张拉索杆玻璃幕墙设计问题探讨
引言：众所周知玻璃是一种脆性材料，由于制成时不可避免的内在缺陷，强度较低。此外，因受生产工艺限制，其板厚和板面尺度也有限，故常需适当的结构体系作支承，才能形成予期的建筑。这一结构体系称为玻璃幕墙建筑的支承结构，它与玻璃幕墙面共同组成玻璃幕墙建筑结构。
一、玻璃幕墙建筑结构的类别
对于玻璃幕墙建筑结构，可按以下条件划分类别：按玻璃面板支承状况分为：线支式结构和点支式结构;按玻璃面板是否作为该结构的必要受力部件分为：组合式结构和集合式结构。前者玻璃面板与其它板件共同组成统一的结构体系，并相互依存不可缺，否则结构失效;后者，一般视玻璃面板为其附属结构，支承结构(包括基座)为其基本结构，二者相对独立。
按支承结构刚劲性分为：刚性支承结构(如梁、刚架、桁架、网架等)和柔性支承结构(如张拉索杆结构等)。前者组成结构的基本构件，均为刚性杆件;后者组成结构的相当多的基本构件不是刚性，而是仅能承受拉力的柔性杆件。
二、张拉索杆结构体系的组成及其布置
1.张拉索杆结构体系的组成
这种结构体系通常由张拉索杆基本结构组件和支座(结构)组成，必要时需设置平衡重力性索和保证结构体系的稳定性索。其张拉索杆基本结构组件可以平衡的或非自平衡的，后者的张拉索端部分的张力需由其支座(结构)平衡。
2.张拉索杆结构体系的分类与布置
张拉索杆结构的体系，按其受力工作状况，可分为单向受力体系和双向受力体系：
单向受力体系是由单一方向布置的若干张拉索杆基本结构组件和必要的重力与稳定性索(或杆件)组成。
双向受力体系是由相互交叉的张拉索杆基本结构组件和必要时的一些重力与稳定性索(或杆件)组成。其交叉与布置，常根据建筑及结构设计要求确定，可以是正交正放，正交斜放或斜交放置等。
3.主受力索，重力性索与稳定性索的作用和张力要求
主受力索――是张拉索杆结构体系中基本结构组件的主受拉力元件，应始终具有足够而适当的初张拉力，使之不退出工作和被拉断。
重力性索――为改善张拉索基本结构组件的受力，用以平衡重力性荷载而设置的拉索。一般平行于玻璃板面的重力方向布置，可不需要太大的初张力，但应张紧，并足以承受其重力荷载。
稳定性索――为保证张拉索杆结构体系中的基本结构组件及其某些撑杆平面外的稳定性和减少可能的风振而设置的索，也常用它保证玻璃幕墙结构体系中某些刚性构件的平面外稳定性。这种索的初张力虽不需很大，但索的张力设计，必须给上述被稳定构件以足够的侧向支承力，以保证其不发生侧向失稳。
三、张拉索杆基本结构组件的若干力学特性
1.张拉索应始终处于张力正定状态。研究分析表明，此时各杆(包括索)均对结构刚度及承载力有贡献，否则其结构刚度将极大降低，甚至其承载力丧失。
2.组件的几何特性随其所受荷载而有较大改变，属于几何易变形性(柔性)结构。它与几何可变形性(劲性)结构或不变形性(刚体)结构体系的分析方法有所不同。一般宜采用二阶分析方法。
它是由高强钢丝绳(绞线)经张拉形成的柔性结构，故结构的工作性能对设计、施工缺陷的敏感性较大，其中主要有：受力分析及荷载组合时，因采用线性方法，使内力的计算不准;体系刚度及承载力，因张力索的张力不足或松驰退出工作时，呈现的非线性或跳跃性退化或丧失;温度的升或降，使张力索松驰或超张;正确施加和监控索的张力较困难;高张力索杆的缺口应力集中，引起的高强钢索应力腐蚀;塑性及韧性差的超强度钢材的应用;自平衡组件中纵向主撑杆的复杂受力;高强钢索及其连接，因材料、构造和工艺性缘故，存在的类裂纹性缺陷等。
四、张拉索杆结构体系设计中的若干问题
体系的选择单向受力体系的布置、索张力施加和控制相对比较简单，受力明确。当其为单跨为，可不受支座刚度影响;但当为多跨连续时，支座的压缩刚度对结构内力和变形有相当大的影响。常为不太大建筑面积空间及荷载情况下采用。
双向受力体系的布置，可有多种型式，其索的张拉力的施加和控制比较麻烦，受力复杂。但在相同建筑面积空间及荷载情况下索的张力较小，且常可省去一些重力性索和稳定性索。故相对较省钢，而为较大建筑面积空间及荷载情况下采用。
1、体系的布置单向受力体系布置中，常需设重力性索，必要时应布置稳定性索。
双向受力体系布置中，多在短向布置主受力基本结构组件，长向布置辅受力基本结构组件的单元，二者的横向撑杆常共用。当辅受力基本结构组件的某些索元与重力性索位置一致时，二者可合而为一。平面自平衡基本结构组件及平面钢桁架常作为单向受力体系的中间支座，此时应考虑其平面外稳定性的保证和必要的止失稳元件的设置。
荷载、作用值及其可能组合对于张拉索杆这种柔性结构，理应采用非线性二阶分析方法进行结构计算，其荷载作用也应先组合，后逐级施加，但在实际中很难实施。一些研究分析表明：对于一般不大的张拉索杆结构，如具有适当的初张力时，可以按一阶分析，荷载作用采用线性组合，构件计算中考虑二阶效应。这样引起的误差不会很大。
活载，风载与地震作用等可变性荷载作用的可能组合及其组合系数的选择，应按现行《建筑结构荷载规范》执行。考虑到尚无数十甚至千百年一遇的风载同时发生地震的历史记载，而且二者的峰值又都是瞬间一过性的作用，玻璃幕墙建筑结构的自重又不很大，故对这种结构而言，风载作为第一可变荷载与地震作用组合似不必要。当然设防烈度下的地震作用与可能的风载组合是应该的。
2、张拉索初始张拉应力值的选定与最小值的控制
张拉索杆结构同其它结构的根本区别在于其受拉杆件应始终处于张拉状态，即必须保持其内力是正定性。一旦呈现非正定时，结构刚度将极大降低或承载力丧失。而保持张拉杆受力正定性的关键是正确地设定其初张力值。初张力值设置过小，不利荷载作用下，一些张拉杆将因其内力减小为零(负)而退出工作，致使结构性能退化;如果初张力值设置过大，不利荷载作用下，某些张拉杆将因其强度不足而破断，致使结构毁坏;如其截面设计过大，不利荷载作用下，这些张拉杆虽不会因其强度不足而破断，但却材料增多，索直径粗影响结构的轻盈通透性。对于结构组件，当作为玻璃幕墙结构，可能承受正、反两方向荷载时，其主张拉索杆的初张应力值σ0的范围可按以下建议设置：
对于普通强度不锈钢材，当以其抗拉屈服强度设计值fd考虑时，设为：25%≤σ0/fd≤50% (1)对于高强度钢材，当以材料抗拉极限强度设计值考虑时，如取其设计值为：fd≤0.45fu，将其代入式(1)取整则有：12%≤σ0/fd≤22% (2) 需要指出的是，初张力对张拉索结构是必须的，且随其值的增大，组件刚度也有提高，但提高有限，不如增大张拉索的面积有效。
至于重力性索的初张力可不必施加过大，σ0/fd≈10%;稳定性索的初张力，则应根据被保证构件稳定性需要的支撑力，参考有关资料确定。
五、关于基本结构组件的抗弯刚度及挠度控制与要求
对于张拉索杆结构体系的一些常用的基本结构组件，一般地说，其抗弯刚度取决于组件的几何形式、矢高、矢跨比、张拉索杆的堆面积和张拉索的初张应力。就组件的几何形式而言，相同条件下，自平衡体系最好：其次为非自平衡体系中的双索鱼腹形，直索形最差。同一种组件其本身的几何构成对于其抗弯刚度也有不小影响。张拉索的初张应力对其抗弯刚度虽有不可忽略的影响，但当张拉足够紧后，张拉索张力的增加对其抗弯刚度的贡献很有限，如欲提高其抗弯刚度，需要增大拉索截面积或调整组件的几何形式和尺寸。
在实际工程中对于张拉索杆结构体系的挠度控制十分必要，它对防止玻璃幕墙结构不必要振动、玻璃挤压破坏等有重要的意义。要求过严，实际工程很难达到，也不一定需要;要求太松，又可能出现工程损害，具体指标尚待研究。
六、总结
总之，在实际的结构设计中，必须首先选择并确定结构的类别，并进而了解结构的性能和可能的荷载作用，才能正确地给出结构的计算模型和进行结构分析。
参考文献：
【1】 王元清 点式支承玻璃建筑的应用技术研究。工业建筑2000(10).
【2】 JGJ 102-2003.玻璃幕墙工程技术规范 2004.
【3】 刘锡良，刘向阳.点式张拉玻璃结构的理论分析与实验研究.第九层空间结构学术会议论文集，2000.