關(guān)于鏤空雙層幕墻對高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)響應(yīng)的影響分析

高 博 重慶市設(shè)計院有限公司

1 前言

鏤空幕墻具有良好的外觀，應(yīng)用范圍較為廣泛，尤其是高層建筑，可以增加建筑的美觀性，使建筑符合現(xiàn)代化設(shè)計的要求。風(fēng)響應(yīng)是影響幕墻安全性的重要因素，需要做好幕墻風(fēng)響應(yīng)分析工作，使幕墻具有較強(qiáng)的抗風(fēng)特性，降低風(fēng)力對幕墻的影響，使幕墻的結(jié)構(gòu)更加地穩(wěn)定。幕墻風(fēng)響應(yīng)需要以試驗的方式進(jìn)行分析，使分析過程更加地具有根據(jù)性，使幕墻風(fēng)響應(yīng)影響得到有效驗證。

2 鏤空雙層幕墻概述

鏤空雙層幕墻具有保溫、美觀等特點，在高層建筑中被廣泛應(yīng)用，可以對建筑墻體結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善。幕墻鏤空層對氣流具有引導(dǎo)作用，可以將風(fēng)力進(jìn)行分散，使幕墻結(jié)構(gòu)受力能夠被分散，可以防止幕墻受力過于集中，導(dǎo)致幕墻結(jié)構(gòu)風(fēng)響應(yīng)較大，影響幕墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

通常情況下，橫向風(fēng)對幕墻的影響較大，需要通過試驗的方式確定影響范圍，使風(fēng)力對幕墻的影響能夠得到控制，保障幕墻能夠安全地投入使用。通過鏤空雙層幕墻，可以有效實現(xiàn)風(fēng)荷載的降低，使幕墻可以更好地適應(yīng)風(fēng)力環(huán)境，使其具有更高的抗風(fēng)能力，防止幕墻承受風(fēng)荷載多高而出現(xiàn)損耗。為了保證幕墻的安全性，需要對幕墻進(jìn)行風(fēng)響應(yīng)試驗，對幕墻的氣動力、風(fēng)載荷等進(jìn)行分析，以此來對幕墻風(fēng)響應(yīng)特性進(jìn)行判斷，使幕墻能夠在風(fēng)力環(huán)境下穩(wěn)定工作，使風(fēng)響應(yīng)影響能夠得到有效的控制，消除幕墻使用中存在的安全隱患。

3 鏤空雙層幕墻風(fēng)振控制分析

3.1 控制方案

為了降低風(fēng)響應(yīng)對幕墻的影響，需要對幕墻的風(fēng)振控制進(jìn)行分析，使幕墻在高層建筑中更加地穩(wěn)定，保障幕墻控制方案更加地具有作用。通常情況下，高層鏤空雙層幕墻需要采用能耗方案進(jìn)行控制，使其具有良好的受力特征，對幕墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性提供重要保證。例如：可以采用內(nèi)置式粘彈性阻尼器進(jìn)行風(fēng)振控制（如圖1），使幕墻具有良好的結(jié)構(gòu)剛度，對風(fēng)響應(yīng)形成有效地控制，讓幕墻能夠?qū)︼L(fēng)力進(jìn)行削弱，進(jìn)而降低風(fēng)力對幕墻結(jié)構(gòu)的影響。

阻尼器一般安裝在幕墻結(jié)構(gòu)內(nèi)，對其內(nèi)表面形成作用，隨著風(fēng)力的增加，阻尼力會隨之增大，對幕墻的位移進(jìn)行有效的限制，保障幕墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。受到外界環(huán)境的影響，阻尼器容易發(fā)生老化現(xiàn)象，需要對其采取防老化措施，降低高溫、雨水等對阻尼器的影響，保障阻尼器能夠穩(wěn)定工作。因此，制定有效的幕墻控制方案較為重要，可以使幕墻結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，增強(qiáng)幕墻對風(fēng)響應(yīng)的抗性[1]。

圖1粘彈式阻尼器

3.2 基本原理

風(fēng)振控制可以降低風(fēng)響應(yīng)對幕墻的影響，使幕墻具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)特征，能夠更好地發(fā)揮抗風(fēng)效果。粘彈性阻尼器是提高幕墻抗風(fēng)能力的關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)，可以對幕墻起到良好的支撐作用，提高幕墻自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。幕墻風(fēng)振控制原理如下：在阻尼器的作用下，幕墻將會產(chǎn)生脈動分力，使其形成風(fēng)振加速度響應(yīng)，對風(fēng)力起到一定的阻礙作用，使風(fēng)響應(yīng)影響得到控制。在脈動風(fēng)力與阻尼器的作用下，幕墻的風(fēng)振控制效果將會增強(qiáng)，能夠?qū)︼L(fēng)力形成較強(qiáng)的阻礙作用，進(jìn)而充分發(fā)揮風(fēng)振控制的優(yōu)勢。風(fēng)振控制效果可由風(fēng)振系數(shù)進(jìn)行衡量，風(fēng)振系數(shù)=風(fēng)壓/靜壓，符合風(fēng)荷載計算的標(biāo)準(zhǔn)。通過風(fēng)振系數(shù)可以有效地對風(fēng)響應(yīng)進(jìn)行分析，使幕墻的強(qiáng)度符合要求，保障幕墻具有較強(qiáng)的荷載特性，使其結(jié)構(gòu)更加地穩(wěn)定。在風(fēng)響應(yīng)作用下，幕墻將會產(chǎn)生一定量的位移，一旦位移量過大或不能及時恢復(fù)，將會對幕墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成影響，因而對其進(jìn)行風(fēng)振控制非常重要。

4 鏤空雙層幕墻風(fēng)洞試驗

4.1 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

鏤空幕墻風(fēng)響應(yīng)需要通過風(fēng)洞試驗進(jìn)行分析，這樣可以保障分析結(jié)果更加地精確，實現(xiàn)良好的分析效果。風(fēng)洞試驗需要以高層建筑幕墻模型作為依據(jù)，為此，需要對幕墻模型進(jìn)行構(gòu)建，通過模型來模擬幕墻實際受力狀況，使風(fēng)影響能夠得到有效的分析，保障分析結(jié)果的有效性。以某建筑幕墻為例，建筑物高為86m，屬于辦公樓項目，采用鏤空雙層幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計。為了對幕墻進(jìn)行模擬，需要以工程作為依據(jù)，構(gòu)建比例為1∶300的模型，通過該模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗，以此來對風(fēng)響應(yīng)效果進(jìn)行評估，保障幕墻具有良好的風(fēng)響應(yīng)特性。系統(tǒng)內(nèi)外墻間距為5m，墻體結(jié)構(gòu)較為封閉，外墻處于鏤空狀態(tài)，對幕墻結(jié)構(gòu)具有較大的影響。對幕墻進(jìn)行測試，鏤空率約為41.64%，幕墻受到的風(fēng)響應(yīng)影響較大。為了降低幕墻的鏤空率，需要對鏤空進(jìn)行封堵，使幕墻具有良好的抗風(fēng)效果，進(jìn)而保障幕墻結(jié)構(gòu)的合理性，使幕墻能夠更好地應(yīng)對風(fēng)力環(huán)境。

4.2 流場設(shè)置

為了更好地模擬實際風(fēng)力情況，需要做好模型的流場設(shè)置工作，合理地對流場參數(shù)進(jìn)行配置，提高風(fēng)洞試驗的有效性。流場設(shè)置流程如下：需要對風(fēng)洞環(huán)境進(jìn)行構(gòu)造，提高試驗環(huán)境與實際風(fēng)力情況的匹配度，使風(fēng)洞試驗效果更加地真實。本試驗將風(fēng)速控制在8m/s～10m/s之間，對風(fēng)力條件進(jìn)行模擬，使風(fēng)速能夠?qū)嶋H情況最大化匹配，使風(fēng)響應(yīng)對幕墻影響得到有效分析。在自然因素影響下，風(fēng)向存在著多變性，需要在不同風(fēng)向條件下對建筑幕墻模型進(jìn)行試驗，從0°～90°之間選擇10個風(fēng)向角進(jìn)行測試，對風(fēng)向變化進(jìn)行全面的模擬，使風(fēng)洞試驗結(jié)果更加地可靠。為了保證分析過程便于描述，需要對風(fēng)洞試驗坐標(biāo)進(jìn)行建立，由于風(fēng)洞試驗對象為建筑幕墻，可以將建筑底部中心作為坐標(biāo)原地，建立x軸、y軸、z軸三個方向的坐標(biāo)系，這樣便可以使風(fēng)洞試驗描述、計算等更加地方便，提高幕墻模型分析的效率[2]。

5 鏤空雙層幕墻風(fēng)響應(yīng)分析

5.1 鏤空雙層幕墻氣動力影響

為了對幕墻氣動力影響進(jìn)行分析，需要對剪力系數(shù)進(jìn)行求解，計算公式如下：

由于風(fēng)向具有不確定性，需要對不同方向建立系數(shù)進(jìn)行計算，方向角范圍在0°～90°之間，為了保障求解的準(zhǔn)確性，需要將不同方向角下的剪力系數(shù)求解5次，再對平均值進(jìn)行計算，進(jìn)而確定剪力系數(shù)的值，保障建立系數(shù)求解的精度。以CFx求解為例，當(dāng)風(fēng)向角為20°時，可得到5次求解結(jié)果（如表1），可以將1.27作為CFx的最終結(jié)果。當(dāng)方向角為其他值時，求解同理。每10°進(jìn)行一次求解，可得到對應(yīng)的CFx的值如表2所示。以風(fēng)向角為x軸，CFx為y軸，可以繪制兩者的關(guān)系曲線（如圖2）。對其進(jìn)行探究，可得到如下結(jié)論：第一，當(dāng)風(fēng)向角為0°時，CFx最大；當(dāng)風(fēng)向角為80°時，CFx最??；當(dāng)風(fēng)向角為90°時，CFx為0。第二，當(dāng)風(fēng)向角為90°時，風(fēng)振影響較為劇烈，幕墻受到氣動力的影響較大。

表1求解結(jié)果（風(fēng)向角20°）

表2求解結(jié)果（風(fēng)向角其他值）

5.2 鏤空雙層幕墻氣動力頻譜

為了對氣動力的影響進(jìn)一步分析，需要建立幕墻氣動力圖譜，對氣動力進(jìn)行更加確切地分析。首先，建立x軸，通過公式fB/UH進(jìn)行求解。然后建立y軸，通過公式fS進(jìn)行求解。最后得出氣動力的圖譜，對圖譜進(jìn)行分析。其中，fB/UH為約化頻率，fS為功率譜。由氣動力頻譜可以得到如下結(jié)論：第一，當(dāng)約化頻率小于0.10時，橫向傾覆力矩譜值降低，且下降趨勢較大。順風(fēng)向圖譜隨著約化頻率的增大，fS值將逐漸減小，下降的速率較快。建筑橫向氣動力受到氣流旋渦的影響，將會導(dǎo)致氣動分離的現(xiàn)象發(fā)生，需要由外層鏤空層進(jìn)行過濾，使氣動力的影響能夠控制在較低水平，保障幕墻能夠處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)，使幕墻的氣動力頻譜具有良好的特性。

圖2風(fēng)向角與CFx（均值）關(guān)系曲線

5.3 鏤空雙層幕墻風(fēng)響應(yīng)特性

風(fēng)力對幕墻的影響可以通過風(fēng)響應(yīng)特性進(jìn)行分析，風(fēng)響應(yīng)表達(dá)式如下：

風(fēng)響應(yīng)特性需要通過上式進(jìn)行分析，確定幕墻的響應(yīng)變化規(guī)律，使幕墻受到的風(fēng)力影響研究更加地透徹。幕墻對順風(fēng)向響應(yīng)效果較弱，可以降級順風(fēng)向影響對幕墻的損害，使幕墻能夠在順風(fēng)向響應(yīng)中保持平穩(wěn)的狀態(tài)。幕墻對橫風(fēng)向響應(yīng)效果較強(qiáng)，對幕墻的危害較為嚴(yán)重，會引起幕墻發(fā)生較大的位移變化，需要降低橫風(fēng)向響應(yīng)對幕墻的影響，使幕墻具有良好的風(fēng)振特定。為了解決橫風(fēng)向響應(yīng)問題，需要風(fēng)響應(yīng)減振效率進(jìn)行分析，使風(fēng)振能夠得到有效的控制，降低位移對幕墻的影響，使幕墻能夠具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。當(dāng)約化風(fēng)速大于10.5m/s，風(fēng)振折減率在0.5～0.6，使風(fēng)振效率得到有效的控制。需要減少橫風(fēng)向風(fēng)振效率，使幕墻能夠具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

5.4 鏤空雙層幕墻結(jié)構(gòu)荷載分析

結(jié)構(gòu)荷載對幕墻穩(wěn)定性具有較大的影響，需要對其進(jìn)行分析，保障幕墻結(jié)構(gòu)的受力穩(wěn)定性，使幕墻能夠更好地投入使用。在風(fēng)響應(yīng)作用下，幕墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性將會發(fā)生變化，一旦幕墻位移較為嚴(yán)重，將會對幕墻結(jié)構(gòu)造成破壞。順風(fēng)向約化荷載的影響不夠顯著，對幕墻的影響較低。但橫風(fēng)向荷載影響具有顯著影響，一旦風(fēng)響應(yīng)作用力超出幕墻荷載范圍，將會對幕墻結(jié)構(gòu)造成損害，因而需要對橫向風(fēng)荷載進(jìn)行抑制，使幕墻荷載結(jié)構(gòu)更加地穩(wěn)定，提高幕墻的風(fēng)響應(yīng)特性。當(dāng)約化頻率較低時，順風(fēng)向?qū)δ粔奢d影響較大；當(dāng)約化頻率較高時，橫風(fēng)向?qū)δ粔奢d影響較大。在橫風(fēng)向條件下，幕墻剪力折減率為0.49，具有較為明顯的影響。

6 結(jié)束語

綜上所述，幕墻是高層建筑墻體的重要材料，合理地進(jìn)行應(yīng)用，降低風(fēng)響應(yīng)對幕墻的影響，使幕墻結(jié)構(gòu)更加地穩(wěn)定。需要嚴(yán)格地進(jìn)行對幕墻進(jìn)行試驗，對幕墻的風(fēng)響應(yīng)特性進(jìn)行分析，判斷幕墻能否對風(fēng)力環(huán)境進(jìn)行適應(yīng)，保障幕墻能夠正常進(jìn)行使用，保障幕墻結(jié)構(gòu)具有良好的安全特征。