徐雁
(上海杰思工程實(shí)業(yè)有限公司 上海 盧灣 200020)
上海國(guó)際航運(yùn)服務(wù)中心(東塊)B01樓中庭22m跨幕墻系統(tǒng)四性測(cè)試方法設(shè)計(jì)
徐雁
(上海杰思工程實(shí)業(yè)有限公司上海盧灣200020)
B01樓為辦公建筑,位于虹口北外灘的東部,為統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè)的上海國(guó)際航運(yùn)服務(wù)中心的一部分。地上總建筑面積64328m2。
需要做測(cè)試方案的B系統(tǒng)分區(qū)位于2~35層大堂立面,橫隱豎明框架式玻璃幕墻,幕墻區(qū)格橫梁兩端與立柱鉸接連接,立柱兩端與支撐鋼結(jié)構(gòu)桁架鉸接連接,幕墻及構(gòu)件自重通過(guò)每層立柱傳遞到鋼桁架,并通過(guò)桁架上的拉桿傳遞到頂層主結(jié)構(gòu)上。
此系統(tǒng)中,由于靠近桁架部位的幕墻面板采用了與鋼桁架直接相連的做法,幕墻面板,幕墻構(gòu)件及面板與結(jié)構(gòu)的連接會(huì)因鋼桁架變形的受到影響,幕墻四性測(cè)試將包括近22m的大跨度鋼桁架,導(dǎo)致無(wú)法作為可行的測(cè)試方法予以實(shí)行。
本文針對(duì)這種情況的幕墻四性測(cè)試方法進(jìn)行探究,設(shè)計(jì)出一種比較合理的測(cè)試方法,并對(duì)使用方法必要的條件及對(duì)可能產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。最后就這類方法與一般幕墻四性測(cè)試予以比較。并談?wù)劥朔N方法在實(shí)際工程中可行度及測(cè)試方法的發(fā)展的趨勢(shì)。
主結(jié)構(gòu)對(duì)幕墻結(jié)構(gòu)影響;支座位移;附加應(yīng)力;測(cè)試模擬;工程模型;荷載傳遞;間接測(cè)試
B系統(tǒng)分區(qū)位于2~35層大堂區(qū)域立面,最大標(biāo)高187.5m,為橫隱豎明框架式玻璃幕墻,最大玻璃面板分格為:2900mm(寬)×1500mm(高),面板為8+1.52PVB+6+16A+8中空夾膠玻璃,幕墻區(qū)格支撐立柱為口250×100×12矩形鋼管,橫梁為口200×100×12的矩形鋼管。橫梁兩端與立柱鉸接連接,立柱兩端與支撐鋼結(jié)構(gòu)桁架鉸接連接,幕墻及構(gòu)件自重通過(guò)每層立柱傳遞到鋼桁架,并通過(guò)桁架上的拉桿傳遞到頂層主結(jié)構(gòu)上。
幕墻外表面到建筑主結(jié)構(gòu)中共分為三個(gè)層次:第一個(gè)層次為幕墻面板(包含于幕墻連接的鋁合金副框),這個(gè)層次屬于維護(hù)結(jié)構(gòu)面板,第二個(gè)層次為與面板直接相連的支撐骨架,主要包括口200×100×12的矩形鋼管橫梁和口250×100×12立柱,這個(gè)層次屬于維護(hù)結(jié)構(gòu)支承構(gòu)件,第三個(gè)層次是用來(lái)支撐維護(hù)支承結(jié)構(gòu)的鋼桁架,這部分鋼架系統(tǒng)所屬的范疇比較含糊,因?yàn)樗纯蓪儆诰S護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐體系,也可以屬于主體結(jié)構(gòu)體系,這主要看這部分結(jié)構(gòu)是由誰(shuí)設(shè)計(jì),如果是主體結(jié)構(gòu)考慮設(shè)計(jì)的范圍,那么這部分屬主結(jié)構(gòu),如果這部分是由外圍護(hù)結(jié)構(gòu)公司負(fù)責(zé)的,那么這部分內(nèi)容就屬于維護(hù)支撐結(jié)構(gòu)范疇。
本系統(tǒng)鋼桁架由與設(shè)計(jì)院合作的鋼結(jié)構(gòu)公司設(shè)計(jì)和施工,故屬主體結(jié)構(gòu),由于外維護(hù)結(jié)構(gòu)不承受主體結(jié)構(gòu)傳遞的荷載,這樣幕墻的四性測(cè)試方案設(shè)計(jì)就非常簡(jiǎn)單,只需要做一個(gè)較小的包含了完整維護(hù)結(jié)構(gòu)面板和在桁架間的維護(hù)結(jié)構(gòu)橫梁和立柱的幕墻板塊系統(tǒng)。
不過(guò)由于在幕墻方案設(shè)計(jì)過(guò)程中,與桁架相連部分的幕墻面板并未做成與幕墻橫梁連接,再通過(guò)橫梁與桁架連接的方法,而是直接把面板連到鋼桁架上(見圖2),這樣就使得原本結(jié)構(gòu)體系清晰的系統(tǒng)變得復(fù)雜起來(lái),幕墻設(shè)計(jì)的基本原則是面板不能直接與主結(jié)構(gòu)相連的,直接相連意味著外維護(hù)體系將受到主結(jié)構(gòu)傳遞過(guò)來(lái)的荷載影響,這樣就必須把整個(gè)跨約22m的鋼桁架作為維護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐體系一體考慮,鋼桁架屬于四性測(cè)試的對(duì)象。
圖1 B系統(tǒng)分區(qū)平立剖面圖及選取計(jì)算結(jié)構(gòu)部位
圖2 幕墻面板與鋼構(gòu)桁架連接節(jié)點(diǎn)圖
對(duì)于橫向跨度達(dá)到約22m的鋼桁架,受測(cè)試場(chǎng)地限制無(wú)法提供這樣大的場(chǎng)地,且中庭幕墻立面系統(tǒng)本身面積不大,按上述思路最少要做3榀桁架之間9m高度的幕墻區(qū)域,測(cè)試面積近200m2,包括材料,設(shè)施等價(jià)格費(fèi)用更是不菲。
由此看來(lái),要制作22m跨1:1的測(cè)試模型是存在很大的困難的,如果按縮小比例建立測(cè)試模型是否可行呢?建立比例縮小模型,在大型建筑,橋梁工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中被廣為使用,但是作為幕墻四性測(cè)試,當(dāng)前很少能看到有這樣的完整測(cè)試方法。通過(guò)仔細(xì)分析,我們發(fā)現(xiàn)縮小比例模型對(duì)于幕墻測(cè)試主要存在以下問(wèn)題:①需要對(duì)構(gòu)件截面進(jìn)行縮小,縮小到什么程度,理論縮小后型材截面,無(wú)論是鋼型材,還是鋁型材,是否有對(duì)應(yīng)的截面型材,對(duì)于鋁型材可能需要額外開模。②縮小后的截面型材構(gòu)件之間的連接與原模型有著很大的差異,連接是否也要,縮小后連接能否反映原來(lái)的連接形式都很難證實(shí)。④縮小后的模型玻璃面板大小也縮小了,所以其面板的厚度也要適當(dāng)縮小,這樣就存在玻璃面板厚度如何縮小,縮小后面板的測(cè)試還能是實(shí)際情況的真實(shí)反映?⑤縮小比例后,施加的荷載也需要按模型比例適當(dāng)放大,由于水平方向風(fēng)荷載與豎直方向荷載對(duì)結(jié)構(gòu)影響是不一致的,這會(huì)導(dǎo)致兩者荷載增加比例不一致,特別是重力方向,需要增加額外自重荷載,這將對(duì)整個(gè)模型體系的繼承性帶來(lái)很大的問(wèn)題。⑤由于跨度縮小,桿件變形也將以4次方比例縮小,模型結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形很小,對(duì)測(cè)試精度要求大為提高,稍微不精準(zhǔn)將會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生很大的偏差。
綜上分析,縮小比例模型是一種適合對(duì)單一結(jié)構(gòu)構(gòu)件測(cè)試的方法,而幕墻四性測(cè)試需要對(duì)面板,構(gòu)件,面板與構(gòu)件連接,構(gòu)件與構(gòu)件連接等這些承載力,以及玻璃面板,構(gòu)件變形撓度這一系列做整體測(cè)試,還要對(duì)幕墻的水密性,平面位移性能進(jìn)行測(cè)試,所以一個(gè)縮小比例的模型無(wú)法完整的完成所有項(xiàng)次測(cè)試,需要對(duì)不同項(xiàng)次做針對(duì)性的獨(dú)立設(shè)計(jì)測(cè)試項(xiàng)次。這樣就背離了簡(jiǎn)化測(cè)試設(shè)計(jì)的初衷,所以就目前而言,縮小模型比例做為幕墻四性測(cè)試完整解決方法并不成熟,我們需要的是一種能夠在一個(gè)模型中完成所有項(xiàng)次的測(cè)試方法。
現(xiàn)在回過(guò)頭來(lái),由于是靠近桁架部位的面板板塊底部直接連到鋼桁架上,造成了幕墻結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)沒(méi)有適當(dāng)?shù)奈灰漆尫?,從而造成主體結(jié)構(gòu)的位移對(duì)維護(hù)結(jié)構(gòu)面板,桿件及連接產(chǎn)生局部影響,好在鋼桁架結(jié)構(gòu)與建筑主結(jié)構(gòu)之間是有位移釋放的(通過(guò)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中適當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施設(shè)置予以實(shí)現(xiàn)),換言之,鋼桁架只承受維護(hù)結(jié)構(gòu)和桁架結(jié)構(gòu)本身的荷載,并不承受真正主體結(jié)構(gòu)的影響,所以對(duì)鋼桁架在外荷載作用下分析計(jì)算,把鋼桁架在與維護(hù)結(jié)構(gòu)直接相連的部位影響分析清楚后,只要把其影響作為維護(hù)結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)予以考慮,對(duì)于維護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)試,就無(wú)需再建近22m跨的桁架模型,只需建兩個(gè)樓層高度,在鋼桁架中受到影響最大的分格區(qū)域圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為測(cè)試模型,并施加一系列附加效應(yīng)作用的測(cè)試,從而模擬出鋼桁架對(duì)維護(hù)結(jié)構(gòu)的影響,從而完成整個(gè)測(cè)試過(guò)程。
通過(guò)上述設(shè)計(jì)思路,我們?cè)O(shè)計(jì)的B系統(tǒng)測(cè)試是針對(duì)面板,維護(hù)支撐結(jié)構(gòu),連接件承載力及性能做的測(cè)試方法,并考慮因部分玻璃面板通過(guò)壓塊直接到鋼桁架上,導(dǎo)致鋼桁架由風(fēng)荷載產(chǎn)生的變形反過(guò)來(lái)玻璃面板產(chǎn)生的不利影響。此方法并不包含對(duì)視作主結(jié)構(gòu)一部分的鋼桁架及拉桿系統(tǒng)的測(cè)試。
設(shè)計(jì)方案取4.5m跨,分格寬度為2.9m×2(共兩個(gè)玻璃面板板塊),作為測(cè)試的模型,立柱頂?shù)赘饔靡桓匦武摴苓B接到兩邊試驗(yàn)結(jié)構(gòu)上,用來(lái)模擬鋼結(jié)構(gòu)桁架,因?yàn)闇y(cè)試模型只是屬于兩榀鋼桁架中局部區(qū)域的維護(hù)結(jié)構(gòu),試驗(yàn)時(shí)單單施加風(fēng)荷載不能讓模擬桁架的鋼橫梁產(chǎn)生足夠的變形量,達(dá)到實(shí)際工程中鋼桁架對(duì)玻璃面板影響的效果,故除了施加風(fēng)荷載外,需要另外在底部鋼梁一端施加一個(gè)支座位移,模擬鋼桁架實(shí)際的變形撓曲線,使得鋼梁變形對(duì)直接相連面板產(chǎn)生等值或更大的效應(yīng),從而達(dá)到模型測(cè)試目的。
首先對(duì)實(shí)際工程中,對(duì)維護(hù)結(jié)構(gòu)及鋼桁架整體建模計(jì)算,對(duì)鋼桁架在水平方向荷載作用下變形形態(tài)進(jìn)行分析,大跨度橫向鋼梁桁架由鋼管口280×150×12與中間支撐桿件鋼管口150× 150×10焊接而成,跨度為21.5m,連接鋼梁桁架之間由豎向拉桿連接(拉桿φ40),幕墻結(jié)構(gòu)荷載通過(guò)鋼梁桁架之間幕墻鋼立柱(鋼管口25×100×12)連接,幕墻鋼立柱間為幕墻鋼橫梁(鋼管口200×100×12),鋼梁之間均為鉸接,鋼結(jié)構(gòu)桁架桁架兩端支座為鉸接。選取中間三跨鋼桁架部位區(qū)域作為幕墻支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算(區(qū)域見圖1)。計(jì)算模型見圖3。
使用有限元分析軟件Autodesk Robot Structural Analysis Professional 2014對(duì)中間跨鋼桁架在強(qiáng)度校核組合荷載設(shè)計(jì)值下的變形見圖4。
圖3 包含桁架結(jié)構(gòu)的工程計(jì)算模型及邊界條件
圖4 包含桁架結(jié)構(gòu)的工程計(jì)算模型中間跨變形
其中撓度變化最大的區(qū)域見圖5。
圖5 包含桁架結(jié)構(gòu)的工程計(jì)算模型中間跨變形(變化最大局部區(qū)域)
所以測(cè)試方法中,在測(cè)試強(qiáng)度的時(shí)候(最大荷載設(shè)計(jì)值下),對(duì)底部模擬鋼桁架的鋼管一段施加一個(gè)大小大于等于25.5mm的位移,與風(fēng)荷載方向一致的位移,從而間接模擬主鋼桁架結(jié)構(gòu)的變形對(duì)幕墻體系的影響效果。
設(shè)計(jì)的測(cè)試方法大樣圖見圖6。
圖6 四性測(cè)試大樣圖
設(shè)計(jì)的測(cè)試方案計(jì)算模型見圖7。
圖7 四性測(cè)試計(jì)算模型及邊界條件
注意,此方法中并不包含桁架部分的測(cè)試,測(cè)試中的頂?shù)卒摿褐皇怯脕?lái)模擬桁架局部變形的一個(gè)替代構(gòu)件。模擬與鋼桁架接近的撓曲線變形,替代鋼梁的一端與測(cè)試站結(jié)構(gòu)連接為固接,另外一端為鉸接,測(cè)試方法絕大部分與普通測(cè)試方式一樣,只是在最后需要增加一個(gè)步驟,即在幕墻承載力測(cè)試最大設(shè)計(jì)荷載作用下,替代鋼梁需施加一個(gè)與風(fēng)荷載方向一致的26mm的支座位移,從而模擬桁架結(jié)構(gòu)變形對(duì)幕墻結(jié)構(gòu)的影響,通過(guò)計(jì)算分析得到,在選用口220×100×8方管為替代鋼梁的情況下,在最大組合荷載和支座位移下,該區(qū)域的變形與實(shí)際模型的變形比較接近,可以作為驗(yàn)證實(shí)際模型影響效應(yīng)的替代方法。測(cè)試模型的變形見圖8~9。
圖8 測(cè)試模型桿件在最大組合荷載設(shè)計(jì)值下的變形
圖9 變化最大局部區(qū)域變形圖
與實(shí)際模型該區(qū)域圖6相比較,變形曲線及大小差不多,受力條件相對(duì)實(shí)際模型基本一致,可以視為實(shí)際模型的替代試驗(yàn)?zāi)P汀?/p>
使用上述模型計(jì)算,桿件的最大應(yīng)力見圖10。
圖10 測(cè)試模型桿件在最大組合荷載設(shè)計(jì)值下的應(yīng)力
從圖10可以看出,桿件最大應(yīng)力為150MPa,按此方案測(cè)試各桿件能夠滿足強(qiáng)度要求,方案本身結(jié)構(gòu)安全性沒(méi)有問(wèn)題。
圖11 測(cè)試模型桿件在最大組合荷載設(shè)計(jì)值下的支座反力圖
由圖11看出,支座部位需要施加18.66kN的作用力,才能讓支座處產(chǎn)生26mm的支座位移,固接處的最大支座反力為:Ry= 36.68kN,Mz=52.24kN·m
頂?shù)滋娲摿号c測(cè)試站結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)需要滿足計(jì)算模型的要求,即一端固結(jié),一端鉸接,鉸接部位應(yīng)能承受26mm的附加位移,設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)見圖12。
圖12 鉸接點(diǎn)部位連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)詳圖
圖13 固接點(diǎn)部位連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)詳圖
固結(jié)部位所有連接要能承受上述剪力和彎矩作用,設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)見圖13。
其他性能測(cè)試步驟與一般幕墻基本一致,這里就不再闡述。
使用有限元分析軟件Autodesk Algor Simulation Professional 2011分析鋼梁變形對(duì)玻璃面板產(chǎn)生的附加應(yīng)力。
計(jì)算模型中,首先設(shè)置玻璃面板與鋼梁為粘合狀態(tài)(面板與桿件連接部位不釋放任何方向位移和彎矩),以此用來(lái)放大鋼桁架變形對(duì)玻璃面板產(chǎn)生的附加應(yīng)力(尤其是接觸邊緣),其次,模擬實(shí)際工程中對(duì)玻璃面板影響最大區(qū)域鋼桁架結(jié)構(gòu)變形,玻璃面板使用鋼梁一體的有限元計(jì)算模型頂?shù)椎臋M向主鋼梁采用懸臂梁模式,并在懸臂端施加一集中力,使頂?shù)讬M梁在懸臂端的變形達(dá)到規(guī)定要求的26mm左右。
計(jì)算模型見圖14。
鋼梁框架圖,其中三角形部分為固結(jié)點(diǎn),圓形的為桿件間鉸接釋放點(diǎn)。頂?shù)卒摍M梁施加的作用力,使得在懸臂端產(chǎn)生26mm的位移量。
鋼梁和面板一體示意計(jì)算模型,其中玻璃面板按等效合度10.206mm輸入。
圖14 面板單元與桿單元耦合在支座位移荷載作用下計(jì)算模型示意圖
圖15 支座部位施加產(chǎn)生26.04mm位移的荷載后桿件和面板的變形圖
面板由于桿件變形產(chǎn)生的應(yīng)力云圖如圖16。
圖16 支座部位施加產(chǎn)生26.04mm位移的荷載后桿件和面板的Von-mises應(yīng)力圖
從圖16看出,由桿件變形使得玻璃面板的最大附加應(yīng)力最大約為9.62MPa。
玻璃面板在水平方向組合設(shè)計(jì)值3.94193kPa作用下的計(jì)算模型:
計(jì)算模型同上,改懸臂端為鉸接,改節(jié)點(diǎn)荷載為玻璃面荷載(圖略)。
變形圖如圖17。
玻璃面板應(yīng)力圖如圖18。
圖17 面板單元與桿單元耦合在水平荷載作用下桿件和面板的變形圖
圖18 面板單元與桿單元耦合在水平荷載作用下桿件和面板的Von-mises應(yīng)力圖
由于面板與結(jié)構(gòu)構(gòu)件沒(méi)有釋放,玻璃在面板邊緣出現(xiàn)最大應(yīng)力,最大應(yīng)力約為34.5MPa,基本與公式計(jì)算約為33.78MPa接近。
當(dāng)在上述荷載作用下,再加上支座位移26mm產(chǎn)生的附加應(yīng)力9.62MPa,偏保守簡(jiǎn)單疊加計(jì)算后,玻璃面板的最大應(yīng)力為:34.5+9.62=44.12MPa<56MPa(半鋼化玻璃),玻璃的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求,玻璃面板的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求,測(cè)試設(shè)計(jì)方案玻璃承載力沒(méi)有問(wèn)題。
此測(cè)試方法最初打算按近22m跨1:1模型設(shè)計(jì),后曾考慮按微縮比例模型進(jìn)行設(shè)計(jì),但考慮到比例模型設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和需設(shè)計(jì)多個(gè)測(cè)試內(nèi)容才能完成要求,故放棄這樣的設(shè)計(jì)理念,但是作為一種測(cè)試手段,微縮模型測(cè)試也是今后幕墻的單項(xiàng)測(cè)試發(fā)展方向,尤其是結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬技術(shù),可以非常有效的對(duì)大尺寸維護(hù)結(jié)構(gòu)承載力模擬并用試驗(yàn)的方式進(jìn)行校核。
本測(cè)試方法設(shè)計(jì)尚有不少細(xì)節(jié)內(nèi)容值得深入研究,如鋼桁架變形對(duì)結(jié)構(gòu)膠的影響,玻璃副框與鋼桁架的連接在主結(jié)構(gòu)位移作用下能夠消化多大比例的影響,完善這些內(nèi)容研究將有助于這種設(shè)計(jì)思路在廣大幕墻工程中的推廣,如單索幕墻,索結(jié)構(gòu)變形的不一致對(duì)玻璃面板及連接會(huì)產(chǎn)生什么影響,采用何種技術(shù)措施來(lái)避免這種不利的影響,都應(yīng)可以通過(guò)測(cè)試手段來(lái)予以檢驗(yàn)。
從這個(gè)幕墻測(cè)試方法設(shè)計(jì)及制定的過(guò)程中,我們可以發(fā)現(xiàn),幕墻的四性測(cè)試已經(jīng)不完全是傳統(tǒng)測(cè)試與實(shí)際工程完全一致的模型測(cè)試,部分項(xiàng)次采用了間接測(cè)試的手段用以模擬了因條件限制而不可能達(dá)到的邊界條件,測(cè)試是一種用來(lái)校核工程安全性,可靠性的手段,在任何形式維護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)都是在不斷優(yōu)化的過(guò)程中得以完善的情況下,測(cè)試方法,手段乃至測(cè)試精度的提高都是今后發(fā)展的方向,雖然我們這個(gè)模擬不是非常復(fù)雜,本文在測(cè)試方法制定思路并不復(fù)雜,但是作為有類似狀況的維護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的測(cè)試提供了一個(gè)新的思路,如何在更廣泛的場(chǎng)合下運(yùn)用,這些都是我們今后研究的方向。
表1 一般維護(hù)直接抗風(fēng)壓性能測(cè)試與間接抗風(fēng)壓測(cè)試比較
[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑幕墻》(GB/T21086-2007).北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008,2.
[2]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》(JGJ-2003).北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2003,12.
[3]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2012).北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2012,9.
[4]上海市工程建設(shè)規(guī)范.《建筑幕墻工程技術(shù)規(guī)范》(DGJ108-56-2012).上海市建筑建材市場(chǎng)管理總站,2011,8.
[5]建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊(cè)(第二版).北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1998,9.
[6]建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn).上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1996,1.
TU767+.5
A
1673-0038(2015)19-0134-05
2015-4-12
徐雁(1972-),男,工程師,本科,主要從事幕墻工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。