伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)技術(shù)實(shí)力的迅速騰飛，建筑的外形也發(fā)生了翻天覆地的變化。建筑外幕墻直接決定著建筑外部形象和建筑所在地區(qū)的影響力，也是企業(yè)文化與社會(huì)交流的一個(gè)
窗口，是建筑形象的“外衣”。幕墻要想實(shí)現(xiàn)各種造型的外觀要求，其主受力結(jié)構(gòu)非常關(guān)鍵，往往會(huì)采用結(jié)構(gòu)形式多樣，受力比較合理輕巧的
鋼結(jié)構(gòu)體系。這樣必然會(huì)對(duì)幕墻公司提出更高的設(shè)計(jì)及施工要求。
位于海濱城市的廈
門(mén)，由我們深圳方大公司承建幕墻工程的廈門(mén)國(guó)際物流中心工程，其中的主入口鋼
結(jié)構(gòu)玻璃挑檐就是一個(gè)造型獨(dú)特，設(shè)計(jì)要求極高的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。以下從
風(fēng)荷載取值、鋼結(jié)構(gòu)受力分析計(jì)算、鋼結(jié)構(gòu)局部連接幾個(gè)方面進(jìn)行分析探討。
1.風(fēng)荷載取值研究
主人口部位屋面玻璃
采光頂、弧形玻璃立面以及玻璃挑檐通過(guò)一條Z形圓滑過(guò)
渡弧線連成一體，玻璃挑檐下方是主入口臺(tái)階，風(fēng)可以進(jìn)入弧形玻璃立面內(nèi)側(cè)，而且弧形玻璃立面及采光頂兩側(cè)與
主體結(jié)構(gòu)有一定的間隙，可透風(fēng)釋壓。z形鋼架上端與屋頂主體鹼結(jié)構(gòu)柱
鉸接連接，下端拐點(diǎn)處與主體硅結(jié)構(gòu)柱頂鉸接連接。Z形鋼架間隔4.2m布置一榻，下端六根主體鹼結(jié)構(gòu)柱間距分別為8.4m、15m、16.8m,16. 8m、15m、8.4m，主體結(jié)構(gòu)柱之間布置一排8[70 x 600 x 25箱形主鋼梁，不在結(jié)構(gòu)柱部位的Z形鋼架下端與箱形主梁鉸接連接。具體鋼結(jié)構(gòu)布置詳見(jiàn)下圖所示。
由于該幕墻鋼結(jié)構(gòu)造型復(fù)雜，而且下端和內(nèi)側(cè)都可透風(fēng)，風(fēng)荷載取值比較復(fù)雜，所以委托北京大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)系空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室對(duì)該部位做了風(fēng)荷載風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)。目前，通過(guò)正確的風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)仍然是獲得不規(guī)則形狀建筑物或結(jié)構(gòu)物風(fēng)荷載體形系數(shù)的有效手段，不過(guò)，我們還應(yīng)根據(jù)
建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范進(jìn)行局部修正和調(diào)整。
在對(duì)各部位體型系數(shù)研究中，得知弧形立面、頂面的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與荷載規(guī)范數(shù)據(jù)非常接近。而挑檐部位，在迎風(fēng)面情況下，下方氣流可以進(jìn)人弧形玻璃立面內(nèi)側(cè)，上方氣流對(duì)挑檐有向下的壓力，所有風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)報(bào)告中，迎風(fēng)面情況下Cp=0.45(向下)，我們綜合分析后取Cp=0.5計(jì)算。在背風(fēng)面情況下，氣流對(duì)挑檐主要是向上的力，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)報(bào)告中Cp=-0.12,往往雨蓬向上的風(fēng)荷載會(huì)比較大，但考慮到該挑檐下方透風(fēng)，所以取Cp=-1.0
2.鋼結(jié)構(gòu)受力分析計(jì)算
2.1整體結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)
在鋼
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程中應(yīng)該強(qiáng)調(diào)”概念設(shè)計(jì)，它在結(jié)構(gòu)選型與布置階段尤其重要。對(duì)一些難以作出精確理性分析或規(guī)范未規(guī)定的問(wèn)題，可依據(jù)從整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、破壞機(jī)理、震害、試驗(yàn)現(xiàn)象和工程經(jīng)驗(yàn)所獲得的設(shè)計(jì)思想，從全局的角度來(lái)確定控制結(jié)構(gòu)的布置及細(xì)部措施。在物流主人口大鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，整體結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)我們是按如下幾個(gè)步驟考慮分析的:
(1)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行整體分析，確定力的傳遞路線及鋼件的布置原則。由于下端主體結(jié)構(gòu)住間距較遠(yuǎn)，最大間距為16. 8m，而Z形鋼架間距為4.2m，所以，首先在主體硅結(jié)構(gòu)柱頂布置一排800 x 600 x 25mm箱形主鋼梁，用來(lái)支撐Z形鋼架的下
支座點(diǎn)。
(2)Z形鋼架上端與屋頂主體硅結(jié)構(gòu)梁鉸接連接，下端與主體結(jié)構(gòu)柱頂或者柱間箱形主鋼梁鉸接連接。考慮到柱間鋼梁跨度較大，Z形鋼架下端如果采用固端連接必然會(huì)對(duì)鋼梁產(chǎn)生很大的扭矩，所以采用鉸接連接，而且鉸接支座高度盡量做到最小，使下
支座反力對(duì)鋼梁扭轉(zhuǎn)的力臂減小。
(3)對(duì)Z形鋼架
截面反復(fù)優(yōu)化，采用圓管析架、方管柑架、實(shí)腹式
H型鋼以及箱形截面對(duì)比分析計(jì)算。
A、彬架形式受力最合理，用鋼量少，但占空間太大，效果不理想。
B、實(shí)腹式截面截面會(huì)稍大一些，但占空間小。由于
桿件主要是
彎矩起控制作用，采用H型截面受力合理，但H型內(nèi)側(cè)面交點(diǎn)容易積灰，而且H
型鋼連接處較復(fù)雜，對(duì)該部位而言效果不理想。采用箱形截面受力合理，翼緣根據(jù)計(jì)算加厚，連接部位簡(jiǎn)潔，外形美觀。
所以經(jīng)過(guò)反復(fù)比較分析后，主要
構(gòu)件Z形鋼架截面采用150 x 450 x 12 x 25mm箱形截面，橫向次鋼梁采用100 x150 x5鋼通。
2.2采用軟件分析計(jì)算
由于結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，為了保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們采用了5AP2000和Rabat兩個(gè)大型
有限元分析軟件進(jìn)行計(jì)算比較，經(jīng)過(guò)軟件多次調(diào)試計(jì)算、手算校核對(duì)比后，最終計(jì)算結(jié)果整理如下:
(1)次鋼梁受力較小，采用學(xué)
Q235B材質(zhì)的
鋼材，由于幕墻連接m要最終選用100 x150、5mm鋼方通，最大
應(yīng)力為103.845N/mm
2<215N/mm
2。
(2) 2形主鋼架受力較大，采用Q345B材質(zhì)的鋼材，選用150 x 450 x 12 x 25mm箱形截面，最大應(yīng)力為242. 452N/mm
2，<295NImm
2。
(3)在Z形鋼架拐點(diǎn)部位，彎矩比較大，所以加大箱形截面高度，采用弧線圓滑過(guò)
渡，既提高了拐點(diǎn)
強(qiáng)度而且效果美觀。
(4)在模態(tài)振形分析時(shí)，結(jié)構(gòu)側(cè)向
穩(wěn)定性比較薄弱，所以在頂面兩側(cè)部位，增加兩個(gè)交叉斜
拉桿，保證鋼結(jié)構(gòu)側(cè)向穩(wěn)定性。
(5)對(duì)各種工況組合分析后，1. 2鋼結(jié)構(gòu)自重+1. 2
面板及
遮陽(yáng)構(gòu)架自重+1.4正風(fēng)
壓+0.98
活荷載為最不利荷載
基本組合工況，桿件應(yīng)力達(dá)到最大。
(6)在
標(biāo)準(zhǔn)組合工況中，鋼結(jié)構(gòu)自重+面板及遮陽(yáng)構(gòu)架自重正
風(fēng)壓為最不利標(biāo)準(zhǔn)組合工況，結(jié)構(gòu)
撓度變形達(dá)到最大。
最不利標(biāo)準(zhǔn)組合工況下結(jié)構(gòu)變形示意圖:〔圖為實(shí)際變形情況50倍示意)
３.鋼結(jié)構(gòu)局部連接
連接
節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重要的內(nèi)容之一。在結(jié)構(gòu)分析前，就應(yīng)該對(duì)節(jié)點(diǎn)的形式有充分思考與確定。常常出現(xiàn)的一種情況是，最終設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)與結(jié)構(gòu)分析模型中使用的形式不完全一致，這必須避免。按傳力特性不同，節(jié)點(diǎn)分剛接，鉸接和半剛接。
連接的不同對(duì)結(jié)構(gòu)影響甚大，比如，有的剛接節(jié)點(diǎn)雖然承受彎矩沒(méi)有問(wèn)題，但會(huì)產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)動(dòng)，不符合結(jié)構(gòu)分析中的假定，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際工程變形大于計(jì)算數(shù)據(jù)等的不利結(jié)果。
在物流主人口大鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，屋頂鋼結(jié)構(gòu)延伸段部位，懸挑鋼梁支座端部與屋頂主體矽結(jié)構(gòu)柱以及屋頂主體鹼結(jié)構(gòu)邊梁連接。在結(jié)構(gòu)柱部位，將懸挑主鋼梁與結(jié)構(gòu)柱中的H型鋼骨固端連接，保證鋼梁支座端部的足夠
剛度，與計(jì)算模型一致。而邊梁部位，由于結(jié)構(gòu)邊梁在側(cè)邊扭矩作用下會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，不能達(dá)到固端支座的要求，所以，懸挑鋼梁與主體結(jié)構(gòu)邊梁連接的支座設(shè)計(jì)為鉸接支座。
節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮安裝
螺栓、現(xiàn)場(chǎng)
焊接等的施工空間及構(gòu)件
吊裝順序等。考慮不周，往往會(huì)出現(xiàn)構(gòu)件運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法安裝的現(xiàn)象。此外，還應(yīng)盡可能使工人能方便的進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)定位與臨時(shí)
固定。這個(gè)大鋼結(jié)構(gòu)的每福Z形鋼架重量為5噸多，而且要吊裝到30多米高空安裝定位，中間的各福鋼架可以通過(guò)先定好上下支座來(lái)實(shí)現(xiàn)安裝要求，然而兩側(cè)最邊的懸挑鋼架安裝就比較麻煩了，它要在30多米高空實(shí)現(xiàn)與屋頂懸挑主鋼梁等強(qiáng)對(duì)接，吊裝定位及焊接者陽(yáng)卜常困難。所以最邊鋼架連接部位我們采用了先臨時(shí)固定后等強(qiáng)焊接的方式。具體連接節(jié)點(diǎn)如下:
最邊上的鋼架吊裝上去后，先與屋頂懸挑主鋼梁通過(guò)節(jié)點(diǎn)板螺栓固定，然后對(duì)翼緣板焊接，最后再封兩側(cè)封口
腹板。這樣就真正實(shí)現(xiàn)了在30多米高空等強(qiáng)對(duì)接。
簡(jiǎn)支梁就
抗彎強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，對(duì)不動(dòng)鉸支座的要求僅僅是阻止位移，同時(shí)允許在
平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，然而在處理梁
整體穩(wěn)定時(shí)上述要求就不夠了。支座還需能夠阻止梁繞縱軸扭轉(zhuǎn)，同時(shí)允許梁在水平平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)和梁端截面自由
翹曲，以符合穩(wěn)定分析所采取的邊界條件。所以在鉸接支座節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，支座
肋板的側(cè)邊需設(shè)置加強(qiáng)肋板，厚度和尺寸根據(jù)計(jì)算確定。
4.結(jié)束語(yǔ)
建筑的外衣千變?nèi)f化，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理和基本理論還是萬(wàn)變不離其宗，本人通過(guò)對(duì)多個(gè)大型幕墻鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，總結(jié)了以下幾點(diǎn)體會(huì)，與大家一起分享。
1)將幕墻和鋼結(jié)構(gòu)結(jié)合為一體來(lái)研究，選擇最美觀合理的結(jié)構(gòu)形式。
2)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式分析出各部位的風(fēng)荷載大小及方向，充分考慮各種荷載及作用的最不利組合情況。
3)通過(guò)概念設(shè)計(jì)，從全局的角度來(lái)確定控制結(jié)構(gòu)的布置及細(xì)部措施。
4)結(jié)構(gòu)建模分析計(jì)算，計(jì)算模型要與實(shí)際結(jié)構(gòu)形式及連接相符合，準(zhǔn)確的定義好結(jié)構(gòu)的各邊界條件。同時(shí)，要具備扎實(shí)的力學(xué)功底，用力學(xué)原理判斷計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。
5)必須對(duì)結(jié)構(gòu)整個(gè)體系以及局部構(gòu)件的穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算，以免在設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)生不必要的失穩(wěn)損失。
6)局部連接非常重要，需與計(jì)算模型相一致，應(yīng)考慮各種不利因素，有足夠的安全度;
７)需對(duì)構(gòu)件的加工工藝及運(yùn)輸安裝有全面的了解，要真正能加工出來(lái)安裝到位的結(jié)構(gòu)才是確實(shí)可行的設(shè)計(jì)作品。
參考文獻(xiàn)
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玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》，
JGJ 102-2003
《
鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，GB 50017－2003
《建筑
抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，GB 50011－2001(2008年版)
《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，GBS0009－2001(2006年版)
工程位置: 福建廈門(mén)
建筑高度: 49米
樓層數(shù)目: 11
幕墻設(shè)計(jì): 日本設(shè)計(jì)
幕墻材料: 紅磚、石材、鋁板幕墻
