点支式玻璃建筑单层索网体系是近年发展起来的一种新型的柔性支承结构体系，以其轻盈美观、通透性好等优点得到广泛的应用。单层索网体系属于柔性张拉结构，具有较强的几何非线性。但它施加预应力前没有刚度，结构形状也不确定，必须施加预应力后才能承受荷载，因此其受力特性在很大程度上依赖于所施加的预应力。目前针对该结构的理论和试验研究滞后于工程实践，国内的部分学者结合一些实际工程(主要是索析架)进行了一定的试验研究，介绍了相关的施工工艺。但专门针对这类结构的试验研究较少，在动力特性方面的研究更少。

    本文对新保利大厦二期单层索网体系1:1a的结构模型进行了动力特性试验，测定索网在三级预应力下的频率，研究单层索网的频率和预应力之间的关系，以及加玻璃后结构频率的变化。

    １．试验模型与试验设备
　　1. 1试验模型
　　 结合新保利大厦二期工程单层索网玻璃幕墙结构方案的设计，按照1: 10的比例在清华大学实验室建成一轮廓尺寸为9m X6m单层索网的试验模型，如图1所示。整个结构由支承钢框架、索网和地梁等组成。



    支承钢框架高11.04m，由140mm X3mm和80mm X2.5mm方钢管、25b槽钢和50mm X4mm角钢焊接而成。索网尺寸为8.6m X5.5m，是一个由两根斜主索和通过不锈钢拉杆与其相连的索网共同支承而形成的三折面体系，如图2所示。



    索网主要构件的材料属性如表1所示。地梁采用混凝土整体浇注而成。



    1.2 试验设备
　　试验中索的预应力采用BH R一型电阻应变荷重传感器监测，动力试验主要装置为H P 3562A动态信号分析仪，B&K 　　　　　2635型电荷放大器，以及B & K 4366型压电晶体加速度传感器。

    2 ． 试验方法及试验步骤
　　2．1 动力特性试验方法
　　本文采用ANSYS分别计算索网在三级预应力(将预应力分三级逐级施加，其中满应力状态为:主索1,2的内力分别为48 kN、32kN，水平及竖索内力基本为5. 4 kN)和加玻璃状态下的自振频率及振型。根据结构在各种预应力下有限元分析结果，在其前三阶振型的较大位移点周围布置测点，设计相应的测定工况(限于篇幅，不一一列出)。





    图3

　　图3所示为一级预应力时的两个测点布置方案，选择图中标注的A1(A2)、B1(B2)、C1(C2)节点作为传感器布置点，对该方案设计了种测定工况，如表2所示。



    试验的激振方式为初速度法，本试验即采用锤击法施加初速度，锤击点选择位置及编号如图3和表2所示，通过加速度传感器和电荷放大器将测试信号送入动态信号分析仪进行分析，分析频率带宽取62.5Hz。

　　2.2动力特性试验步骤
　　1))分别在各工况的测点位置按照传感器的安装要求，在索节点上安装加速度传感器，如图4所示;



    2))将传感器通过专用导线与电荷信号放大器相连接，电荷放大器的输出端与动态信号分析仪相连接;
　　3))按照各工况设计的锤击点对索网施加初始扰动;
　　4)将实测信号送入H P3562A动态信号分析仪进行分析，并读取自振频率值。

    3．试验结果及比较分析

    3. 1试验曲线

    将通过H P3502A测到的结果数据文件导入计算机，先经L IF软件转为D0 S文件，然后通过63T0SDF软件转换为SD F文件，较后用V正W DATA软件读取数据文件，根据每种工况的结果选取如图5所示的典型功率谱曲线(纵坐标S (f)为加速度功率谱有效值开方取对数处理后的值，横坐标f5为分析带宽频率)进行分析，提取索网的前三阶自振频率。



    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计算软件ANSYS该单层索网进行模态分析。如图6所示，模型中主索及水平索采用了三维只拉单元linkl0单元，拉索则采用压link8单元。

    为了便于简化计算，在采用ANSYS进行分析时，将索网与钢框架的连接视为固定端，只对索网进行分析。



    3.22模态分析方法

    柔性支承结构的刚度主要来源于杆件的初始预应力，而且索又是一种几何非线性极强的结构，因此，在模态分析时必须考虑这两方面的影响。

    有限元分析中索的预应力靠设置初应变来实现。本文先根据试验各级预应力的实际加载情况，初设一组应变值，然后反复调节直至模型中各索的内力基本满足相应的试验实测值，将调好的这组应变值进行模态分析，主要步骤分为两步:

    1))进行几何大变形的静力分析;

    2)修正结点坐标，进行包含预应力影响的模态分析，读取自振频率及相应振型。

　　3.23有限元结果的提取

    通过以上的有限元分析提取索网的自振频率及相应振型。图7为一级预应力时的前两阶振型模态图，前面所述的试验测点工况就是根据这些结果设
计的。



    3.3索网自振频率的比较分析

    图8该单层索网在各级预应力下频率试验和有限元计算结果的对比，其中横坐标F表示量纲一化的预应力，纵坐标fo为自振频率。



    从图8中可以看出，理论与试验值的变化趋势很相似，试验值皆位于有限元计算结果以上，两者相差1. 01%～11. 330%，有限元计算中将索的支承视为固定未考虑支承钢架的影响，这也是两者存在差异的原因之一。

    索网的频率基本随索内预应力的增加而呈弱非线性增长，并且随着频率阶次的增加，曲线形状逐渐由向上凹的趋势增加。这表明，尽管索网是几何大变形结构，但其频率随预应力的变化并未表现出明显的非线性性质;低阶频率随预应力的增长速度小于高阶频率的相应增长速度，即高阶频率与预应力之间的非线性性质更明显。

    为了研究玻璃对索网刚度的影响，本文还测定了加玻璃后索网的频率，并与相应的有限元计算结果进行了对比，如表3所示，其中ft、ff分别为试验测得频率和有限元计算得到的频率值。



    从表3可以看出如下规律。
　　1)安装玻璃前后索网频率的有限元计算值与试验值均比较接近，试验值比有限元计算值大2.86%一10. 18%，两者吻合较好，表明有限元模型比较符合实际结构。
　　由于采用ANSYS建模时对玻璃和索节点连接方式采用了3个方向的平动祸合，而实际结构玻璃与索网的连接采用了驳接式金属连接件，加上玻璃尺寸较小，连接件尺寸相对较大，对玻璃交点有较强的约束作用，因此实际结构玻璃参与的作用更大，对索网的刚度贡献更大，因此本文认为，这是试验值高于有限元计算结果的原因之一。
　　2)从试验值可以看出，安装玻璃后结构的各阶频率分别降低了34.852%、29.816%、26.988%，且降低幅度随模态阶数的递增而减小。这表明由于玻璃的存在，结构的刚度和质量同时增长，但玻璃质量的影响超过了其刚度的作用，导致整个结构的频率下降。本实验模型中玻璃之间未打玻璃胶，使玻璃不能发挥整体的协同作用，这也是其刚度效应不够显著的原因之一。

    4．结论
　　1)索网低阶频率随预应力基本呈线性性质，它随预应力的增长速度大于高阶频率的相应增长速度，即高阶频率与预应力之间的非线性性质更明显。
　　2)安装玻璃后结构的频率迅速降低，这是由于玻璃的存在，结构的刚度和质量同时增长，但玻璃质量的影响超过了其刚度的作用，导致整个结构的频率下降。
　　3)有限元计算值与试验值均比较吻合，验证了理论计算模型的合理性。