UHPC新材料在幕墻設(shè)計中的結(jié)構(gòu)應(yīng)用

葉玉卿

摘? ? 要：本文簡要介紹一種UHPC超高性能混凝土建筑外裝飾結(jié)構(gòu)，此種工程設(shè)計應(yīng)用的工程背景為三沙文體館幕墻項目實際情況，其表皮自承重受力，融建筑幕墻、泛光照明為一體，對大尺寸外裝飾結(jié)構(gòu)設(shè)計有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：UHPC超高性能混凝土;自承重受力; 大尺寸UHPC材料

1? 前言

建筑本身位于海南省三沙市永興島港口東側(cè)，客運碼頭大樓南側(cè)，文體館建筑占地面積約 2646.9m2。包括活動室、天光展廳、圖書室、球類館等。

當?shù)貙贌釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候，具有“三強”（日照強、臺風(fēng)強、降雨強）和 “三高”（高溫、高濕、高鹽）特點。所以對于材料的選擇非常重要，不僅需要有效抵抗外界有害物質(zhì)滲透和侵蝕，而且對材料受到干濕交替，溫度上升和下降時的尺寸穩(wěn)定性要求較高，并且自身強度要大，需要抵抗住遭受臺風(fēng)影響。需要考慮到建筑的外觀穿孔需求。綜上所述，我們進行了材料的比選，并最終選擇了UHPC超高性能混凝土板。

2? 方案比選

在方案設(shè)計初期，采用20mm厚UHPC板材，間隔800mm距離設(shè)置幕墻連接件，并且在板材連接處局部加厚，采用背附耐候鋼架，支座形式為入槽式連接，保證安裝便利性的同時使得鋼架與主體的連接更為可靠（如圖2）。

由于穿孔率比較大，采用這種方式無法讓讓背附鋼架避開前部的鏤空位置，在可視區(qū)能看見部分鋼架，顯得厚重且雜亂，缺少美感 。

作為在三沙地區(qū)的文體館，服務(wù)于永興島居民及常駐人員的體育，休閑娛樂中心? ，它不僅是建筑立面，更是祖國的大好河山的建筑化寓意，經(jīng)多方面考慮后采用新型的設(shè)計理念：UHPC材料自支撐結(jié)構(gòu)體系。

3? 材料方案優(yōu)點

本項目采用大鏤空率超大尺寸穿孔板，無法進行配筋，完全靠材料自身優(yōu)異的力學(xué)實現(xiàn)建筑設(shè)計意圖，UHPC的優(yōu)異抗彎性能保證了實現(xiàn)這種異形大鏤空率構(gòu)件的同時，構(gòu)件具有長期的耐久性。

本項目所處環(huán)境具有強烈的日曬和臺風(fēng)影響，干濕及溫度變化較大，對材料受到干濕交替，溫度上升和下降時的尺寸穩(wěn)定性要求較高，普通混凝土或者GRC由于吸水率大，彈性模量較小，導(dǎo)致隨環(huán)境溫濕度變化產(chǎn)生較大的體積變形，在約束條件下造成較大的開裂和變形風(fēng)險。UHPC吸水率極低，體積穩(wěn)定性好，在溫濕度變化較大的環(huán)境條件下出現(xiàn)開裂變形的風(fēng)險大大降低。

本項目位于南海三沙，常年處于較為強烈的鹽霧侵蝕環(huán)境中，混凝土受到氯離子的滲透作用較大，氯離子和空氣中的其他侵蝕介質(zhì)可以通過混凝土的毛細孔滲透到內(nèi)部，對鋼筋形成腐蝕作用。普通鋼筋混凝土無法常年抵御這種侵蝕，UHPC致密性高，耐久性為普通混凝土的數(shù)倍，可以有效抵抗外界有害物質(zhì)滲透和侵蝕。

本項目所處環(huán)境具有強烈的日曬和臺風(fēng)影響，干濕及溫度變化較大，對材料受到干濕交替，溫度上升和下降時的尺寸穩(wěn)定性要求較高，普通混凝土或者GRC由于吸水率大，彈性模量較小，導(dǎo)致隨環(huán)境溫濕度變化產(chǎn)生較大的體積變形，在約束條件下造成較大的開裂和變形風(fēng)險。UHPC吸水率極低，體積穩(wěn)定性好，在溫濕度變化較大的環(huán)境條件下出現(xiàn)開裂變形的風(fēng)險大大降低。

UHPC相對GRC而言，致密度高，吸水率大大降低，不易變形，材料性能幾乎不隨使用時間延長而降低，其體積的穩(wěn)定性保證了在環(huán)境中產(chǎn)生開裂和變形的風(fēng)險大為降低。這比GRC材料存在易老化，性能衰減有很大的優(yōu)勢。UHPC較高的致密度使得表面孔隙大大減少，外界的污染物不易滲透到構(gòu)件內(nèi)部，其抗污性能顯著提升。

4? UHPC 面板的穿孔選擇及連接計算

4.1? 基本參數(shù)

基本風(fēng)壓：1.8kPa，陣風(fēng)系數(shù)：1.57，風(fēng)壓高度變化系數(shù)：1.41，體形系數(shù)：1.6，風(fēng)荷載標準值：6.37kPa。

4.2? 計算說明

一般情況下，對幕墻起控制作用的是風(fēng)荷載。幕墻面板本身必須具有足夠的承載能力，避免在風(fēng)荷載作用下破碎。沿海地區(qū)經(jīng)常受臺風(fēng)的襲擊，設(shè)計中應(yīng)考慮有足夠的抗風(fēng)能力。鑒于設(shè)計風(fēng)荷載對玻璃幕墻設(shè)計的重要性，對UHPC幕墻進行風(fēng)洞試驗和風(fēng)力測試分析，更有利于保證幕墻的安全性。

本部分選取東西立面UHPC系統(tǒng)進行分析，采用130mm厚UHPC板，面板自承重，保證建筑效果。

分析校核的構(gòu)件包括掛件、UHPC面板荷載的強度（包括UHPC后面部分玻璃幕墻自重荷載、風(fēng)荷載、地震荷載）。采用有限元計算軟件sap2000 V15進行建模分析。

4.3? 荷載說明

（1）計算說明。

UHPC 面板幕墻面板承受水平風(fēng)壓，自身重力荷載。

（2）負風(fēng)荷載：荷載標準值：

Wk=7.96kPa

組合設(shè)計值：

qk=8.74kPa

水平地震荷載：荷載標準值：

qck=1.56kPa

4.4? 材料屬性及其截面參數(shù)

UHPC板具有超強力學(xué)性能，高韌性，抗疲勞性，超高耐久性及耐候性，耐高溫性能，及優(yōu)異的抗?jié)B性，絕緣性，和優(yōu)良澆筑及成型性能。超高性能混凝土通過選用優(yōu)質(zhì)水泥和其他高活性的微細材料，采用最緊密堆積和纖維增強技術(shù)配制而成。所有原材料均不含有對人體和環(huán)境有害的成分及物質(zhì)，為環(huán)境友好型的環(huán)保無機材料。

本項目中基本分格：

寬×高=2200mm×5150mm

4.5? 面板強度校核

東西立面的UHPC板通過軟件計算得出uhpc的最大應(yīng)力如圖3。

面板強度設(shè)計值：

σ= 13.8MPa

強度設(shè)計值：

fg=15MPa

面板強度設(shè)計值與允許值比值：

k1=σ/fg=0.92≤1

抗彎強度滿足規(guī)范要求。

采用有限元計算軟件ansys進行復(fù)核，不同穿孔面板的應(yīng)力，得出不同板塊的最大局部應(yīng)力分布在支座附近及孔邊緣位置，分別為：28.3MPa，35.5MPa，27.2MPa，33.0MPa.大面區(qū)域面板應(yīng)力均小于13MPa。UHPC材料可通過改變纖維種類及含量改變面板強度，孔邊及支座附近可通過局部增配鋼筋加強來提高強度。

4.6? 面板的位移

主體結(jié)構(gòu)最大層間位移比為1/998，因主體結(jié)構(gòu)位移導(dǎo)致面板平面內(nèi)水平位移為5150×3/998=15.5mm，面板轉(zhuǎn)接件之間預(yù)留空隙為6mm，面板變形能力計算值為23.39mm>15.5mm，故面板間隙可完全吸收此主體結(jié)構(gòu)變形引起的位移。

4.7? UHPC背部玻璃幕墻面板強度校核

UHPC后部玻璃幕墻立柱跨度不大，考慮到本地高風(fēng)壓的氣候特性，我們選用鋼龍骨作為幕墻支撐，龍骨外包鋁合金型材，保證建筑外觀效果的同時，提高龍骨的耐腐蝕性。立柱吊掛簡支梁，采用200×80×8mm鍍鋅矩形鋼管，Q355B鋼材，外包鋁合金型材。

立柱最大應(yīng)力為209.6MPa<305MPa，立柱最大撓度為18.9mm，撓跨比1/272<[1/250]。荷載規(guī)范中西沙島上年溫差為17[℃]，考慮島內(nèi)溫差變化大、急的特點，設(shè)計時我們按升降30度溫差考慮，立柱升溫變形量為2.35[×]4700[×]30/100000=3.33mm，考慮施工誤差等4mm，立柱總變形量為7.33mm<20mm（立柱預(yù)留變形量）

4.8? 掛件選擇與分析

為確保型材的固定件、連接件不外露，具有較高的工藝觀賞性，充分展現(xiàn)機械創(chuàng)造的美感。我們在掛件的連接方式上，初步構(gòu)思三種方案：

第一種，為減少預(yù)埋件的數(shù)量，采取集中連接，把四塊UHPC板通過連接件和螺栓固定在鋼型材上，鋼型材與幕墻預(yù)埋件焊接（見圖4）。

第二種，采取兩塊UHPC板集中連接，減小連接板的厚度與加勁肋，使整體性能提高，分別與對應(yīng)的兩個預(yù)埋件連接（見圖5）。

第三種，采取每塊UHPC板獨立連接的形式。每塊板設(shè)置4個單獨的預(yù)埋件。在層間梁的位置處，對于梁的高度和寬度都有所要求（見圖6）。

由于“三強”和“三高”的特點，并且風(fēng)壓大，經(jīng)多方論證分析，前兩種方案的連接形式剛度和強度余量較小，選擇第三種獨立的連接形式。

第三個方案單個面板四點支撐，采用140×140×10的方管與埋件焊接，并開長圓孔，采用M27的不銹鋼螺栓與轉(zhuǎn)接件進行可調(diào)節(jié)連接。

水平反力：

Fh=q[×]A1[×]B1/4=36.71.kN

豎向反力：

Fv=1.3Gk[×]（A1B1）/2=28.72kN

螺栓型號為M27，螺栓材質(zhì)為不銹鋼70，掛件材質(zhì)316不銹鋼，剪切面為2個，螺栓直徑：

de1=27mm

采用四點連接。螺栓所受剪力與抗拉承載力比值：

k9=Flsv/Nv=0.19≤1

螺栓抗剪承載力滿足規(guī)范要求。

5? 結(jié)束語

根據(jù)項目自身情況，結(jié)合建筑需求，根據(jù)材料特性做出結(jié)構(gòu)優(yōu)化，三沙文體館的UHPC板在保證安全的前提下，滿足了建筑設(shè)計的要求，體現(xiàn)了建筑設(shè)計的理念，并在連接方式的選擇上面，提供多種方案可供其他工程借鑒，本設(shè)已達到受力與工藝觀賞性上的完美呈現(xiàn)。

本次三沙文體館的UHPC板不僅在結(jié)構(gòu)形式上做出了創(chuàng)新，并實現(xiàn)了多土建專業(yè)的協(xié)同設(shè)計，節(jié)省了造價并節(jié)約了項目建造時間。同時，也是一次材料科學(xué)、建筑美學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、工程建造等多學(xué)科的一次有效探索。本次的UHPC材料在自支撐結(jié)構(gòu)體系中的應(yīng)用也為可持續(xù)優(yōu)化設(shè)計、多學(xué)科綜合提供一種新思考。

參考文獻：

[1] DGJ 08-56—012.建筑幕墻工程技術(shù)規(guī)范[S].

[2] GB 20429—2007.鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[3] GB/T 21086—2007.建筑幕墻[S].

[4] JGJ 133—2001.金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范[S].

[5] GB 50017—2003.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].