某美術(shù)館巨型裝飾幕墻鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

陳志華

（華南理工大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司 廣州510640）

關(guān)鍵字：鋼結(jié)構(gòu)幕墻；桁架結(jié)構(gòu)；指標判別；撓度控制；溫度應(yīng)力；支座剛度

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)框架作為世界上建筑物除混凝土結(jié)構(gòu)以外使用最多的結(jié)構(gòu)形式，在實際中被廣泛應(yīng)用各個方面，包括屋面系統(tǒng)、幕墻系統(tǒng)、室外構(gòu)筑物等等，由于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有質(zhì)量輕、強度高、經(jīng)濟性等特點，以及其結(jié)構(gòu)形式的多樣性，針對不同的使用要求、外觀效果可以有很高的靈活性，在建筑設(shè)計中，可以利用小型鋼結(jié)構(gòu)就可以做到獨特的建筑效果，故建筑師在設(shè)計工程中也常常結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)靈巧的結(jié)構(gòu)形式輔助建筑效果的體現(xiàn)。

本文結(jié)合工程的實際情況，針對建筑物對幕墻的效果要求，對幕墻鋼結(jié)構(gòu)方案的形式進行探討，通過對方案的分析與對比，可為相似的工程項目提供工程設(shè)計的參考實例。

1 基本信息

某美術(shù)館位于廣州市中心城區(qū)，由專業(yè)公司提供建筑方案，主結(jié)構(gòu)為鋼框架-筒體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)平面自下至上外擴后內(nèi)收，樓層平面四邊為圓弧邊界，主結(jié)構(gòu)平面如圖1所示，每條圓弧邊有3個鋸齒造型，幕墻結(jié)合建筑平面劃分為12片球面幕墻組成，立面如圖2所示。每片幕墻之間相互斷開而沒有在沿主體結(jié)構(gòu)形成一個完整圓環(huán)，據(jù)梁瑞娟等人［1］的研究可知更為有利。在樓層標高處與主體連接，一樣主邊梁采用鋼構(gòu)件，所以幕墻結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點之間不存在需做預(yù)埋件的問題；結(jié)合實際工程情況，考慮到幕墻外界面與主結(jié)構(gòu)邊界之間的距離大概只有1.2 m，所以桁架高度控制在800 mm 左右，樓層層高8 m，故除在樓面平面設(shè)置1 道水平桁架保證穩(wěn)定以外，還在樓層中間高度設(shè)置1 道腰桁架，用來解決豎向主桁架的側(cè)向穩(wěn)定問題；另外兩側(cè)需要懸挑，為保證豎向變形滿足要求，在與主結(jié)構(gòu)連接的主桁架設(shè)拉索，控制懸挑端的變形滿足要求。以上幕墻結(jié)構(gòu)方案在相似的工程實例［2］有所體現(xiàn)。

圖1 主體結(jié)構(gòu)平面示意圖Fig.1 The Main Structure Plane Sketch

圖2 幕墻結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Curtain Wall Structure Sketch

幕墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件絕大部分采用成品方鋼管，方便大批量采購以及保證構(gòu)件的質(zhì)量；考慮到幕墻構(gòu)件處于南方多雨室外環(huán)境，對幕墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行加強防腐防銹處理。

各材料屬性（見表1）按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準：JGJ 102—2017》［3］及相關(guān)產(chǎn)品說明書［4］、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范：GB 50010—2010》［5］取值。

表1 各材料屬性Tab.1 The Material Properties

2 荷載取值及內(nèi)力組合

按《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范：JGJ 102—2003》［6］、《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009—2012》［7］、《建筑抗震設(shè)計規(guī)范：GB 50011—2010》［8］考慮進行結(jié)構(gòu)的荷載組合和內(nèi)力計算。

2.1 恒載

幕墻外立面外掛光伏景觀板，主要包含光伏面板及連接件的荷載，幕墻內(nèi)側(cè)掛消音隔板，幕墻結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)主龍骨荷載按實際產(chǎn)品自重實際計算結(jié)果取值。

2.2 基本風(fēng)壓

對于復(fù)雜的幕墻結(jié)構(gòu)一般可由風(fēng)洞試驗得到，也可參考韓志惠等人［9］的研究所述的等效靜力風(fēng)荷載方法進行近似計算得到，本工程根據(jù)該美術(shù)館的風(fēng)洞試驗報告，每片幕墻內(nèi)外側(cè)龍骨根據(jù)風(fēng)動報告提供的正負風(fēng)壓，對相應(yīng)的位置輸入風(fēng)荷載進行計算。

2.3 地震作用

地震作用按項目所在地區(qū)考慮，地震烈度及設(shè)計地震加速度為7度0.10g，特征周期取0.35s，多遇地震影響最大系數(shù)最大值0.08；地震作用的荷載組合分項系數(shù)按文獻［8］取值。

2.4 溫度作用

由于單片幕墻面積達1 300 m2，面積較大，且鋼架與光伏板之間沒有做隔熱措施，故需要考慮溫度變化對幕墻鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響，溫度作用按±20°考慮。

3 計算模型基本信息、結(jié)果及分析

3.1 模型基本信息

幕墻鋼結(jié)構(gòu)計算分析軟件采用上海同磊土木工程技術(shù)有限公司的3D3S軟件，考慮幕墻結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)的整體適應(yīng)變形，在計算模型中必須考慮主體結(jié)構(gòu)剛度對幕墻結(jié)構(gòu)的影響，故幕墻結(jié)構(gòu)計算時與主體結(jié)構(gòu)一體進行，這與熊惠莉［10］考慮主體結(jié)構(gòu)剛度和李久鵬［11］考慮主體與幕墻相互影響的要求相一致；幕墻結(jié)構(gòu)桁架在樓層與主體結(jié)構(gòu)連接節(jié)點的連接件，也按照實際連接節(jié)點的做法，模型中設(shè)置與實際連接剛度一致的連接件進行計算模擬，保證連接節(jié)點位置內(nèi)力計算的準確性。

3.2 模型計算結(jié)果及分析（僅取北側(cè)單片計算結(jié)果）

結(jié)構(gòu)的豎向荷載主要荷載為構(gòu)件自重及幕墻系統(tǒng)自重，由于側(cè)邊有懸挑，故需要計算其豎向位移，位移控制選取較大結(jié)果進行控制，如圖3結(jié)果所示，豎向位移產(chǎn)生的撓度值為（39.5-29.4）/6 600=1/653，可知其在自重作用下產(chǎn)生的豎向撓度較小，主要是由于幕墻結(jié)構(gòu)框架面內(nèi)自身有一定的剛度以及拉鎖的斜拉。

圖3 恒載豎向位移（局部）示意圖Fig.3 Dead Load Vertical Displacement Sketch

計算模型部分振型計算結(jié)果如圖4 所示，靠前的陣型為平動振型，幕墻結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)陣型比較靠后，可知結(jié)構(gòu)體系比較合理。

圖4 地震作用振型Fig.4 The Vibration Mode

幕墻結(jié)構(gòu)計算的控制荷載為風(fēng)荷載，考慮結(jié)構(gòu)本身懸挑較長，針對風(fēng)荷載的不利計算需要更加細致，風(fēng)荷載對于構(gòu)件承載能力和正常使用狀態(tài)都有絕對的影響，故需要對風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、穩(wěn)定計算以及正常使用撓度進行控制，撓度變形局部如圖5?所示，水平位移產(chǎn)生的撓度值為（71.1-0.4）/（11 100×2）=1/318；構(gòu)件強度應(yīng)力大多數(shù)不高，實際主要是穩(wěn)定及構(gòu)件長細比控制，如圖5?～圖8所示。

圖5 風(fēng)荷載作用下水平位移及構(gòu)件強度應(yīng)力Fig.5 Horizontal Displacement under Wind Load and Component Strength Stress

圖6 繞2軸穩(wěn)定及繞3軸穩(wěn)定Fig.6 Stabilized around Two Axes and around Three Axes

圖7 繞2軸及繞3軸長細比Fig.7 Slenderness Ratio around Two Axes andaround Three Axes

圖8 升溫及降溫作用軸力Fig.8 Axial Force of Warming Effect and Cooling Effect

由于幕墻面為球形面，與主體結(jié)構(gòu)之間在樓板標高位置做鉸接連接，實際在收溫度作用時與結(jié)構(gòu)主體同時變形，但實際構(gòu)件所受到的溫度應(yīng)力比較復(fù)雜，并不純粹受拉或受壓，實際構(gòu)件軸力情況如圖8所示，并且可知在樓層交接處構(gòu)件溫度產(chǎn)生的軸力較大，實際設(shè)計中需要特別注意。

4 結(jié)語

⑴在幕墻結(jié)構(gòu)懸挑長度較大的情況下，對幕墻鋼架構(gòu)件起控制荷載影響的應(yīng)是風(fēng)荷載，撓度與構(gòu)件的穩(wěn)定性驗算作為起決定性指標，構(gòu)件的強度應(yīng)力一般不大。

⑵幕墻結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)之間不能設(shè)置豎向滑動時，溫度作用下需要考慮他們之間的一致性變形，即需要考慮他們同時受溫度作用的影響；否則，只考慮幕墻結(jié)構(gòu)的溫度作用的話，其產(chǎn)生的溫度應(yīng)力與實際不一致，與幕墻結(jié)構(gòu)支座的假定存在之間的關(guān)系，很可能帶來與實際內(nèi)力不符的結(jié)果。

⑶在幕墻尺寸有限和幕墻高度較高的情況下，做密肋桁架可以解決幕墻結(jié)構(gòu)受力計算問題，避免采用大尺寸構(gòu)件，造成經(jīng)濟性及功能使用的影響。