基于數(shù)值分析的曲面玻璃幕墻支撐體系設(shè)計(jì)

周桂香，周 寅

（1.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，江蘇泰州 225300；2.中國江蘇國際經(jīng)濟(jì)技術(shù)合作公司，江蘇南京 210008）

基于數(shù)值分析的曲面玻璃幕墻支撐體系設(shè)計(jì)

周桂香1，周 寅2

（1.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，江蘇泰州 225300；2.中國江蘇國際經(jīng)濟(jì)技術(shù)合作公司，江蘇南京 210008）

梅花形曲面玻璃幕墻的設(shè)計(jì)為無錫新區(qū)科技交流中心工程項(xiàng)目的難點(diǎn)之一。采用0-4評(píng)分法綜合評(píng)分選定“剛性挑梁支撐體系”為曲面玻璃幕墻的支撐體系實(shí)施方案。應(yīng)用SAP 2000有限元分析軟件，進(jìn)行7種工況條件下的數(shù)值分析，依據(jù)內(nèi)力和變形的分析結(jié)果，進(jìn)一步進(jìn)行幕墻節(jié)點(diǎn)和面板系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，確保曲面玻璃幕墻的支撐結(jié)構(gòu)體系順利實(shí)現(xiàn)。

曲面玻璃幕墻；支撐體系；SAP 2000軟件；內(nèi)力；變形

1 工程背景

無錫新區(qū)科技交流中心位于無錫市新區(qū)震澤路以北，科技北路以南，科技西路以東，科技東路以西的中心地塊上，是地標(biāo)性、大空間的公共建筑，總建筑面積約3.6萬㎡。該建筑主體為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，地下一層，地上三層，局部四層，檐口標(biāo)高最矮處為12.9m，最高處為31.2m。屋面結(jié)構(gòu)層為鋼結(jié)構(gòu)單層網(wǎng)殼和索穹頂，裝飾層為連續(xù)起伏的雙曲面鋁合金表面，建筑外觀設(shè)計(jì)為梅花（圖1），造型獨(dú)特，象征無錫市花，富有時(shí)代感和科技特色。建筑的周邊裹以晶瑩剔透的梅花形體點(diǎn)支式玻璃幕墻[1]，其展開面積近10000㎡，在9m標(biāo)高的景觀走廊處將弧形玻璃幕墻分成上下兩段：9m標(biāo)高以上的幕墻部分挑出主體結(jié)構(gòu)5m左右；9m標(biāo)高以下的幕墻部分向內(nèi)縮進(jìn)2-3m。梅花形曲面玻璃幕墻的設(shè)計(jì)為本工程的特色和難點(diǎn)之一。

圖1 建筑效果圖

2 曲面玻璃幕墻支撐體系的比選

由于沿建筑周邊設(shè)計(jì)了懸挑的景觀走廊，科技交流中心的曲面玻璃幕墻支撐體系的方案設(shè)計(jì)是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。由設(shè)計(jì)院、業(yè)主、項(xiàng)目管理公司先后共提出過4種傳力體系設(shè)計(jì)方案，針對(duì)曲面點(diǎn)支式玻璃幕墻支撐體系的4種設(shè)計(jì)方案，著重對(duì)比分析建筑效果（A）、結(jié)構(gòu)傳力（B）、幕墻變形（C）、施工難度（D） 和工程造價(jià)（E） 5項(xiàng)內(nèi)容。采用0-4評(píng)分法確定5項(xiàng)內(nèi)容的權(quán)重系數(shù)。然后，組織專家評(píng)委對(duì)4個(gè)方案的5項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行分析并且評(píng)分，最終選用的實(shí)施方案為剛性挑梁支撐體系，如圖2所示，將景觀走廊的徑向挑梁設(shè)計(jì)為實(shí)腹式鋼梁，而且將根部剛節(jié)點(diǎn)按鋼結(jié)構(gòu)框架的剛性節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，使剛性挑梁同時(shí)承擔(dān)景觀走廊、上部幕墻和下部幕墻的荷載。

圖2 曲面幕墻的結(jié)構(gòu)剖面圖

3 數(shù)值分析

通過前述的0-4評(píng)分法綜合評(píng)分確定的最優(yōu)方案為“剛性挑梁支撐體系”，這種曲面玻璃幕墻的支撐體系為超靜定結(jié)構(gòu)，景觀走廊的懸挑鋼梁和其下方的鋼管柱是重要的受力構(gòu)件，其變形將影響整個(gè)體系的受力和變形，由于懸挑梁和鋼管柱沿梅花形周邊布置，簡化的平面計(jì)算模型無法準(zhǔn)確計(jì)算各構(gòu)件的受力和變形，因此，采用SAP 2000有限元分析軟件建立空間三維模型（圖3） 進(jìn)行整體分析[2]。

圖3 梅花形三維計(jì)算模型

（1）三維建模主要考慮的因素

模型總節(jié)點(diǎn)數(shù)為2288個(gè)，模型總單元數(shù)為3449個(gè)，9m以下立柱按照柱單元模擬（Column），9m平臺(tái)梁按照梁單元模擬（Beam），9m以上立柱按照柱單元模擬（Column），空間環(huán)梁按照梁單元模擬（Beam），空間支撐單系桿按照支撐單元模擬（Brace），交叉支撐按照壓彎構(gòu)件梁（Beam） 考慮。梁單元（Beam） 均考慮按照壓彎構(gòu)件選項(xiàng)。鋼材的應(yīng)力限值，按板厚不同分別取205Mpa和215Mpa。

支座連接形式模擬：

1）底層立柱：因立柱頂端基本上附屬于整個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)上，側(cè)向變形均<5mm，不考慮上下支座的嵌固作用，均采用鉸支座模擬。

2）平臺(tái)主挑梁與混凝土立柱連接采用剛接支座，平臺(tái)次梁與混凝土梁連接采用鉸接支座。

3）三層立柱下支座與平臺(tái)梁采用鉸接支座，上支座與空間環(huán)梁因考慮施工中穩(wěn)定的穩(wěn)定性采用半剛接連接，結(jié)構(gòu)計(jì)算采用鉸接連接形式，計(jì)算差別不大沒有影響。

4）空間環(huán)梁與空間環(huán)梁之間采用剛接連接。

5）空間交叉支撐采用剛接連接，與支座采用鉸接支座。

（2） 荷載的輸入

1）結(jié)構(gòu)的靜荷載G桿件的自重、玻璃自重（包括配件自重）部分等效為線荷載；

2）結(jié)構(gòu)活荷載雨棚取0.50K N/㎡；三層走廊取2.50KN/㎡（局部入口取3.5KN/㎡）

風(fēng)荷載（計(jì)算主構(gòu)件時(shí)βg z按照βz按照鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》取，μs按照μs 1=-2.0考慮）

3） 風(fēng)荷載計(jì)算公式：WK=βgz×μz×μs×

W0

其中：WK——作用在幕墻上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值 （K N/㎡）

βgz——瞬時(shí)風(fēng)壓的陣風(fēng)系數(shù)，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》 GB 50009-2001（2006版） 取定。

μZ——風(fēng)壓高度變化系數(shù)，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》 GB 50009-2001（2006版） 取定，根據(jù)不同場地類型，按以下公式計(jì)算：

μS——風(fēng)荷載體形系數(shù)，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》 GB 50009-2001（2006版） 及概率統(tǒng)計(jì)理論的最大值（見湖南大學(xué)風(fēng)工程試驗(yàn)研究中心之無錫新區(qū)科技交流中心風(fēng)荷載試驗(yàn)研究報(bào)告）

W0——基本風(fēng)壓，取為0.45K N/㎡

設(shè)計(jì)風(fēng)壓不利值三層以下取1.00K N/㎡、三層以上1.53K N/㎡

4） 溫度荷載取40度。

（3） 荷載組合

考慮7種主要控制工況進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算：

（4） 變形驗(yàn)算控制

剛度驗(yàn)算時(shí)，按上述7種主要控制工況，分項(xiàng)系數(shù)均按1.0取用，恒載有利可取0.9。結(jié)構(gòu)位移限值：懸挑梁△

（5） 空間穩(wěn)定措施

為了確保梅花形玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)體系空間穩(wěn)定，在景觀走廊上空的混凝土環(huán)梁處設(shè)置水平鋼結(jié)構(gòu)支撐Z C 1和Z C 2（圖4），由于“梅花”的花瓣尖端附近結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，因此在該處采取密布水平支撐的構(gòu)造措施。

圖4 幕墻鋼結(jié)構(gòu)的水平支撐

（6）數(shù)值分析的主要結(jié)果

表1 內(nèi)力分析主要結(jié)果表

限于篇幅，僅給出最大軸力（圖5）和最大彎矩（圖6）的內(nèi)力圖。依據(jù)數(shù)值分析的內(nèi)力結(jié)果，進(jìn)一步對(duì)連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保鋼結(jié)構(gòu)支撐體系與混凝土結(jié)構(gòu)的連接安全可靠。

圖5 底層柱DL+WL軸力圖（最大420KN）

圖6 三層走廊DL+WL彎矩圖（最大894KN.m）

表2 變形分析主要結(jié)果表

限于篇幅，僅給出最大變形（圖7）。依據(jù)數(shù)值分析的變形結(jié)果，進(jìn)一步對(duì)玻璃面板系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖7 上層柱DL+WLx最大變形圖（40.52mm）

4 結(jié)語

應(yīng)用SAP 2000有限元分析軟件，進(jìn)行多工況條件下的數(shù)值分析，確保梅花形曲面玻璃幕墻的支撐結(jié)構(gòu)體系受力狀態(tài)和變形控制在結(jié)構(gòu)安全限制范圍內(nèi)。

[1]蔣鳳昌.點(diǎn)支式玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)計(jì)算與優(yōu)化研究[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué),2003.

[2]北京金土木軟件技術(shù)有限公司.SAP 2000中文版使用指南[M].人民交通出版社,2008.

Design of the Support System for Curved Glass Curtain Wall Based on Numerical Analysis

ZHOU Gui-xiang1,ZHOU Yin2
（1.Taizhou Polytechnic College,Taizhou Jiangsu 225300,China;2.China Jiangsu International Economic Technical Cooperation Corp.,Nanjin Jiangsu 210008,China）

It is very difficult to design the plum blossom-shaped curved glass curtain wall for Wuxi New District Science&Technology Communication Center.The 0-4grade method has been adopted to choose the rigid cantilevered beam supported system as an executive project.The SAP2000software is applied to analyze the support system under seven work conditions so as to obtain analysis results of internal force and distortion for further design of curtain wall detailing and plate system.Well-off realization of the support system for curved glass curtain wall is based on numerical analysis.

curved glass curtain wall;support system;SAP2000software;internal force;distortion

TU 242文獻(xiàn)標(biāo)設(shè)碼：A

1671-0142（2011）02-0052-03

周桂香（1965-）,女,江蘇泰興人,副教授,高級(jí)工程師,工程碩士.

（責(zé)任編輯劉 紅）