廣州巨形玉壁幕墻工程的結(jié)構(gòu)安全分析

摘 要：異形建筑幕墻是個(gè)性化建筑的外圍護(hù)墻體，建筑師運(yùn)用夸張的藝術(shù)想象和多種幾何元素來(lái)實(shí)現(xiàn)各種不同特點(diǎn)的主題。異形幕墻工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要綜合利用鋼結(jié)構(gòu)和鋁合金幕墻自身的特點(diǎn)，同時(shí)合理考慮各種不同材料的力學(xué)性能。該文通過(guò)國(guó)家新頒布的2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范的應(yīng)用以及有限元分析，對(duì)廣東興業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)科研主樓的巨形玉壁幕墻工程進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，旨在持續(xù)維護(hù)和保證異形幕墻工程的結(jié)構(gòu)安全。

關(guān)鍵詞：異形幕墻 抗風(fēng)分析 抗震分析 溫度作用 菱形幕墻 空間結(jié)構(gòu) 有限元分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TU74 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）04（a）-0-05

近年來(lái)，隨著建筑技術(shù)在原生態(tài)仿生造型方面的發(fā)展，建筑幕墻工程在結(jié)構(gòu)方面呈現(xiàn)出復(fù)雜性，設(shè)計(jì)優(yōu)先采用鋼鋁復(fù)合的空間結(jié)構(gòu)體系?？臻g結(jié)構(gòu)是建筑的骨架，安全性尤為重要。首都機(jī)場(chǎng)T3航站樓屋頂被風(fēng)吹掉、上海國(guó)金中心的高空炸彈“玻璃雨”事件等案例，撇除不可抗力因素，在異形建筑幕墻華麗外表的背后有多少結(jié)構(gòu)安全隱患，這些問(wèn)題已成了業(yè)界爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。

該文通過(guò)對(duì)廣東興業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)科研主樓的巨形玉璧幕墻工程（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為玉璧幕墻）進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，進(jìn)一步探討異形幕墻的安全問(wèn)題。

廣東興業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)科研主樓工程（見(jiàn)圖1）坐落在廣州市荔灣區(qū)珠江岸畔，建筑造型新穎，突顯時(shí)代氣息。該玉璧外圓環(huán)直徑146.6 m，內(nèi)圓環(huán)內(nèi)徑47 m，地面以上33層，建筑高度138 m，玉壁厚度28.5 m。

工程由意大利A.M.公司、華南理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院兩大建筑設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)聯(lián)手設(shè)計(jì)，主體結(jié)構(gòu)采用鋼斜撐框架加混凝土核心筒結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，而幕墻以菱形幕墻、三角型幕墻和空間結(jié)構(gòu)幕墻為主，異形幕墻遵循特定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則來(lái)保證工程安全。

1 異形幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

高層異形建筑采用幕墻墻體，在于異形幕墻輕質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，幕墻結(jié)構(gòu)附著于混凝土結(jié)構(gòu)和主體鋼結(jié)構(gòu)上，有著良好的可調(diào)位移能力。異形幕墻在風(fēng)荷載、地震、溫度等作用下結(jié)構(gòu)模型會(huì)產(chǎn)生較為復(fù)雜的力學(xué)響應(yīng)，其主要設(shè)計(jì)原則有以下幾條：

（1）作為維護(hù)結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載是主要作用，抗風(fēng)設(shè)計(jì)是首先考慮的設(shè)計(jì)原則。GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“新規(guī)范”）中指出針對(duì)風(fēng)敏感高層建筑和體型復(fù)雜的建筑物，風(fēng)荷載應(yīng)由風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。異形幕墻應(yīng)在建筑立面上的主體風(fēng)荷載加以歸納、總結(jié)，以準(zhǔn)確計(jì)算異形幕墻的不同部位形體、不同幕墻結(jié)構(gòu)體系的風(fēng)荷載數(shù)值。

（2）抗震設(shè)計(jì)是幕墻工程中重要的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則。建筑幕墻平面內(nèi)變形性能以建筑幕墻層間位移角為性能指標(biāo)，指標(biāo)值應(yīng)小于主體結(jié)構(gòu)彈性層間位移角控制值的3倍，主體結(jié)構(gòu)樓層最大彈性層間位移角控制值中按抗震規(guī)范取值。

（3）異形幕墻的鋼鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)在溫差作用下會(huì)產(chǎn)生較大的擠壓應(yīng)力，需計(jì)算校核。新規(guī)范規(guī)定溫度作用屬可變的間接作用，考慮到結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)及設(shè)計(jì)表達(dá)式的統(tǒng)一，其荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.4，該值與美國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范ACI318的取值相當(dāng)。[1]

（4）異形幕墻應(yīng)綜合考慮施工階段和使用階段的荷載作用效應(yīng)組合，整體建模，通過(guò)有限元分析最不利工況，找到最薄弱的受力節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)。

異形幕墻材料構(gòu)件按滿(mǎn)足驗(yàn)算承載力及變形的要求：如鋼型材撓度不大于1/250；鋁型材撓度不大于1/180；玻璃面板撓度不大于1/60等等。

研究結(jié)構(gòu)以設(shè)計(jì)原則為指導(dǎo)，從科學(xué)分析方法到全局分析過(guò)程，比對(duì)極限狀態(tài)，其中重點(diǎn)考慮抗風(fēng)分析、抗震分析、溫度作用、典型單元的構(gòu)造分析。

2 玉璧幕墻的結(jié)構(gòu)分析方法

2.1 抗風(fēng)分析

異形幕墻工程中空間鋼結(jié)構(gòu)屬主體結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)荷載重要性系數(shù)γ為一級(jí)，而外圍護(hù)幕墻為輕質(zhì)墻體-結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ為二級(jí)，在臺(tái)風(fēng)、地震等災(zāi)害情況來(lái)臨時(shí)，幕墻先破壞，相當(dāng)于對(duì)主體結(jié)構(gòu)卸載，保證主體結(jié)構(gòu)不癱塌。

因此本工程主體鋼結(jié)構(gòu)按風(fēng)洞報(bào)告100年一遇取風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，幕墻可按50年一遇風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，詳見(jiàn)圖2。常規(guī)建筑外形的幕墻工程在建筑轉(zhuǎn)角處及高層風(fēng)壓較大，而本工程風(fēng)荷載在內(nèi)外圓環(huán)邊緣處呈等值分布，不因高度變化而變化，在低層建筑下半弧等地方存在風(fēng)壓較大的特點(diǎn)。

在頂部及圓環(huán)邊緣懸壁鋼結(jié)構(gòu)幕墻處需綜合考慮風(fēng)振作用的影響，同時(shí)由于結(jié)構(gòu)樓板采用工形鋼+壓形鋼板混凝土結(jié)構(gòu)，幕墻對(duì)結(jié)構(gòu)的反力也較大，幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需綜合考慮幕墻桿件及主體承載力的雙方面因素。

由于本工程異形幕墻的形狀特點(diǎn)，風(fēng)荷載分布呈內(nèi)外圓環(huán)呈邊緣大值，內(nèi)外圓環(huán)間呈大面小值。

新規(guī)范規(guī)定“對(duì)于高度大于30 m且高寬比大于1.5的房屋，以及自振周期大于0.25 s的各種高聳結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮脈動(dòng)及對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的順風(fēng)向風(fēng)振的影響”。

本項(xiàng)目風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)以10 °為間隔測(cè)出36個(gè)風(fēng)向角的脈動(dòng)風(fēng)壓，根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理確定頂層峰值加速度反應(yīng)，見(jiàn)圖3，建筑設(shè)計(jì)已綜合評(píng)估了主體鋼結(jié)構(gòu)及幕墻結(jié)構(gòu)的側(cè)向撓度和風(fēng)振作用對(duì)結(jié)構(gòu)安全和舒適度的影響，安全可靠，風(fēng)振作用荷載呈波動(dòng)

變化。[2]

圖3 峰值加速度

根據(jù)拉格朗日動(dòng)態(tài)方程：

[M]質(zhì)量矩陣，[C]阻尼矩陣，[K] 剛度矩陣，P（t）動(dòng)態(tài)荷載，u動(dòng)態(tài)位移本工程[M]、[C]、[K]是固定不變的，在峰值加速度風(fēng)振作用P（t）下異形幕墻呈u值力學(xué)響應(yīng)，最大變化u值在結(jié)構(gòu)許用范圍之內(nèi)。

2.2 抗震分析

南北大面的菱形幕墻系統(tǒng)是本工程的特點(diǎn)。工程遵循“小震不壞、中震可修、大震不倒”的三個(gè)水準(zhǔn)的設(shè)計(jì)原則，在抗震設(shè)防烈度作用下經(jīng)修理后仍可繼續(xù)使用，在罕遇地震作用下幕墻骨架不脫落。

本工程所在地抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.1 g。國(guó)際通用的時(shí)程分析法在數(shù)學(xué)上稱(chēng)步步積分法，全過(guò)程地分析幕墻結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

由結(jié)構(gòu)基本運(yùn)動(dòng)方程輸入地面加速度記錄進(jìn)行積分求解，以求得整個(gè)時(shí)間歷程的地震反應(yīng)的方法。

菱形幕墻系統(tǒng)層是分布在鋼結(jié)構(gòu)和混凝土樓板的中間，外側(cè)為鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)為混凝土樓板。

由于幕墻最大彈性層間位移角的比對(duì)關(guān)系為：鋼結(jié)構(gòu)類(lèi)型1/300×3>混凝土結(jié)構(gòu)類(lèi)型1/800×3，地震作用下，鋼結(jié)構(gòu)變形較大，菱形幕墻與外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)的固定則需要采用大尺寸可調(diào)構(gòu)造來(lái)釋放地震作用，所以工程實(shí)際做法是幕墻主要受力桿件固定在內(nèi)側(cè)混凝土樓板上。

工程實(shí)例中經(jīng)常用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)證明幕墻的平面變形抗震性能，多個(gè)實(shí)驗(yàn)表明，豎明橫隱玻璃幕墻的平面變形性能與玻璃入槽的深度和玻璃的可活動(dòng)間隙有關(guān)，可調(diào)整范圍越大，抗震性能越好；而全隱框幕墻則因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)膠的伸縮能力優(yōu)良而具有良好的抗震性能，只要主體結(jié)構(gòu)未癱塌，全隱框幕墻一般都能保持完好，充分滿(mǎn)足了三個(gè)水準(zhǔn)抗震設(shè)計(jì)原則。

2.3 溫度作用

異形幕墻的主要材料是鋁、鋼、玻璃等等，經(jīng)過(guò)時(shí)間的推移，溫度的微觀變化最終導(dǎo)致幕墻結(jié)構(gòu)的宏觀破壞。如果本工程中節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)伸縮有約束，則受溫差作用造成構(gòu)件擠壓產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，計(jì)算按新規(guī)范：

σ鋼=α鋼*E鋼*ΔT*1.4≥[σ] 鋼

σ鋁=α鋁*E鋁*ΔT*1.4≥[σ] 鋁

為適應(yīng)幕墻溫度變形以及施工調(diào)整的需要，本工程異形幕墻鋼鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)之間需留有可調(diào)伸縮縫ΔL，ΔL按下式計(jì)算：ΔL≥（α鋼-α鋁）*ΔT*L*λ+d1

α鋼：立柱材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)

α鋁：立柱材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)

ΔT：溫差考慮太陽(yáng)輻射熱等的極端影響

λ：實(shí)際伸縮調(diào)整系數(shù)

d1：施工誤差

求得最大ΔL，鋼鋁連接螺栓部位條形可調(diào)孔長(zhǎng)度應(yīng)>ΔL，滿(mǎn)足變形要求。

同理計(jì)算得出鋁型材桿件間的最小伸縮縫。本工程考慮設(shè)計(jì)溫差作用，鋼鋁結(jié)構(gòu)做槽式可滑動(dòng)設(shè)計(jì)，不產(chǎn)生應(yīng)力作用以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，鋼鋁結(jié)構(gòu)在溫度作用下做相對(duì)自由伸縮。

玻璃“自爆”已經(jīng)危及到建筑物周邊行人的安全，異形幕墻同樣在玻璃的清潔方面和玻璃“自爆”的維修方面耗費(fèi)了大量的

成本。

由于玻璃的不規(guī)則容易產(chǎn)生裝配誤差，在大溫差的作用下產(chǎn)生裝配應(yīng)力而“自爆”，而玻璃含有硫化鎳的結(jié)石顆粒物質(zhì)，體積極小無(wú)法觀察到，它受到溫度作用產(chǎn)生的膨脹若干倍后產(chǎn)生應(yīng)力集中，它是幕墻玻璃自爆的根源。

NiS是一種晶體，有兩種晶相，高溫相α-NiS和低溫相β-NiS，[3]存在于鋼化玻璃中α-NiS是不穩(wěn)定的，轉(zhuǎn)變成β-NiS的趨勢(shì)明顯，轉(zhuǎn)變過(guò)程中伴隨著體積臌脹，處于玻璃張應(yīng)力區(qū)的NiS在熱的“動(dòng)態(tài)”下超過(guò)玻璃的強(qiáng)度極限導(dǎo)致玻璃的結(jié)構(gòu)破壞。

國(guó)際上用半鋼化夾層安全玻璃取代鋼化玻璃，以避免“自爆”的傷人問(wèn)題。

3 玉璧幕墻的結(jié)構(gòu)分析過(guò)程和結(jié)果

3.1 菱形幕墻的有限元分析

菱形幕墻豎直龍骨位置為明框幕墻，傾斜位置龍骨處幕墻采用隱框形式，最大水平分格取1575 mm，單個(gè)斜桿最大長(zhǎng)度5660 mm，最高層高5000 mm，斜桿鋁立柱采用6063-T5材質(zhì)，橫向與斜向桿件體系相互作用，在整體環(huán)境下共同運(yùn)動(dòng)。

分析風(fēng)荷載和地震荷載等組合，取最不利的工況，采用國(guó)際上成熟的有限元軟件SAP2000建立異形幕墻模型，編號(hào)和定義節(jié)點(diǎn)和桿件，加入荷載，根據(jù)分析過(guò)程整理輸出結(jié)果數(shù)據(jù)，比對(duì)鋁立柱直桿和斜桿變形及強(qiáng)度，詳見(jiàn)下圖4、圖5、圖6。

有限元分析計(jì)算結(jié)果：平面外撓度D1=2.69 mm< [D]=2133/180=11.85 mm and max=20 mm，平面內(nèi)撓度D2=（0.96272+0.56272）0.5=1.11 mm<3 mm.滿(mǎn)足要求。斜桿最大強(qiáng)度σ=Mx/（γx×Wenx）+My/（γy×Weny）=69.44 N/mm2 <[σ]=90.0 N/mm2，應(yīng)力滿(mǎn)足。

其中W：對(duì)截面主軸x軸/y軸的較小有效凈截面模量，截面塑性發(fā)展系數(shù)：γx=γy=1.05。

通過(guò)有限元的結(jié)果分析可知，菱形幕墻模型的斜桿變形較小，斜桿做法有利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，同時(shí)對(duì)水平地震力的承擔(dān)能力較好。

3.2 空間結(jié)構(gòu)的有限元分析

對(duì)于復(fù)雜的異形幕墻空間結(jié)構(gòu)，采用鋼結(jié)構(gòu)作為結(jié)構(gòu)桿件，采用鋁結(jié)構(gòu)作為密封防水構(gòu)造。不同的鋼、鋁桿件體系相互連接，相互作用，在共撓度原理下共同運(yùn)動(dòng)。入口采光雨蓬采用框架結(jié)構(gòu)形式，玻璃為8+1.52PVB+8鋼化夾膠玻璃，兩邊懸挑支撐龍骨采用變截面H型鋼，在保證采光雨蓬結(jié)構(gòu)的可靠性前提下追求輕盈通透。將風(fēng)荷載、重量荷載、地震等荷載加載到分析模型中，取最極不利的節(jié)點(diǎn)數(shù)值與許用值比對(duì)，根據(jù)分析過(guò)程整理輸出結(jié)果數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖7、8、9、10：鋼架最大應(yīng)力比0.842<1，滿(mǎn)足要求。在荷載設(shè)計(jì)值作用下鋼架變形撓度如下：

最大變形撓度為D=21.9 mm<[D]=8000/300=26.7 mm，符合規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)安全！[4]

3.3 其他方面的結(jié)構(gòu)安全隱患

異形幕墻的鋁材由于桿件的復(fù)雜性，加工需要拉彎，燒鋁焊等非常規(guī)工序，容易造成鋁合金型材裂紋；異形幕墻鋼材連接節(jié)點(diǎn)較多，節(jié)點(diǎn)應(yīng)力較大，在節(jié)點(diǎn)焊接處的防腐處理應(yīng)值得重視，焊縫要承擔(dān)較大的根部應(yīng)力，這些小的結(jié)構(gòu)缺陷都會(huì)有安全問(wèn)題。

本工程三角形玻璃幕墻采用全隱框玻璃幕墻系統(tǒng)，其余部位均采用豎明橫隱玻璃幕墻系統(tǒng)。80年代起我國(guó)用硅酮結(jié)構(gòu)膠作為結(jié)構(gòu)元素在隱框幕墻中得到廣泛地應(yīng)用，國(guó)際上檢測(cè)證明它的使用壽命為25年，目前我國(guó)城市中有些老建筑已經(jīng)存在安全隱患。硅酮結(jié)構(gòu)膠的主要成分是高分子材料-羥基封端聚二甲基硅氧烷，分子結(jié)構(gòu)以硅-氧化學(xué)鍵為主，在紫外線(xiàn)、潮濕、SO2、鹽霧、高溫等環(huán)境下力學(xué)性能呈長(zhǎng)期緩慢疲勞壽命衰減，全國(guó)各地市已經(jīng)開(kāi)始開(kāi)展了對(duì)老建筑隱框玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)膠做定期的維護(hù)和檢測(cè)，新工程的隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)也需要論證，經(jīng)過(guò)分析比較，采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)ETAG002《結(jié)構(gòu)密封膠裝配系統(tǒng)技術(shù)審核指南》和EN15434《建筑用玻璃-結(jié)構(gòu)或紫外線(xiàn)密封膠》在結(jié)構(gòu)膠抗老化方面的考慮較周全，如果實(shí)際工程施工方法規(guī)范、得當(dāng)，能有效地保證全隱框幕墻的使用壽命。對(duì)結(jié)構(gòu)膠廠家要求提供保養(yǎng)有效期年限保證，宜采用高性能結(jié)構(gòu)膠，但結(jié)構(gòu)膠粘接拉伸強(qiáng)度設(shè)計(jì)值0.14 mpa仍為最高計(jì)算限值[5]，JGJ102-2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定硅酮結(jié)構(gòu)膠強(qiáng)度設(shè)計(jì)值不大于0.2 mPa，已考慮風(fēng)荷載1.4倍的安全系數(shù)，與此值接近。高于此限值時(shí)，疲勞壽命衰減較快，超過(guò)年限后定期檢查更換結(jié)構(gòu)膠。本工程幕墻主要是采用豎向明框扣板做法防止因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)膠老化的玻璃板塊墜落安全問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)抗風(fēng)、抗震、溫度作用的科學(xué)分析方法和典型單元的分析過(guò)程，結(jié)果得知玉璧幕墻的系統(tǒng)構(gòu)造滿(mǎn)足了異形幕墻的設(shè)計(jì)原則，并提前預(yù)知工程風(fēng)險(xiǎn)；通過(guò)數(shù)學(xué)模型的建立，尋找點(diǎn)、線(xiàn)、面之間的規(guī)律，滿(mǎn)足了建筑造型的要求；通過(guò)有限元力學(xué)模型的分析，采用最優(yōu)化桿件，保證了工程安全和經(jīng)濟(jì)性。在未來(lái)的幾年，我們將結(jié)合數(shù)學(xué)模型和力學(xué)模型，利用計(jì)算機(jī)三維空間CAD技術(shù)和信息數(shù)字化、參數(shù)化的方法改進(jìn)異形建筑幕墻工程技術(shù)的應(yīng)用。新規(guī)范作為設(shè)計(jì)依據(jù)，它的修訂是在總結(jié)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和參照國(guó)際規(guī)范的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，修訂內(nèi)容增補(bǔ)了風(fēng)振作用、溫度作用及偶然荷載等等，新規(guī)范的應(yīng)用將更全面的解決異形建筑幕墻的結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題。

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