點支式玻璃建筑單層索網體系的動力特性

    點支式玻璃建筑單層索網體系是近年發展起來的一種新型的柔性支承結構體系，以其輕盈美觀、通透性好等優點得到廣泛的應用。單層索網體系屬于柔性張拉結構，具有較強的幾何非線性。但它施加預應力前沒有剛度，結構形狀也不確定，必須施加預應力后才能承受荷載，因此其受力特性在很大程度上依賴于所施加的預應力。目前針對該結構的理論和試驗研究滯后于工程實踐，國內的部分學者結合一些實際工程(主要是索析架)進行了一定的試驗研究，介紹了相關的施工工藝。但專門針對這類結構的試驗研究較少，在動力特性方面的研究更少。

    本文對新保利大廈二期單層索網體系1:1a的結構模型進行了動力特性試驗，測定索網在三級預應力下的頻率，研究單層索網的頻率和預應力之間的關系，以及加玻璃后結構頻率的變化。

    １．試驗模型與試驗設備
　　1. 1試驗模型
　　 結合新保利大廈二期工程單層索網玻璃幕墻結構方案的設計，按照1: 10的比例在清華大學實驗室建成一輪廓尺寸為9m X6m單層索網的試驗模型，如圖1所示。整個結構由支承鋼框架、索網和地梁等組成。

    支承鋼框架高11.04m，由140mm X3mm和80mm X2.5mm方鋼管、25b槽鋼和50mm X4mm角鋼焊接而成。索網尺寸為8.6m X5.5m，是一個由兩根斜主索和通過不銹鋼拉桿與其相連的索網共同支承而形成的三折面體系，如圖2所示。

    索網主要構件的材料屬性如表1所示。地梁采用混凝土整體澆注而成。

    1.2 試驗設備
　　試驗中索的預應力采用BH R一型電阻應變荷重傳感器監測，動力試驗主要裝置為H P 3562A動態信號分析儀，B&K 　　　　　2635型電荷放大器，以及B & K 4366型壓電晶體加速度傳感器。

    2 ． 試驗方法及試驗步驟
　　2．1 動力特性試驗方法
　　本文采用ANSYS分別計算索網在三級預應力(將預應力分三級逐級施加，其中滿應力狀態為:主索1,2的內力分別為48 kN、32kN，水平及豎索內力基本為5. 4 kN)和加玻璃狀態下的自振頻率及振型。根據結構在各種預應力下有限元分析結果，在其前三階振型的非常大位移點周圍布置測點，設計相應的測定工況(限于篇幅，不一一列出)。

    圖3

　　圖3所示為一級預應力時的兩個測點布置方案，選擇圖中標注的A1(A2)、B1(B2)、C1(C2)節點作為傳感器布置點，對該方案設計了種測定工況，如表2所示。

    試驗的激振方式為初速度法，本試驗即采用錘擊法施加初速度，錘擊點選擇位置及編號如圖3和表2所示，通過加速度傳感器和電荷放大器將測試信號送入動態信號分析儀進行分析，分析頻率帶寬取62.5Hz。

　　2.2動力特性試驗步驟
　　1))分別在各工況的測點位置按照傳感器的安裝要求，在索節點上安裝加速度傳感器，如圖4所示;

    2))將傳感器通過專項使用導線與電荷信號放大器相連接，電荷放大器的輸出端與動態信號分析儀相連接;
　　3))按照各工況設計的錘擊點對索網施加初始擾動;
　　4)將實測信號送入H P3562A動態信號分析儀進行分析，并讀取自振頻率值。

    3．試驗結果及比較分析

    3. 1試驗曲線

    將通過H P3502A測到的結果數據文件導入計算機，先經L IF軟件轉為D0 S文件，然后通過63T0SDF軟件轉換為SD F文件，較后用V正W DATA軟件讀取數據文件，根據每種工況的結果選取如圖5所示的典型功率譜曲線(縱坐標S (f)為加速度功率譜有效值開方取對數處理后的值，橫坐標f5為分析帶寬頻率)進行分析，提取索網的前三階自振頻率。

    3.2自振特性的有限元分析

    3.2- 1有限元模型

    采用大型有限元分析計算軟件ANSYS該單層索網進行模態分析。如圖6所示，模型中主索及水平索采用了三維只拉單元linkl0單元，拉索則采用壓link8單元。

    為了便于簡化計算，在采用ANSYS進行分析時，將索網與鋼框架的連接視為固定端，只對索網進行分析。

    3.22模態分析方法

    柔性支承結構的剛度主要來源于桿件的初始預應力，而且索又是一種幾何非線性較強的結構，因此，在模態分析時必須考慮這兩方面的影響。

    有限元分析中索的預應力靠設置初應變來實現。本文先根據試驗各級預應力的實際加載情況，初設一組應變值，然后反復調節直至模型中各索的內力基本滿足相應的試驗實測值，將調好的這組應變值進行模態分析，主要步驟分為兩步:

    1))進行幾何大變形的靜力分析;

    2)修正結點坐標，進行包含預應力影響的模態分析，讀取自振頻率及相應振型。

　　3.23有限元結果的提取

    通過以上的有限元分析提取索網的自振頻率及相應振型。圖7為一級預應力時的前兩階振型模態圖，前面所述的試驗測點工況就是根據這些結果設
計的。

    3.3索網自振頻率的比較分析

    圖8該單層索網在各級預應力下頻率試驗和有限元計算結果的對比，其中橫坐標F表示量綱一化的預應力，縱坐標fo為自振頻率。

    從圖8中可以看出，理論與試驗值的變化趨勢很相似，試驗值皆位于有限元計算結果以上，兩者相差1. 01%～11. 330%，有限元計算中將索的支承視為固定未考慮支承鋼架的影響，這也是兩者存在差異的原因之一。

    索網的頻率基本隨索內預應力的增加而呈弱非線性增長，并且隨著頻率階次的增加，曲線形狀逐漸由向上凹的趨勢增加。這表明，盡管索網是幾何大變形結構，但其頻率隨預應力的變化并未表現出明顯的非線性性質;低階頻率隨預應力的增長速度小于高階頻率的相應增長速度，即高階頻率與預應力之間的非線性性質更明顯。

    為了研究玻璃對索網剛度的影響，本文還測定了加玻璃后索網的頻率，并與相應的有限元計算結果進行了對比，如表3所示，其中ft、ff分別為試驗測得頻率和有限元計算得到的頻率值。

    從表3可以看出如下規律。
　　1)安裝玻璃前后索網頻率的有限元計算值與試驗值均比較接近，試驗值比有限元計算值大2.86%一10. 18%，兩者吻合較好，表明有限元模型比較符合實際結構。
　　由于采用ANSYS建模時對玻璃和索節點連接方式采用了3個方向的平動禍合，而實際結構玻璃與索網的連接采用了駁接式金屬連接件，加上玻璃尺寸較小，連接件尺寸相對非常大，對玻璃交點有較強的約束作用，因此實際結構玻璃參與的作用更大，對索網的剛度貢獻更大，因此本文認為，這是試驗值高于有限元計算結果的原因之一。
　　2)從試驗值可以看出，安裝玻璃后結構的各階頻率分別降低了34.852%、29.816%、26.988%，且降低幅度隨模態階數的遞增而減小。這表明由于玻璃的存在，結構的剛度和質量同時增長，但玻璃質量的影響超過了其剛度的作用，導致整個結構的頻率下降。本實驗模型中玻璃之間未打玻璃膠，使玻璃不能發揮整體的協同作用，這也是其剛度效應不夠顯著的原因之一。

    4．結論
　　1)索網低階頻率隨預應力基本呈線性性質，它隨預應力的增長速度大于高階頻率的相應增長速度，即高階頻率與預應力之間的非線性性質更明顯。
　　2)安裝玻璃后結構的頻率迅速降低，這是由于玻璃的存在，結構的剛度和質量同時增長，但玻璃質量的影響超過了其剛度的作用，導致整個結構的頻率下降。
　　3)有限元計算值與試驗值均比較吻合，驗證了理論計算模型的合理性。