點(diǎn)支式玻璃建筑單層索網(wǎng)體系是近年發(fā)展起來(lái)的一種新型的柔性支承結構體系，以其輕盈美觀(guān)、通透性好等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應用。單層索網(wǎng)體系屬于柔性張拉結構，具有較強的幾何非線(xiàn)性。但它施加預應力前沒(méi)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(lài)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(shí)踐，國內的部分學(xué)者結合一些實(shí)際工程(主要是索析架)進(jìn)行了一定的試驗研究，介紹了相關(guān)的施工工藝。但專(zhuān)門(mén)針對這類(lèi)結構的試驗研究較少，在動(dòng)力特性方面的研究更少。

    本文對新保利大廈二期單層索網(wǎng)體系1:1a的結構模型進(jìn)行了動(dòng)力特性試驗，測定索網(wǎng)在三級預應力下的頻率，研究單層索網(wǎng)的頻率和預應力之間的關(guān)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(wǎng)玻璃幕墻結構方案的設計，按照1: 10的比例在清華大學(xué)實(shí)驗室建成一輪廓尺寸為9m X6m單層索網(wǎng)的試驗模型，如圖1所示。整個(gè)結構由支承鋼框架、索網(wǎng)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(wǎng)尺寸為8.6m X5.5m，是一個(gè)由兩根斜主索和通過(guò)不銹鋼拉桿與其相連的索網(wǎng)共同支承而形成的三折面體系，如圖2所示。

    索網(wǎng)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(dòng)力試驗主要裝置為H P 3562A動(dòng)態(tài)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(dòng)力特性試驗方法
　　本文采用ANSYS分別計算索網(wǎng)在三級預應力(將預應力分三級逐級施加，其中滿(mǎn)應力狀態(tài)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(tài)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(diǎn)周?chē)贾脺y點(diǎn)，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(shí)的兩個(gè)測點(diǎn)布置方案，選擇圖中標注的A1(A2)、B1(B2)、C1(C2)節點(diǎn)作為傳感器布置點(diǎn)，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(diǎn)選擇位置及編號如圖3和表2所示，通過(guò)加速度傳感器和電荷放大器將測試信號送入動(dòng)態(tài)信號分析儀進(jìn)行分析，分析頻率帶寬取62.5Hz。

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

    2))將傳感器通過(guò)專(zhuān)項使用導線(xiàn)與電荷信號放大器相連接，電荷放大器的輸出端與動(dòng)態(tài)信號分析儀相連接;
　　3))按照各工況設計的錘擊點(diǎn)對索網(wǎng)施加初始擾動(dòng);
　　4)將實(shí)測信號送入H P3562A動(dòng)態(tài)信號分析儀進(jìn)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(xiàn)

    將通過(guò)H P3502A測到的結果數據文件導入計算機，先經(jīng)L IF軟件轉為D0 S文件，然后通過(guò)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(xiàn)(縱坐標S (f)為加速度功率譜有效值開(kāi)方取對數處理后的值，橫坐標f5為分析帶寬頻率)進(jìn)行分析，提取索網(wǎng)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(wǎng)進(jìn)行模態(tài)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(jiǎn)化計算，在采用ANSYS進(jìn)行分析時(shí)，將索網(wǎng)與鋼框架的連接視為固定端，只對索網(wǎng)進(jìn)行分析。

    3.22模態(tài)分析方法

    柔性支承結構的剛度主要來(lái)源于桿件的初始預應力，而且索又是一種幾何非線(xiàn)性較強的結構，因此，在模態(tài)分析時(shí)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(lái)實(shí)現。本文先根據試驗各級預應力的實(shí)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(mǎn)足相應的試驗實(shí)測值，將調好的這組應變值進(jìn)行模態(tài)分析，主要步驟分為兩步:

    1))進(jìn)行幾何大變形的靜力分析;

    2)修正結點(diǎn)坐標，進(jìn)行包含預應力影響的模態(tài)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(guò)以上的有限元分析提取索網(wǎng)的自振頻率及相應振型。圖7為一級預應力時(shí)的前兩階振型模態(tài)圖，前面所述的試驗測點(diǎn)工況就是根據這些結果設
計的。

    3.3索網(wǎng)自振頻率的比較分析

    圖8該單層索網(wǎng)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(wǎng)的頻率基本隨索內預應力的增加而呈弱非線(xiàn)性增長(cháng)，并且隨著(zhù)頻率階次的增加，曲線(xiàn)形狀逐漸由向上凹的趨勢增加。這表明，盡管索網(wǎng)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(xiàn)性性質(zhì);低階頻率隨預應力的增長(cháng)速度小于高階頻率的相應增長(cháng)速度，即高階頻率與預應力之間的非線(xiàn)性性質(zhì)更明顯。

    為了研究玻璃對索網(wǎng)剛度的影響，本文還測定了加玻璃后索網(wǎng)的頻率，并與相應的有限元計算結果進(jìn)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(wǎng)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(shí)際結構。
　　由于采用ANSYS建模時(shí)對玻璃和索節點(diǎn)連接方式采用了3個(gè)方向的平動(dòng)禍合，而實(shí)際結構玻璃與索網(wǎng)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(diǎn)有較強的約束作用，因此實(shí)際結構玻璃參與的作用更大，對索網(wǎng)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(tài)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(zhì)量同時(shí)增長(cháng)，但玻璃質(zhì)量的影響超過(guò)了其剛度的作用，導致整個(gè)結構的頻率下降。本實(shí)驗模型中玻璃之間未打玻璃膠，使玻璃不能發(fā)揮整體的協(xié)同作用，這也是其剛度效應不夠顯著(zhù)的原因之一。

    4．結論
　　1)索網(wǎng)低階頻率隨預應力基本呈線(xiàn)性性質(zhì)，它隨預應力的增長(cháng)速度大于高階頻率的相應增長(cháng)速度，即高階頻率與預應力之間的非線(xiàn)性性質(zhì)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(zhì)量同時(shí)增長(cháng)，但玻璃質(zhì)量的影響超過(guò)了其剛度的作用，導致整個(gè)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。