某塔樓玻璃幕墻結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)研究及有限元分析

種 迅， 李一松， 蔣 慶， 韋 軍， 馮玉龍， 陳偉偉

(1 合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院， 合肥 230009；2 安徽高速公路房地產(chǎn)有限責(zé)任公司， 合肥 230001)

0 引言

單層平面索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)是一種由單層平面預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)體系提供支持的結(jié)構(gòu)形式，通過引入預(yù)應(yīng)力優(yōu)化了索網(wǎng)的支撐體系[1]。該類幕墻具有輕盈、簡(jiǎn)潔和通透美觀等優(yōu)點(diǎn)[2]，受到了眾多業(yè)主和建筑師的青睞，在國(guó)內(nèi)外各類大型建筑中應(yīng)用日益廣泛。

相關(guān)學(xué)者指出單層平面索網(wǎng)玻璃幕墻面外變形性能需要重點(diǎn)關(guān)注。單層索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)屬于柔性張拉結(jié)構(gòu)，其拉索必須要保持有一定的拉應(yīng)力以維持其形態(tài)，以保證其正常工作[3]。當(dāng)受到平面外荷載作用時(shí)，索網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生很大的變形，根據(jù)相關(guān)規(guī)范[4]，其最大撓度可以達(dá)到跨度的1/50，且結(jié)構(gòu)剛度也會(huì)隨之大幅增加[5]，具有典型的幾何非線性大變形結(jié)構(gòu)的特征。設(shè)計(jì)中一般采用增大預(yù)應(yīng)力或拉索直徑等方式增大索網(wǎng)初始剛度，但必須妥善考慮這些措施的整體影響[6]。其中，預(yù)應(yīng)力達(dá)到一定程度后，繼續(xù)增加預(yù)應(yīng)力對(duì)索網(wǎng)整體剛度的影響不是很明顯[7]，且預(yù)應(yīng)力對(duì)于索網(wǎng)平面外極限承載力貢獻(xiàn)很小，而過大的預(yù)應(yīng)力則會(huì)增加主體結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)[4]；同樣地，索直徑與索網(wǎng)整體剛度的關(guān)系也是非線性的，只在拉索直徑較小時(shí)增大拉索直徑對(duì)減小索網(wǎng)平面外撓度作用明顯[8]。此外，作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的玻璃[9]對(duì)外框架等部分也有一定的影響[10]。由于這些原因，幕墻結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)線性結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能差別很大，尤其當(dāng)幕墻尺寸很大或處于超高層等特殊環(huán)境時(shí)，這些問題就顯得尤其復(fù)雜。

圖1 合肥高速·濱湖時(shí)代廣場(chǎng)C1#樓北立面

圖2 主體結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖3 原結(jié)構(gòu)索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)示意圖

目前國(guó)內(nèi)外已有一定數(shù)量的大面積單層平面索網(wǎng)幕墻的案例，但鮮有案例兼具超高層和高大空間兩大特征。北京東方文化藝術(shù)中心中央大廳的幕墻結(jié)構(gòu)，寬度為28.6m，高度為29.7m，底部位于標(biāo)高0m處[11]；北京新保利大廈二期，幕墻面高度約為90m，寬度約為60m，底部從地面開始，大致呈L形，由兩根斜主索和索網(wǎng)共同支撐[12]；保定長(zhǎng)城汽車新技術(shù)中心大樓，南立面的幕墻高度約為100m，寬度約為42m，底部在標(biāo)高0m處[13]；北京中國(guó)石油大廈的中庭索網(wǎng)幕墻，跨度約為40.5m，高度約為50m，底部標(biāo)高5.59m[14]；慕尼黑Kempinski旅館，內(nèi)庭院即采用了40m×25m單層索網(wǎng)支承體系點(diǎn)支式玻璃幕墻；位于美國(guó)紐約的Time Warner Center，在中央主入口處采用了一道7.62m高的單索玻璃幕墻[1]。合肥高速·濱湖時(shí)代廣場(chǎng)C1#塔樓的北立面采用了該類幕墻，在其高度為220m處設(shè)置了一27m×44m區(qū)塊，具有超高層、超大空間特征。圖1為其概念設(shè)計(jì)圖。

本文以合肥高速·濱湖時(shí)代廣場(chǎng)C1#塔樓這一應(yīng)用于超高層大跨度的單索幕墻為工程實(shí)例，進(jìn)行了縮尺模型的試驗(yàn)研究，研究了索網(wǎng)結(jié)構(gòu)在平面外荷載作用下的受力性能，并對(duì)比了有無玻璃兩種不同的工況，另外還與有限元數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行了比較。

1 項(xiàng)目概況

1.1 主體結(jié)構(gòu)

合肥高速·濱湖時(shí)代廣場(chǎng)項(xiàng)目位于安徽省合肥市濱湖新區(qū)方興大道與西藏路交叉口，功能為五星級(jí)酒店、辦公、商業(yè)。其中，C1#塔樓是體量最大的一棟建筑，是整個(gè)項(xiàng)目的核心，其建筑設(shè)計(jì)由法國(guó)著名設(shè)計(jì)師特里·梅洛主創(chuàng)。該建筑的主體結(jié)構(gòu)采用巨型鋼框架+圓鋼管混凝土柱+鋼框架梁(桁架)+鋼筋(鋼骨)混凝土核心筒的混合形式，建筑高度為238.5m，總建筑面積為119 256m2，其結(jié)構(gòu)平面布置如圖2所示。

1.2 北立面結(jié)構(gòu)體系

合肥高速·濱湖時(shí)代廣場(chǎng)C1#塔樓北立面主要采用獨(dú)特的板塊式預(yù)應(yīng)力單層索網(wǎng)玻璃幕墻系統(tǒng)，另外還包括百葉系統(tǒng)、框架式玻璃幕墻系統(tǒng)、框架式鋁板幕墻系統(tǒng)等。北立面幕墻共分為5個(gè)板塊，分別為01～05板塊。本文的研究主要針對(duì)面積最大且位置較高的04板塊進(jìn)行，如圖3所示。

拉索與主體結(jié)構(gòu)之間為鉸接連接，橫索與豎索之間通過不銹鋼夾具連接，夾具同時(shí)也作為玻璃固定的節(jié)點(diǎn)。此外，由于每個(gè)幕墻板塊的高度都很大，在高度方向上還另外布置了若干個(gè)抗風(fēng)桁架，以夾具與豎索相連，連接方式如圖4所示。

圖4 抗風(fēng)桁架與拉索連接示意圖

1.3 超高層超大空間單層索網(wǎng)玻璃幕墻

該板塊幕墻結(jié)構(gòu)的寬度為25.5m，高度為37.1m，索網(wǎng)部分底部標(biāo)高為167.1m，頂部標(biāo)高為201.3m，高度方向上共設(shè)置了兩道抗風(fēng)桁架，標(biāo)高分別為178.5m和189.9m。索網(wǎng)中橫索共17根，間距為1.9m，施加的預(yù)應(yīng)力為40kN；豎索共16根，間距為1.5m，施加的預(yù)應(yīng)力為270kN。玻璃為45mm厚的中空夾膠玻璃。

2 試驗(yàn)概況

2.1 模型設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用縮尺模型。綜合考慮原結(jié)構(gòu)尺寸及實(shí)際工程條件，并參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)案例，本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目s尺比例為1∶10。根據(jù)相似理論的要求，模型與原結(jié)構(gòu)相似，首先要滿足幾何相似，即模型中每根索的長(zhǎng)度、間距、直徑與原結(jié)構(gòu)具有相同的相似常數(shù)，等于模型比例，即1∶10。同時(shí)，由于模型中使用的拉索與原結(jié)構(gòu)材質(zhì)基本相同，故彈性模量E可近似視為相同，即彈性模量的相似比為1∶1。

人工施肥、播種，機(jī)械開溝覆土。優(yōu)點(diǎn)有適應(yīng)性強(qiáng)，操作方便，溝溝通暢。但也存在缺點(diǎn)，如播前田塊秸稈過多，須先用滅茬機(jī)滅茬，增加播種成本。

按照物理相似的要求，為了使材料在試驗(yàn)過程中可以表現(xiàn)出與原結(jié)構(gòu)相似的受力性能，需要使模型中材料所達(dá)到的應(yīng)力與原結(jié)構(gòu)相同，模型設(shè)計(jì)中各參數(shù)的相似比，以對(duì)應(yīng)狀態(tài)下拉索中應(yīng)力與原結(jié)構(gòu)相等為原則計(jì)算得到，如表1所示。

模型設(shè)計(jì)相似比計(jì)算結(jié)果 表1

模型外圍框架采用剛度遠(yuǎn)大于拉索的方鋼管，框架與拉索的連接采用鉸接方式，與原結(jié)構(gòu)相同，符合邊界條件相似要求。由于本試驗(yàn)為靜力試驗(yàn)，不考慮質(zhì)量、時(shí)間相似。

考慮到實(shí)際材料情況，制作時(shí)橫索、豎索分別采用φ2，φ4高強(qiáng)不銹鋼絞線，彈性模量為1.3×105MPa，抗拉強(qiáng)度分別為3，12.5kN，框架梁、柱采用Q235強(qiáng)度箱形梁(截面為□200×200×10×10)焊接組成，擋風(fēng)桁架采用方鋼管(截面為□80×5)代替，上方小桁架采用角鋼(截面為L(zhǎng)100×100×5)制作。制作完成后的模型如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

在原結(jié)構(gòu)中，所采用的玻璃規(guī)格為夾膠中空鋼化玻璃，等效厚度為14.73mm，鋼化玻璃彈性模量為7.2×104MPa。綜合考慮成本、安全等因素，本次試驗(yàn)采用透明亞克力板代替，彈性模量為3×103MPa。根據(jù)撓度變形相似比為1∶10的原則，亞克力板厚度近似取4mm。亞克力板在純索網(wǎng)模型試驗(yàn)完成后加裝，以螺桿、螺母及兩片不銹鋼夾片作為夾具固定在索網(wǎng)上(圖6)，從而形成一個(gè)小尺寸的夾片爪結(jié)構(gòu)，可以有效地模擬原結(jié)構(gòu)中玻璃與整體索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的連接狀態(tài)。由于邊緣網(wǎng)格不便安裝夾具，故沒有安裝亞克力板，原結(jié)構(gòu)中索網(wǎng)與玻璃采用夾片爪相連，爪件和玻璃之間不能傳遞拉力，發(fā)生平面外變形時(shí)，只有單片玻璃的抗彎效應(yīng)而無玻璃面整體的薄膜效應(yīng)。

圖6 夾具及亞克力板安裝示意圖

2.2 加載方案

2.2.1 預(yù)應(yīng)力加載

試驗(yàn)時(shí)，通過在拉索一端擰動(dòng)螺栓，并在另一端通過壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方式來實(shí)現(xiàn)索中預(yù)應(yīng)力的施加和調(diào)整，如圖7所示。由于框架剛度較大，預(yù)應(yīng)力采用全索一次性張拉到位后，再個(gè)別微調(diào)以消除相互影響的方式。各索的預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值按照表1確定。

圖7 索力張拉及監(jiān)測(cè)端示意圖

2.2.2 平面外荷載加載

圖8 均布荷載施加示意圖

2.3 量測(cè)內(nèi)容

試驗(yàn)的測(cè)點(diǎn)(D1～D9)布置如圖9所示。索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多，故取其中9個(gè)典型位置作為平面外位移測(cè)點(diǎn)。索力采用端部壓力傳感器測(cè)量，位移采用位移計(jì)測(cè)量。每一級(jí)加載、卸載完成后，靜置5min左右采集數(shù)據(jù)。

圖9 測(cè)點(diǎn)位置及編號(hào)示意圖

3 結(jié)果分析

3.1 純索網(wǎng)模型試驗(yàn)結(jié)果

在試驗(yàn)過程中，純索網(wǎng)模型各橫索索力增加量的范圍約在50～200N，為索極限承載力的11.6%～20%，豎索索力增加量的范圍約在200～600N，為索極限承載力的13.6%～19.6%，索力的增加量均較小。加載至極限荷載3.0kN/m2時(shí)，模型拉索未見破壞，索力未見降低。圖10和圖11為典型豎索(豎索7)和典型橫索(橫索9)的索力在加載和卸載過程中隨荷載變化的情況。由圖10和圖11可見，豎索7和橫索9索力卸載曲線與加載曲線相差較小，索力-荷載曲線基本呈現(xiàn)線彈性特征，表明拉索基本處在彈性階段。

表2左半部為純索網(wǎng)模型加載至2kPa及3kPa時(shí)各測(cè)點(diǎn)及抗風(fēng)桁架跨中豎向位移的數(shù)據(jù)。由表2可知，索網(wǎng)平面外豎向位移最大值出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)D5處，該測(cè)點(diǎn)的豎向位移隨荷載的變化曲線如圖12所示。由圖12可見，測(cè)點(diǎn)D5處平面外豎向位移的發(fā)展也基本表現(xiàn)為線性變化。加載至極限荷載3.0kN/m2時(shí)，純索網(wǎng)模型拉索位移未見明顯增加趨勢(shì)，卸載曲線與加載曲線相差較小，各測(cè)點(diǎn)的豎向位移-荷載曲線基本呈現(xiàn)線彈性特征，表明結(jié)構(gòu)基本處在彈性階段，殘余豎向位移較小。此外，豎索跨中處(測(cè)點(diǎn)D4～D6)的豎向位移與1/4跨(測(cè)點(diǎn)D1～D3)和3/4跨(測(cè)點(diǎn)D7～D9)處的撓度相比差別不大，可以看出，結(jié)構(gòu)中設(shè)置的兩處水平桁架有效地起到了減小豎索在平面外的計(jì)算長(zhǎng)度的作用，剛度貢獻(xiàn)較大，成功地減小了索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變形，保證了結(jié)構(gòu)總體的穩(wěn)定性。綜合來看，單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)受力性能較好。

3.2 索網(wǎng)+玻璃模型試驗(yàn)結(jié)果

索網(wǎng)+玻璃模型與純索網(wǎng)模型的試驗(yàn)結(jié)果接近，各橫索和豎索索力增加量也與純索網(wǎng)模型接近。索網(wǎng)+玻璃模型在設(shè)計(jì)荷載2.0kN/m2作用下最大豎向位移為17.06mm，最大撓跨比為1/63，小于規(guī)范限值1/50，滿足規(guī)范對(duì)單層拉索幕墻風(fēng)荷載作用下平面外變形要求。

圖10 典型豎索(豎索7)索力隨荷載變化情況

圖11 典型橫索(橫索9)索力隨荷載變化情況

圖12 兩種工況下D5測(cè)點(diǎn)的豎向位移-均布荷載曲線

由圖10～12和表2可知，同等荷載狀況下，索網(wǎng)+玻璃模型中各測(cè)點(diǎn)的撓度和各拉索的索力的增加值均略小于純索網(wǎng)模型，可見玻璃對(duì)于結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度均有一定程度的貢獻(xiàn)，不過影響程度不大，并沒有明顯改變結(jié)構(gòu)整體的受力特性。由于索拉力的增量為結(jié)構(gòu)位移增量的函數(shù)，索拉力的變化幅度要于小于位移的變化幅度，因此，玻璃是否參與工作對(duì)索內(nèi)力的影響程度較小，結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果都驗(yàn)證了這一點(diǎn)。所以，玻璃的協(xié)同工作主要體現(xiàn)在對(duì)于結(jié)構(gòu)撓度的影響上，玻璃的貢獻(xiàn)可以理解為玻璃對(duì)于結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn)。

各測(cè)點(diǎn)最大豎向位移/mm 表2

相比純索網(wǎng)模型，索網(wǎng)+玻璃模型的撓度和內(nèi)力在卸載時(shí)并不能完全恢復(fù)到加載時(shí)的狀態(tài)，可見索網(wǎng)+玻璃模型相比純索網(wǎng)模型有一定的非線性，可能是由于其中玻璃夾具零件等一些小部件在受力變形過程中進(jìn)入塑性階段，對(duì)整體結(jié)構(gòu)的性能產(chǎn)生了影響。另外，由于在結(jié)構(gòu)安裝的過程中一些構(gòu)件之間有一些縫隙，結(jié)構(gòu)整體變形時(shí)這些構(gòu)件在縫隙間的變形不會(huì)因卸載而恢復(fù)，也會(huì)使結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出一定的非線性性質(zhì)。

4 有限元模擬分析

4.1 有限元模型的建立

采用ANSYS軟件對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值模擬，考慮純索網(wǎng)模型。數(shù)值模型中，預(yù)應(yīng)力豎索和橫索采用Link10單元，預(yù)應(yīng)力采用初始應(yīng)變法施加；擋風(fēng)桁架和框架梁柱采用Beam188單元模擬，兩種單元彈性模量均為210GPa，泊松比為0.3；玻璃采用Shell63單元模擬，彈性模量為2.1GPa，泊松比為0.3。施加面外荷載3.0kN/m2。為了便于模型中荷載的施加及兩種模型的比較，將空格面積所分配的均布荷載等效為集中力施加在索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上。

4.2 有限元計(jì)算結(jié)果

施加預(yù)應(yīng)力后，純索網(wǎng)模型框架梁的變形約為0.5mm，基本可以忽略；可以近似認(rèn)為框架梁為剛性支座。施加面外荷載后，框架梁的變形仍約為0.5mm，可以近似認(rèn)為框架梁為剛性支座，同時(shí)也表明面外荷載基本不會(huì)影響框架梁變形。施加荷載3.0kN/m2后結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬結(jié)果見圖13。由圖13可見，施加荷載后索網(wǎng)最大豎向位移出現(xiàn)在擋風(fēng)桁架之間索網(wǎng)的跨中位置，其值約為28mm，與模型試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，表明了數(shù)值模型的正確性。施加荷載后索網(wǎng)軸向應(yīng)力和軸力未見明顯增加。

對(duì)于索網(wǎng)+玻璃模型，施加荷載3.0kN/m2后其計(jì)算結(jié)果如圖14所示?？梢钥闯?，施加豎向荷載后索網(wǎng)+玻璃模型分析結(jié)果與純索網(wǎng)模型類似，最大豎向位移均出現(xiàn)在擋風(fēng)桁架之間索網(wǎng)的跨中位置，其值約為25mm，與模型試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

5 結(jié)論

(1)純索網(wǎng)模型、索網(wǎng)+玻璃模型試驗(yàn)全過程均未出現(xiàn)破壞或失穩(wěn)，位移與索力的變化也在一定范圍內(nèi)，加載至設(shè)計(jì)荷載時(shí)最大撓跨比均在規(guī)范限值范圍內(nèi)，可見結(jié)構(gòu)是安全可靠的。

圖13 純索網(wǎng)模型數(shù)值模擬結(jié)果

圖14 索網(wǎng)+玻璃模型豎向位移模擬結(jié)果/m

(2)從兩組試驗(yàn)結(jié)果的比較可以看出，玻璃對(duì)于結(jié)構(gòu)的受力性能有一定程度的貢獻(xiàn)，且對(duì)索應(yīng)力的影響小于對(duì)位移的影響。

(3)數(shù)值模型的結(jié)果與試驗(yàn)吻合較好，說明了數(shù)值模型可以有效反映原結(jié)構(gòu)；且數(shù)值模擬分析表明：擋風(fēng)桁架的設(shè)置極大地優(yōu)化了結(jié)構(gòu)的受力性能，使得結(jié)構(gòu)變形較小，且分布均勻，使得本索網(wǎng)結(jié)構(gòu)具有較高的安全性。