本实用新型属于幕墙支承结构体系技术领域，具体涉及一种钢扁梁-竖索幕墙支承装置。
背景技术：
我国的建筑幕墙是从上世纪七十年代末开始起步，经历了三十多年的快速发展，如今已经成为世界第一幕墙生产及使用大国。幕墙因其质量轻、建筑功能适应性强、美观通透等优点得到了广泛的应用。幕墙支承结构体系是决定幕墙受力性能的关键。
目前幕墙的支承结构体系主要有：由横梁立柱组成的框架结构、肋板支承结构、钢桁架、拉杆桁架、索(杆)桁架和索网结构。
然而，目前的幕墙支承结构体系存在以下技术问题：
1)肋板支承结构的通透性非常好，但是因为肋板厚度非常小且中间无侧向支撑，所以肋板跨长不能太大以免发生平面外失稳，因此肋板支承结构一般用于一层大堂玻璃幕墙。
2)框架结构、钢桁架、拉杆桁架、索(杆)桁架的刚度很大，因此幕墙结构的变形很小，规范要求结构变形小于跨度的1/250，但是该玻璃幕墙的通透性较差。
3)索网结构全部由拉索组成，因此该玻璃幕墙的美观通透非常好。但是由于刚度较小，结构的变形较大，规范要求结构变形小于跨度的1/50即可。
技术实现要素：
实用新型目的：本实用新型的目的在于提供一种钢扁梁-竖索幕墙支承装置，能够在提高玻璃幕墙通透性的同时，保持较大的结构刚度。
技术方案：为实现上述实用新型目的，本实用新型采用以下技术方案：
一种钢扁梁-竖索幕墙支承装置，包括等间距设置的钢扁梁单元结构，所述的钢扁梁单元结构包括平行设置的一组第一钢扁梁和第二钢扁梁；所述的钢扁梁单元结构配合后形成第一钢扁梁和第二钢扁梁依次交替设置的钢扁梁-竖索幕墙支承结构体系；在所述的钢扁梁单元结构中贯穿设置若干前拉索，在每个所述的第一钢扁梁之间贯穿设置若干后拉索。
进一步地，所述的第一钢扁梁和第二钢扁梁均为箱形截面。
进一步地，所述的前拉索通过索夹具与第一钢扁梁和第二钢扁梁铰接，后拉索通过索夹具与第一钢扁梁铰接。
进一步地，所述的第一钢扁梁和第二钢扁梁均通过钢销钉与主体结构铰接，前拉索和后拉索均通过钢销钉与主体结构铰接。
进一步地，在所述的钢扁梁单元结构之间均设有吊杆；所述的吊杆一端与该钢扁梁单元结构的第一钢扁梁铰接，另一端与该钢扁梁单元结构的第二钢扁梁铰接。
进一步地，所述的第一钢扁梁的宽度长于第二钢扁梁的宽度。
第一钢扁梁和第二钢扁梁本身的刚度就比索网结构的横向拉索大，而且前拉索和后拉索作为第一钢扁梁和第二钢扁梁的弹性侧向支撑，提高了第一钢扁梁和第二钢扁梁平面内强度和平面外稳定性。吊杆主要是把第二钢扁梁承受的竖向荷载传递给第一钢扁梁。
进一步地，所述的形截面的惯性矩
进一步地，在相邻的所述的钢扁梁单元结构之间安装第一玻璃面板，在每个所述的钢扁梁单元结构中设置第二玻璃面板；对所述的前拉索处取矩有：l1f1＝l2g+l3f3，要实现幕墙结构重力自平衡，则有：l1f1＝l2g，l1+l2＝b1/2，得到：
进一步地，所述的前拉索和后拉索形成平行的倾斜θ角，第一钢扁梁和第二钢扁梁上的索夹具相对位置不变，则索结构节点位移法的基本方程为：
式中，
其中，ti是第i个索单元的初始预张力，l0i是第i个索单元的的初始索长，upi、uqi分别是第i个索单元两端p点和q点在荷载作用下y向的节点位移，ypi、yqi是第i个索单元两端p点和q点在初始态下的y向坐标，e是索单元的弹性模量，ai是第i个索单元的截面面积，pyq是两个索单元交点的y向荷载，ryq是两个索单元交点的y向非线性力，ai、bi、ci、di是四个无量纲系数。
进一步地，当所述的前拉索和后拉索保持高度h不变，拉索中点初始y向位移均为u0，弹性模量均为e，截面面积均为a，拉索初始预张力为t0，拉索中点作用一y向力p0，产生的y向位移为δu，倾斜拉索与竖向夹角为θ，则对于竖直拉索：
结构初始状态索长为
简化式(i)得竖直拉索在荷载作用下的考虑几何非线性影响的平衡方程为
式中，
所以竖直拉索线性刚度为
倾斜拉索：
结构初始状态索长为
简化式(i)得得倾斜拉索在荷载作用下的考虑几何非线性影响的平衡方程为
式中，
所以倾斜拉索线性刚度为
假设竖直拉索和倾斜拉索的y向初始位移u0＝0，则：
竖直拉索线性刚度为
竖直拉索非线性力为
有益效果：与现有的技术相比，本实用新型的一种钢扁梁-竖索幕墙支承装置，在提高玻璃幕墙通透性的同时，保持较大的结构刚度；目前主要的幕墙支承结构中，刚度大的结构通透性不够，通透性好的结构刚度不够，钢扁梁-竖索幕墙支承结构体系能够兼顾通透性和刚度，满足通透性、大跨度、大高度、小变形等要求。
附图说明
图1为本实用新型幕墙支承结构体系三维模型示意图；
图2为本实用新型第一钢扁梁和第二钢扁梁截面尺寸图；
图3为本实用新型幕墙支承结构体系重力自平衡计算图；
图4为本实用新型幕墙支承结构体系倾斜示意图；
图5为本实用新型竖直拉索和倾斜拉索几何非线性刚度计算图；
图6为本实用新型实施例1的剖面示意图；
图7为本实用新型实施例1的正面示意图；
图8为本实用新型实施例1的荷载示意图；
图9为本实用新型实施例2的剖面示意图；
附图标记：1-第一钢扁梁、2-第二钢扁梁、3-前拉索、4-后拉索、5-吊杆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本实用新型。
如图1所示，一种钢扁梁-竖索幕墙支承装置，包括等间距设置的钢扁梁单元结构，钢扁梁单元结构包括平行设置的一组第一钢扁梁1和第二钢扁梁2；钢扁梁单元结构配合后形成第一钢扁梁1和第二钢扁梁2依次交替设置的钢扁梁-竖索幕墙支承结构体系；在钢扁梁单元结构中贯穿设置若干前拉索3，在每个第一钢扁梁1之间贯穿设置若干后拉索4。
在第一钢扁梁1和第二钢扁梁2之间贯穿设置若干前拉索3，在每个第一钢扁梁1之间贯穿设置若干后拉索4。在相邻的钢扁梁单元结构之间安装第一玻璃面板且该第一玻璃面板落在第一钢扁梁1上，在每个钢扁梁单元结构中设置第二玻璃面板且第二玻璃面板落在第二钢扁梁2上。
第一钢扁梁1和第二钢扁梁2均为箱形截面。第一钢扁梁1的箱形截面高度h1(m)，宽度b1(m)和厚度t1(m)。第二钢扁梁2的箱形截面高度h2(m)，宽度b2(m)和厚度t2(m)。第一钢扁梁1的宽度长于第二钢扁梁2的宽度。
前拉索3通过索夹具与第一钢扁梁1和第二钢扁梁2铰接，后拉索4通过索夹具与第一钢扁梁1铰接。
第一钢扁梁1和第二钢扁梁2均通过钢销钉与主体结构铰接，前拉索3和后拉索4均通过钢销钉与主体结构铰接。
在相邻的第一钢扁梁1和第二钢扁梁2之间均设有吊杆5；吊杆5一端与第一钢扁梁1铰接，另一端与第二钢扁梁2铰接。
幕墙结构主要承受水平风荷载，第一钢扁梁1和第二钢扁梁2都选择箱形截面，如图2所示，惯性矩
第一钢扁梁1和第二钢扁梁2都选择箱形截面，第一钢扁梁1和第二钢扁梁2根据所受荷载的大小不同可以选择不同的截面尺寸以提高经济性。如图2所示，箱形截面的惯性矩
如图3所示，f1(n)是吊杆5拉力和第一玻璃面板重力的合力，f2(n)是前拉索3的拉力，f3(n)是后拉索4的拉力，g(n)是第一钢扁梁1的重力，l1(m)是f1到前拉索3的水平距离，l2(m)是g到前拉索3的水平距离，l3(m)是f3到前拉索3的水平距离，b1(m)是第一钢扁梁1的截面宽度，可以根据f1，通过调整前拉索3的位置来使得幕墙结构重力实现自平衡。对前拉索3处取矩有：l1f1＝l2g+l3f3，若要实现幕墙结构重力自平衡，则有：l1f1＝l2g，又因为l1+l2＝b1/2，所以有：
如图4所示，前拉索3和后拉索4可以平行的倾斜θ角，第一钢扁梁1和第二钢扁梁2上的索夹具相对位置不变。索结构节点位移法的基本方程为：
式中，
其中，ti(n)是第i个索单元的初始预张力，l0i(m)是第i个索单元的的初始索长，upi(m)、uqi(m)分别是第i个索单元两端p点和q点在荷载作用下y向的节点位移，ypi(m)、yqi(m)是第i个索单元两端p点和q点在初始态下的y向坐标，e(n/m2)是索单元的弹性模量，ai(m2)是第i个索单元的截面面积，pyq(n)是两个索单元交点的y向荷载，ryq(n)是两个索单元交点的y向非线性力，ai、bi、ci、di是四个无量纲系数。
如图5所示，两根拉索保持高度h(m)不变，拉索中点初始y向位移均为u0(m)，弹性模量均为e(n/m2)，截面面积均为a(m2)，拉索初始预张力为t0(n)，拉索中点作用一y向力p0(n)，产生的y向位移为δu(m)，倾斜拉索与竖向夹角为θ(rad)。
竖直拉索：
结构初始状态索长为
简化式1可得竖直拉索在荷载作用下的考虑几何非线性影响的平衡方程为
式中，
所以竖直拉索线性刚度为
倾斜拉索：
结构初始状态索长为
简化式1可得倾斜拉索在荷载作用下的考虑几何非线性影响的平衡方程为
式中，
所以倾斜拉索线性刚度为
假设竖直拉索和倾斜拉索的y向初始位移u0＝0，则：
竖直拉索线性刚度为
竖直拉索非线性力为
实施例1
如图6所示，一种钢扁梁-竖索幕墙支承结构体系，包括：第一钢扁梁1、第二钢扁梁2、前拉索3、后拉索4、吊杆5。
第一钢扁梁1和第二钢扁梁2是该幕墙支承结构体系的主要构件，其中第一钢扁梁1和第二钢扁梁2均通过钢销钉与主体结构铰接，前拉索3和后拉索4均通过钢销钉与主体结构铰接，且前拉索3通过索夹具与第一钢扁梁1和第二钢扁梁2铰接，后拉索4通过索夹具与第一钢扁梁1铰接，吊杆5一端与第一钢扁梁1铰接、另一端与第二钢扁梁2铰接。
如图6-7所示，钢扁梁-竖索幕墙支承结构体系实施例1的前拉索3和后拉索4均是竖直的，第一钢扁梁1和第二钢扁梁2的跨度均为41.83m，第一钢扁梁1的截面尺寸为1400×80×10×10mm，第二钢扁梁2的截面尺寸为600×80×10×10mm。
如图8(a)所示，为本实用新型实施例1竖向荷载示意图，竖向荷载主要是第一钢扁梁1、第二钢扁梁2和玻璃面板的重力。第一玻璃面板的全部重力作用在第一钢扁梁1上。第二玻璃面板的全部重力作用在第二钢扁梁2上，作用在第二钢扁梁2上的面板重力通过吊杆5传递给第一钢扁梁1。第一钢扁梁1把自重和所有面板重力通过前拉索3和后拉索4传递给主体结构，第二钢扁梁2把自重通过前拉索3传递给主体结构。
如图8(b)所示，为本实用新型实施例1水平荷载示意图，水平荷载主要是风荷载。风荷载直接作用在玻璃面板上，然后玻璃面板通过铝合金框架把一半风荷载传递给第一钢扁梁1，把另一半风荷载传递给第二钢扁梁2。第一钢扁梁1和第二钢扁梁2再把风荷载通过前拉索3和后拉索4传递给主体结构。
实施例2
如图9所示，一种钢扁梁-竖索幕墙支承结构体系，包括：第一钢扁梁1、第二钢扁梁2、前拉索3、后拉索4、吊杆5。
钢扁梁-竖索幕墙支承结构体系实施例2的前拉索3和后拉索4平行的倾斜θ角，第一钢扁梁1和第二钢扁梁2上的索夹具相对位置不变。第一钢扁梁1和第二钢扁梁2的跨度均为41.83m，第一钢扁梁1的截面尺寸为1400×80×16×16mm，第二钢扁梁2的截面尺寸为600×80×10×10mm。实施例2的其余结构参数和传力路径均与实施例1相同。
1.一种钢扁梁-竖索幕墙支承装置，其特征在于：包括等间距设置的钢扁梁单元结构，所述的钢扁梁单元结构包括平行设置的一组第一钢扁梁(1)和第二钢扁梁(2)；所述的钢扁梁单元结构配合后形成第一钢扁梁(1)和第二钢扁梁(2)依次交替设置的钢扁梁-竖索幕墙支承结构体系；在所述的钢扁梁单元结构中贯穿设置若干前拉索(3)，在每个所述的第一钢扁梁(1)之间贯穿设置若干后拉索(4)；在所述的钢扁梁单元结构之间均设有吊杆(5)；所述的第一钢扁梁(1)和第二钢扁梁(2)均为箱形截面。
2.根据权利要求1所述的一种钢扁梁-竖索幕墙支承装置，其特征在于：所述的前拉索(3)通过索夹具与第一钢扁梁(1)和第二钢扁梁(2)铰接，后拉索(4)通过索夹具与第一钢扁梁(1)铰接。
3.根据权利要求1所述的一种钢扁梁-竖索幕墙支承装置，其特征在于：所述的第一钢扁梁(1)和第二钢扁梁(2)均通过钢销钉与主体结构铰接，前拉索(3)和后拉索(4)均通过钢销钉与主体结构铰接。
4.根据权利要求1所述的一种钢扁梁-竖索幕墙支承装置，其特征在于：所述的吊杆(5)一端与该钢扁梁单元结构的第一钢扁梁(1)铰接，另一端与该钢扁梁单元结构的第二钢扁梁(2)铰接。
5.根据权利要求1所述的一种钢扁梁-竖索幕墙支承装置，其特征在于：所述的第一钢扁梁(1)的宽度长于第二钢扁梁(2)的宽度。
6.根据权利要求1所述的一种钢扁梁-竖索幕墙支承装置，其特征在于：所述的箱形截面的惯性矩
7.根据权利要求1所述的一种钢扁梁-竖索幕墙支承装置，其特征在于：在相邻的所述的钢扁梁单元结构之间安装第一玻璃面板；对所述的前拉索(3)处取矩有：l1f1＝l2g+l3f3，要实现幕墙结构重力自平衡，则有：l1f1＝l2g，l1+l2＝b1/2，得到：
8.根据权利要求1所述的一种钢扁梁-竖索幕墙支承装置，其特征在于：所述的前拉索(3)和后拉索(4)形成平行的倾斜θ角，第一钢扁梁(1)和第二钢扁梁(2)上的索夹具相对位置不变，则索结构节点位移法的基本方程为：
式中，
其中，ti是第i个索单元的初始预张力，l0i是第i个索单元的初始索长，upi、uqi分别是第i个索单元两端p点和q点在荷载作用下y向的节点位移，ypi、yqi是第i个索单元两端p点和q点在初始态下的y向坐标，e是索单元的弹性模量，ai是第i个索单元的截面面积，pyq是两个索单元交点的y向荷载，ryq是两个索单元交点的y向非线性力，ai、bi、ci、di是四个无量纲系数。
技术总结