàn)在主要探討的是:對于單索這種幾何非線性結(jié)構(gòu)，計算撓度采用荷載標準值組合，計算結(jié)構(gòu)的拉力時，能采用荷載設(shè)計值組合嗎?采用荷載設(shè)計值組合來計算能保證單索的最小總安全系數(shù)K=2.5嗎?實際上大多數(shù)幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計人員都是采用荷載設(shè)計值組合計算單索，即計算荷載設(shè)計值時，先考慮一個荷載分項系數(shù)，譬如風(fēng)荷載分項系數(shù)取1.4，選用材料的時候再按照JGJ 102一2003的要求取用1.8的安全系數(shù)，這樣似乎滿足了K=1.4x1.8=2.52的要求;其實，按照荷載設(shè)計值組合，荷載放大1.4倍，由于單索結(jié)構(gòu)的幾何非線性，其拉力并沒有放大1.4倍;而且，單索結(jié)構(gòu)中，預(yù)拉力在單索最終拉力中占的比重很大，一般為最終拉力的60%以上(可以用下節(jié)推導(dǎo)的表達式證明)，幕墻結(jié)構(gòu)計算中預(yù)拉力往往不取分項系數(shù)或取不足1.4的分項系數(shù)，這就進一步的導(dǎo)致總安全系數(shù)降低的情況。這是目前單索結(jié)構(gòu)計算中普遍存在的問題，希望引起大家的重視。

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