北京融科资讯中心C座玻璃大堂柔性缆索结构设计.pdf

北京融科资讯中心 C 座玻璃大堂
柔性缆索结构设计

(建筑与土木工程学院土木工程系土木工程专业陈清辉)
(学号:1999102213)

内容提要:设计北京融科资讯中心 C 座玻璃大堂柔性缆索结构,运用 ANSYS 有限元分
析软件分析计算索结构。
关键词:缆索结构;索;ANSYS;非线性;有限元
教师点评:该设计选题时,适逢北京融科资讯中心进入设计深化阶段,其中涉及一柔性
索结构***玻璃幕墙的大堂的结构计算问题。由于该结构形式国内还没有成熟的计算软件,
及其具有施工专业性强的特点,要求施工投标单位进行该部分的深化设计计算。陈清辉同学
选择该题目适当结合了该工程的实际背景,立题具有充分的实际意义。该同学在此毕业设计
过程中,不但在一定程度上掌握了国际著名的 ANSYS 分析仿真软件的使用,而且就涉及的
题目而言,其内容已经超出其本人在大学本科四年学****阶段的课堂学****范围,如有限元结构
分析理论、大变形柔性结构的分析特点、施工过程的软件模拟、非线性分析的收敛技术等。
从结果来看,符合结构的变形、内力的存在规律和合理性,结果没有原则性错误。由于时间
的限制,该同学的设计结果虽还没有充分达到设计和指导施工过程的深度,构件的细部设计
也没有充分地完成,但从总体达到的工作量和难度来说,已经足以符合本科毕业生的毕业设
计要求,经答辩,观念清楚,对未足部分也有充分的认识,答辩委员会一致同意给予设计成
绩 A。(点评教师:张谦副教授)

前言
北京融科资讯中心 C 座位于北京市中关村,是国际甲级写字楼,由两座地上十七层的
南北向板式高层建筑和一座两层高的玻璃大堂组成,总建筑面积为 94884 平方米,外装饰材
料有石材、透明玻璃和金属。由美国 SOM 建筑事务所旧金山办公室建筑设计,北京市建筑
设计研究院一所担任顾问设计。
玻璃大堂,长 63 米,宽 米,其结构体系为柔性缆索结构,大堂屋面和外墙全部采
用玻璃维护,支承结构全部是索结构。其结构形式新颖、奇特,根据设计师所称,这样的设
计在国内尚属首次,在国际也很罕见。
本人的毕业设计是设计北京融科资讯中心 C 座玻璃大堂的柔性缆索结构。
1 工程特点
在玻璃大堂设计方面,其结构体系被设计师设计为一个柔性缆索结构。结构形式采用屋
面为四根固定于南北两栋高层核心筒剪力墙上的悬索以及每隔两米套在悬索上的钢梁,东西
墙面为连接悬索和一层楼板的立索,玻璃则附着在钢梁和立索上,形成屋面和外墙面。
大堂屋面和外墙全部采用玻璃维护,支承结构全部是索结构。屋盖属“横向加劲单层索
系”结构,玻璃幕墙部分,则采用单直索体系。“横向加劲单层索系”结构,索的预应力状
态是靠下压横梁来建立的,而本设计,幕墙直索上端挂于横梁两端,因此,通过对幕墙单直
索施加了预应力,同时亦对屋面悬索建立了预应力,完成了横梁下压的步骤。
由于幕墙索系和屋盖索系直接相连,因此,不论是屋盖荷载或幕墙荷载,均同时影响两
者的内力。所以,设计时综合建模,充分考虑两者的协同工作是十分必要的。本设计模型如
图(1)。
1
图(1)设计模型
2 结构设计需解决的问题
预拉力的施加
悬索结构在外荷载作用下,索内只产生拉应力,或者说不必考虑屈曲等问题。所以结构
中各根索的受力及力的传递是非常明确的。
悬索是一种可变体系,其平衡形式随荷载分布方式而变。由平衡形式的改变引起的位移
称为机构性位移,悬索抵抗机构性位移的能力就是索的形状稳定性,它与索的张紧程度(即
索内初始拉力的大小)有关。索内拉力愈大,其抵抗局部荷载引起的机构性位移的能力也愈
大,即形状稳定性愈好。因此,对于悬索结构,应施加一定的初始预拉力,使其具有一定的
刚度,即有抵抗机构性位移的能力。
本结构初始预拉力的建立,是通过对幕墙单直索(即立索)施加预拉力,从而下压横梁,
同时亦对屋面悬索建立了预应力。初始预拉力的大小,直接影响到结构抵抗荷载的能力,所
以设计时必须算出对立索施加预拉力的大小。
结构非线性
悬索结构属大变位、小应变问题,即结构几何非线性问题。悬索结构在受力过程中,其
刚度不断地变化,位移与应变呈非线性关系,在求解过程中,其几何方程以致整个结构的控
制方程是非线性的。因此,常规结构分析中的叠加原理将失败,计算变得复杂,特别是动力
问题到目前为止还没有一个高效的求解方法。目前,对悬索结构的分析和计算一般采用非线
性有限单元方法,非线性有限单元方法求解用的最普遍、最权威的软件为 ANSYS 大型有限
元分析软件,本设计对悬索结构的分析和计算采用 ANSYS 软件。
建立结构模型
运用