橋建合一玻璃幕墻結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性仿真分析

孫少軍

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢　430063)

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橋建合一玻璃幕墻結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性仿真分析

孫少軍

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢430063)

摘要：高速鐵路客運(yùn)站房大型幕墻是一種橋建合一的結(jié)構(gòu)體系,由于玻璃幕墻體系與列車軌道梁緊密相聯(lián),高速列車通過(guò)時(shí)可能引起玻璃幕墻共振的問(wèn)題。因此,在設(shè)計(jì)幕墻結(jié)構(gòu)體系時(shí),行車振動(dòng)對(duì)玻璃幕墻結(jié)構(gòu)體系的影響必須予以考慮。以某高速鐵路站房玻璃幕墻結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,運(yùn)用有限元方法進(jìn)行數(shù)值動(dòng)力仿真分析,分析結(jié)果表明：行車振動(dòng)荷載不會(huì)使幕墻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振；雙邊列車通行相比單邊列車通行,幕墻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的平面外振動(dòng)位移要大；當(dāng)行車振動(dòng)荷載激振方式為豎向力激振時(shí),豎向激振荷載作用下幕墻結(jié)構(gòu)的平面外振動(dòng)位移很小。

關(guān)鍵詞：鐵路客站；橋建合一；玻璃幕墻；動(dòng)力特性；仿真分析

1概述

隨著我國(guó)高速鐵路建設(shè)的發(fā)展，一批建筑形式新穎、結(jié)構(gòu)體系巧妙的鐵路客站陸續(xù)投入使用或進(jìn)入建設(shè)期[1]。這些鐵路客站的結(jié)構(gòu)形式既需要滿足高速列車行駛及荷載要求，又要滿足站房的功能需要，是典型的將橋梁結(jié)構(gòu)與房屋建筑結(jié)構(gòu)組合成一體的綜合結(jié)構(gòu)體系[2-3]。

玻璃幕墻是建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)或裝飾體系，不承擔(dān)主體結(jié)構(gòu)所作用的荷載，但在結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)荷載、地震荷載以及溫度荷載的作用下，需進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)的驗(yàn)算[4-5]；橋建合一結(jié)構(gòu)的幕墻，還需考慮列車通過(guò)時(shí)會(huì)導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)振動(dòng)，在結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，也必需保證幕墻結(jié)構(gòu)正常使用。隨著玻璃幕墻在大型橋建合一鐵路站房工程中逐步使用，幕墻結(jié)構(gòu)體系相對(duì)于主體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性分析成為設(shè)計(jì)時(shí)需要解決的重要問(wèn)題。

本文的研究對(duì)象為某高速鐵路客運(yùn)站房大型幕墻，是一種橋建合一的玻璃幕墻結(jié)構(gòu)體系，幕墻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主立柱位于軌道梁下部，連接于列車軌道梁底面，采用壓彎構(gòu)件形式。由于整個(gè)玻璃幕墻體系與列車軌道梁連為一體，高速列車通過(guò)時(shí)可能引起玻璃幕墻共振的問(wèn)題，在對(duì)幕墻結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，行車振動(dòng)對(duì)玻璃幕墻結(jié)構(gòu)體系的影響必須予以考慮。

有限元分析可利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)(幾何和荷載工況)進(jìn)行模擬，是一種可對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力特性模擬分析的有效的數(shù)值分析方法。數(shù)值模擬方法在某種意義上比理論與模型試驗(yàn)對(duì)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)更為深刻、更為細(xì)致，不僅可以了解問(wèn)題的結(jié)果，而且可隨時(shí)連續(xù)動(dòng)態(tài)地、重復(fù)地顯示事物的發(fā)展，了解其整體與局部的細(xì)致過(guò)程，可以顯示模型試驗(yàn)都無(wú)法看到的發(fā)生在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的一些物理現(xiàn)象[6]。因此，以該高速鐵路站房玻璃幕墻結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，運(yùn)用有限元方法進(jìn)行了數(shù)值動(dòng)力仿真分析。

2仿真模型的建立

2.1模型背景

本工程玻璃幕墻鋼結(jié)構(gòu)體系首先在與軌道梁連接部位設(shè)置了隔振節(jié)點(diǎn)，方管柱嵌套在方管型減震器中，減震器內(nèi)周與方管柱接觸的界面復(fù)合一層固體自潤(rùn)滑減摩層，減震器作為埋件焊接在軌道箱梁中。方管柱下端采取轉(zhuǎn)動(dòng)鉸支承，沿軌道方向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度放開(kāi)，事先減少了軌道梁振動(dòng)引起的幕墻結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)。

2.2有限元模型

該玻璃幕墻體系主要由豎向支撐方管柱，頂橫梁，底方通，橫向連梁，吊桿以及玻璃面板等組成。采用線單元模型模擬各結(jié)構(gòu)桿件，即ANSYS中的beam188單元進(jìn)行模擬，截面形狀及尺寸取為實(shí)際設(shè)計(jì)值；玻璃面板采用shell63單元進(jìn)行模擬[7-8]。有限元計(jì)算模型網(wǎng)格中，單元數(shù)1 198，節(jié)點(diǎn)數(shù)873，如圖1所示。

圖1　幕墻結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

2.3材料參數(shù)

鋼材和玻璃的基本物理參數(shù)按表1取用。

表1　鋼材與玻璃的基本物理參數(shù)

玻璃強(qiáng)度設(shè)計(jì)值按表2取用，采用的玻璃為8+12A+8型號(hào)的雙鋼化防火型中空玻璃。

表2　玻璃的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值　MPa

鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值按表3取用，幕墻鋼結(jié)構(gòu)中采用的為Q235B，其中方管柱、吊桿、方通，連梁、頂橫梁等的鋼材厚度均小于16 mm，因此，取其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=215 MPa。

表3　鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值　MPa

2.4計(jì)算荷載

主要考慮幕墻鋼結(jié)構(gòu)承受的重力荷載、風(fēng)荷載、地震作用以及作用在幕墻方管柱頂端的行車振動(dòng)荷載。

2.4.1風(fēng)荷載

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009)規(guī)定了垂直于建筑物表面的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值[9]，當(dāng)計(jì)算主要承重結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)按照下式計(jì)算

(1)

式中，wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；βz為高度z處的風(fēng)振系數(shù)；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；w0為基本風(fēng)壓。

當(dāng)計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)按照下式計(jì)算

(2)

式中，βgz為高度z處的陣風(fēng)系數(shù)。

根據(jù)主體結(jié)構(gòu)相關(guān)特征，取μs×βgz=2.0，μz=0.967，wk=2.0×0.967×0.4=0.774 kN/m2。又根據(jù)《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》(JGJ 102—2003)第5.3.2條規(guī)定，玻璃幕墻的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按所給公式計(jì)算，并且不應(yīng)小于1.0 kN/m2。因此本文計(jì)算取wk=1.0 kN/m2。

2.4.2行車振動(dòng)荷載

列車通過(guò)車站的方式有3種：站內(nèi)列車停止?fàn)顟B(tài)開(kāi)啟出站、站外列車減速進(jìn)站停車及列車勻速駛過(guò)車站(該種情況較少本文暫不討論)。不同的運(yùn)行方式，將產(chǎn)生不同的橋軌振動(dòng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

表4　列車通過(guò)車站時(shí)軌道梁的振動(dòng)頻率

3有限元?jiǎng)恿τ?jì)算

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮下述兩種極限狀態(tài)下的要求：承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)，承載能力驗(yàn)算即為滿足承載能力極限狀態(tài)的要求，振動(dòng)位移驗(yàn)算為滿足正常使用極限狀態(tài)的要求[10]。經(jīng)計(jì)算分析，行車振動(dòng)荷載對(duì)幕墻結(jié)構(gòu)承載力影響較小，因此，重點(diǎn)計(jì)算分析了行車振動(dòng)荷載下幕墻結(jié)構(gòu)的振動(dòng)位移。振動(dòng)位移驗(yàn)算時(shí)行車振動(dòng)荷載組合系數(shù)取1.0。

4動(dòng)力計(jì)算結(jié)果分析

動(dòng)力特性計(jì)算分析分考慮玻璃自重及不考慮玻璃自重2種情況[11]。

4.1考慮玻璃自重時(shí)幕墻結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性分析

計(jì)算可得，幕墻結(jié)構(gòu)體系的前10階自振頻率如表5所示。從結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)可知，幕墻鋼結(jié)構(gòu)體系的第1階自振頻率對(duì)應(yīng)的模態(tài)為幕墻鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生平面外的彎曲變形，其形式與風(fēng)荷載產(chǎn)生的平面外彎曲變形形式一致；第2階自振頻率對(duì)應(yīng)模態(tài)為幕墻鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生平面外的有一個(gè)固定節(jié)點(diǎn)的彎曲振型；第3階自振頻率對(duì)應(yīng)模態(tài)為幕墻鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生平面外的反對(duì)稱彎曲變形。

表5　幕墻結(jié)構(gòu)的自振頻率　Hz

4.2不考慮玻璃自重時(shí)幕墻結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可得，幕墻鋼結(jié)構(gòu)體系的前10階自振頻率如表5所示；另外，從結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)表現(xiàn)形式來(lái)看，其對(duì)應(yīng)前5階結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)與考慮玻璃自重時(shí)幕墻結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)的形式是一致的。

4.3玻璃自重對(duì)幕墻結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響分析

表5中分別給出了考慮和不考慮玻璃自重時(shí)幕墻結(jié)構(gòu)的前10階自振頻率。可以看出，是否考慮玻璃自重對(duì)幕墻鋼結(jié)構(gòu)的自振頻率有較大的影響，考慮玻璃自重后，結(jié)構(gòu)體系的質(zhì)量加大，使得幕墻鋼結(jié)構(gòu)體系各階振型頻率都有較明顯的降低，各階振型頻率都往低頻區(qū)偏移，使得幕墻鋼結(jié)構(gòu)支承體系相對(duì)更柔，因此相對(duì)低頻區(qū)域的激振荷載將更為敏感。由于行車振動(dòng)荷載處于低頻振動(dòng)范圍，因此為了安全考慮，在幕墻結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析時(shí)應(yīng)該考慮玻璃附加質(zhì)量的影響。

5行車動(dòng)力響應(yīng)分析

對(duì)幕墻結(jié)構(gòu)在行車振動(dòng)作用下進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析計(jì)算，采用不同方式對(duì)行車振動(dòng)荷載進(jìn)行模擬分析，按照正弦荷載激勵(lì)進(jìn)行加載分析，并根據(jù)幕墻結(jié)構(gòu)自振頻率，取0～17 Hz的激振頻率進(jìn)行掃頻計(jì)算對(duì)比分析。

本文僅對(duì)反映幕墻動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律的典型位置進(jìn)行了分析，在具體計(jì)算點(diǎn)的選取時(shí)，考慮了結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，并以左半部分為主，最終選取計(jì)算點(diǎn)的具體位置描述及相應(yīng)計(jì)算點(diǎn)號(hào)如表6所示和圖2所示。

同時(shí)為了模擬不同的荷載情況，分為2種加載方式：方管柱頂端豎向力激振方式；方管柱頂端平面外位移激振方式。

表6　幕墻結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算點(diǎn)位置及編號(hào)

圖2　幕墻結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算點(diǎn)示意

5.1方管柱頂端豎向力掃頻激振動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律分析

采用一個(gè)豎向集中荷載模擬方管柱頂端承受的行車振動(dòng)荷載，橫向風(fēng)荷載作用計(jì)算可以得到方管柱兩頂端減振裝置上所承受的水平力，行車振動(dòng)荷載對(duì)方管柱的作用效應(yīng)通過(guò)減振器中的摩擦元件進(jìn)行傳遞，根據(jù)摩擦公式按實(shí)際材料接觸情況取動(dòng)摩擦系數(shù)，得到豎向集中荷載為20 224 N。并且分為單邊和雙邊施加位移荷載情況，以模擬左右兩側(cè)軌道分別過(guò)車(單邊激振)和同時(shí)過(guò)車(雙邊激振)的工況。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，圖3、圖4分別給出了方管柱頂單邊激振情況時(shí)幕墻結(jié)構(gòu)的動(dòng)位移與激振頻率關(guān)系曲線，圖5、圖6分別給出了方管柱頂雙邊激振情況時(shí)幕墻結(jié)構(gòu)的動(dòng)位移與激振頻率關(guān)系曲線。

圖3　單邊激振方管柱位移與頻率曲線

圖4　單邊激振玻璃面板位移與頻率曲線

圖5　雙邊激振方管柱位移與頻率曲線

圖6　雙邊激振玻璃面板位移與頻率曲線

掃頻響應(yīng)曲線可以看出：由于荷載激振方式為豎向力激振，荷載作用為軸心受壓方式，因此整個(gè)結(jié)構(gòu)的平面外振動(dòng)位移很小，即幕墻結(jié)構(gòu)的變形主要為風(fēng)荷載作用下的平面外變形，豎向荷載引起的平面外變形相對(duì)來(lái)說(shuō)很小。

5.2方管柱頂端平面外位移掃頻激振動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律分析

為模擬減震裝置與方管柱頂端留有一定的間隙，從而使得上部行車振動(dòng)荷載在方管柱頂端產(chǎn)生橫向荷載作用，采用了一個(gè)平面外位移荷載方式模擬行車振動(dòng)荷載，此處給定的平面外位移幅值為0.1 mm，并且分為單邊和雙邊施加位移荷載狀況，以模擬左右兩側(cè)軌道分別過(guò)車和同時(shí)過(guò)車的工況。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，圖7～圖10分別給出了在單邊和雙邊激振情況時(shí)幕墻結(jié)構(gòu)方管柱頂?shù)膭?dòng)位移與激振頻率關(guān)系曲線，可以看出：在不同頻率激振荷載作用下，幕墻各結(jié)構(gòu)構(gòu)件不同程度地出現(xiàn)了共振點(diǎn)，基本上均在第一自振頻率6.5 Hz及第二自振頻率10.2 Hz附近，并且雙邊激振時(shí)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅值為單邊激振時(shí)結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅值的2倍。

圖7　單邊激振方管柱位移與頻率曲線

圖8　單邊激振玻璃面板位移與頻率曲線

圖9　雙邊激振方管柱位移與頻率曲線

圖10　雙邊激振玻璃面板位移與頻率曲線

從圖中還可以看出，幕墻結(jié)構(gòu)在柱頂平面外振動(dòng)位移作用下，動(dòng)力效應(yīng)將使幕墻中部位移達(dá)到很大的振動(dòng)位移量，這說(shuō)明若減震裝置與方管柱頂端留有的間隙量過(guò)大，在行車振動(dòng)荷載作用下，當(dāng)方管柱不能處于理想的軸心受壓情況時(shí)，將使幕墻整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的平面外振動(dòng)位移，從而影響結(jié)構(gòu)的正常使用。此外，比較雙邊激振方式和單邊激振方式，雙邊激振方式動(dòng)力效應(yīng)產(chǎn)生的位移增加幅度更大，這也說(shuō)明在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，雙邊列車通行時(shí)將比單邊列車通行時(shí)使幕墻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的平面外振動(dòng)位移要大。

6結(jié)論

(1)相對(duì)于該幕墻結(jié)構(gòu)的自振頻率，行車振動(dòng)荷載處于低頻振動(dòng)范圍，在幕墻結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析時(shí)應(yīng)該考慮玻璃附加質(zhì)量的影響；同時(shí)，行車振動(dòng)荷載不會(huì)引起該幕墻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振。

(2)行車荷載雙邊激振時(shí)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅值為單邊激振時(shí)結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅值的2倍，表明在實(shí)際行車中，相比單邊列車通過(guò)，雙邊列車通行時(shí)幕墻結(jié)構(gòu)的平面外振動(dòng)位移要大。

(3)行車荷載激振方式為豎向力激振時(shí)，荷載作用對(duì)方管柱頂端表現(xiàn)為軸心壓力，整個(gè)幕墻結(jié)構(gòu)的平面外振動(dòng)位移很小，豎向荷載引起的平面外變形相對(duì)很小。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙鵬飛，錢基宏.我國(guó)新時(shí)期大型鐵路站房結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與展望[J].建筑結(jié)構(gòu)，2011，41(11)：64-68.

[2]游又能.橋建合一式高架車站設(shè)計(jì)在莞惠城際軌道交通中的應(yīng)用研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012(8)：121-125.

[3]蔡玉軍.哈大客運(yùn)專線沈陽(yáng)站站房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013(3)：106-111.

[4]中國(guó)建筑科學(xué)研究院.JGJ 102—2003玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003．

[5]張芹.玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范理解與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004．

[6]史寶軍，尹曉江，張瑞軍，等.玻璃幕墻結(jié)構(gòu)力學(xué)性能試驗(yàn)分析與數(shù)值模擬[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，21(6)：474-479．

[7]徐鶴山.ANSYS建筑鋼結(jié)構(gòu)工程實(shí)例分析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[8]王呼佳，陳洪軍.ANSYS工程分析進(jìn)階實(shí)例[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006．

[9]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB 50009—2001(2006年版)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

[10]胡京濤，毛學(xué)峰.軌道交通“橋-建”合一高架車站動(dòng)力特性分析[J].鐵道建筑，2011(1)：15-17.

[11]任志宏，王元清，石永久.玻璃自重對(duì)點(diǎn)式玻璃建筑柔性支承動(dòng)力特性的影響[J].四川建筑科學(xué)研究，2005，21(1)：5-8．

[12]張其林.玻璃幕墻結(jié)構(gòu)[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2006．

Simulation Analysis of Dynamic Characteristics of Glass Curtain Wall of Bridge-building Integration StructureSUN Shao-jun

(China Railway SIYUAN Survey and Design Group Co., LTD., Wuhan 430063, China)

Abstract：The large curtain wall in high-speed railway station is a bridge-building integration structure. As the curtain wall and the track girder are closely connected, the passing of high-speed train through the station may cause structure resonance. Therefore, effect of the vibration generated by the passing train on the curtain wall structure shall be considered in the design of process. This paper employs the finite element simulation to analyze the vibration behavior of steel structure of the large curtain wall in high-speed railway station. The analyses results show that the train vibration load will not cause structural resonance of the curtain wall, the out-of-plane displacement of the curtain structure caused by bilateral vibration excitation is larger than that by unilateral vibration excitation. The out-of-plane displacement of the curtain structure caused by in-plane vertical vibration excitation is small.

Key words：Railway passenger Station; Bridge-building integration structure; Glass curtain wall; Dynamic characteristics, Simulation analysis

中圖分類號(hào)：TU248.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.032

文章編號(hào)：1004-2954(2015)05-0142-04

作者簡(jiǎn)介：孫少軍(1974—)，男，高級(jí)工程師，國(guó)家一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師，1997年畢業(yè)于長(zhǎng)沙鐵道學(xué)院土木建筑學(xué)院建筑工程專業(yè)，E-mail：sunsjwh@163.com。

收稿日期：2015-01-22